Модуль 1. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ОСНОВЫПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТИ
Тема 2. Основы концепций представления статистической физической картины макромира.
Естественнонаучные и цивилизационные проблемы энергетики
Лабораторная работа № 2
Использование компьютерного моделирования для представления и оценки работы, энергии, показателей термодинамики, статистических форм движения систем частиц
Однажды И. Hьютону гости пожаловались, что калитка в его сад туго открывается, и попросили сделать другую, получше.
- Я не знаю, куда лучше, - ответил физик.
- И так каждый входящий наливает в бак для дома не меньше галлона воды.
Цели работы
1. Создание целостного научного представления об окружающем пространстве при взгляде на него с энергетической точки зрения.
2. Сформировать необходимый для будущей профессии набор различных видов деятельности по компьютерному моделированию и визуализации с помощью компьютерной графики различных по сложности форм пространства и движения материи.
3. Сформировать базовые компетенции обнаруживать в природе, технике, быту изучаемые понятия о структурно-пространственном устройстве окружающего мира, о пространстве и простейших формах движения материи, формулировать и трактовать их в границах физической применимости, применять современный типичный научный аппарат естествознания.
4. Сформировать базовые компетенции оперировать фактами, получаемыми посредством средств измерений, чувств человека, а также визуализируемых и воспринимаемых с помощью современных средств компьютерного моделирования и компьютерной графики
5. Сформировать простейшие компетенции применять для извлечения требуемой информации о структурно-пространственном устройстве окружающего мира и характеристиках движения материи справочники, научно – техническую литературу, Internet
6. Путем решения заданий и анализа их результатов выработать умения практического использования типовых программных продуктов для оперирования численной информацией при различных способах ее представления.
Самостоятельная работа студентов
Перед выполнением лабораторной работы студенту необходимо:
1. Повторить основные понятия, связанные с введением понятий координат, перемещения частицы.
2. Вспомнить, а в случае необходимости повторно изучить такие понятия как скорость и ускорение.
3. Провести самопроверку эффективности своей теоретической подготовки, ответив на вопросы, приведенные в разделе «Контрольные вопросы».
4. Изучить эксперименты, описания всех способов обработки информации. В результате исполнения этого пункта студент должен уметь объяснять порядок выполнения работы и то, какие результаты он ожидает получить.
5. Подготовить отчет о лабораторной работе.
Надо помнить, что таблицы, результаты исследований помещаются в электронном документе отдельно по каждому пункту задания.
Средства и способы проведения эксперимента
В лабораторной работе экспериментальные исследования выполняется на IBM PC с использованием пакетов программ MATLAB.
Порядок выполнения работы
В первой теме при изучении того, каким представляется нам окружающий физический мир, мы использовали некоторую иллюзорную точку зрения на мир, которая получила название механического детерминизма.
Детерминизм (от лат. determino - определяю) утверждает, что при развитии любого процесса нет никакой случайности, изменения и явления в природе закономерны. Закономерные изменения, как подчеркивает само их название, порождены определенными причинами, которые могут быть названы, указаны и изучены.
Механический детерминизм излишне подчеркивает закономерность в природе. У того, что происходит на основе различного рода физических законов, всегда имеется одна возможность и что все происходящее вокруг нас реализуется в соответствии с жестко заданной цепью причин и следствий (в соответствии с единственной траекторией единственным образом заданной начальными условиями). Отыскивая эти закономерности, мы исходим из убеждения, что если нечто изменилось, так это потому, что изменилось что-то другое. Мы уже говорили, что существуют системы отсчета, в которых законы механического движения имеют особенно простой вид. К ним относятся инерциальные системы отсчета, в которых тело движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют никакие силы. Знание детерминированных законов природы позволяет нам ответить, к примеру, на вопрос «С какой скоростью движется падающее тело в вакууме?», не производя реальных опытов, то есть заранее.
Вместе с тем в нашей жизни все несколько иначе, более сложно, чем может показаться на первый детерминистский взгляд. Всегда с закономерными изменениями имеют место случайности. И отнюдь не во всех ситуациях интересующий нас результат полностью и жестко определяется законами.
Первый пример. Движение управляемых объектов (морских судов, самолетов, автомобилей и др.) обычно бывает целесообразным. Иначе говоря, оно заблаговременно планируется, то есть заранее рассчитываются траектории, скорости, ускорения и направления движения, а также моменты совершения соответствующих маневров и достижения конечной цели перемещения объекта в пространстве. Но такое запрограммированное и вроде бы детерминистское движение всегда представляет собой приближенный процесс, на который в реальных условиях воздействуют различные силы, как детерминированные, так и случайные. Из-за наличия случайных факторов неопределенности вычислить текущие координаты объекта, скорость, направление его движения можно лишь приближенно, с определенной точностью. Под воздействием различных неучтенных факторов часть параметров движения относится к разряду случайных величин и остается вообще неизвестной.
Другой пример- газ, в 1 см3 которого содержится 2.6 х 1019 молекул. Точное описание поведения совокупности большого числа рассматриваемых частиц, которые могут взаимодействовать между собой и другими телами, на детерминистском языке закономерностей чрезвычайно сложно, если вообще возможно.
Наконец, невозможно, используя детерминизм, предвидеть число посетителей магазина и количество товаров, которое они купят.
Для описания явлений с непредвиденным исходом используется идея случайности. Согласно этой идее, результат явления с неопределенным исходом как бы определяется неким случайным испытанием, случайным экспериментом. Иначе говоря, считается, что для выбора исхода в неопределенной ситуации природа словно бы бросает кости.
Явления (ситуации) в которых результат полностью определяется влияющими на него факторами, называется детерминированными или закономерными, а те, в которых это не выполняется – недетерминированными или стохастическими (слово стохастический происходит от греческого слова, что в дословном переводе означает угадывать).
Глубокое понимание различий между закономерными и стохастическими явлениями является важнейшей предпосылкой для понимания многих явлений окружающего нас мира.
Оказывается, что для выявления общих закономерностей развития сложных систем, многих процессов и явлений, имеющих множества случайных частностей, для объяснения причинно-следственных связей, возникающих при решении достаточно сложных научных и технических проблем удобно использовать стохастические представления и некоторые обобщенные показатели.
Первый и наиболее успешный опыт такого подхода, как Вам известно, со школы, был развит в термодинамике, когда газ рассматривался как единая система из многих взаимодействующих случайным образом частиц. В термодинамическом равновесии, когда общее состояние сталкивающихся молекул менялось медленно, оказалось возможным, не входя в детальное понимание свойств атомов и молекул, составляющих газ, расчета их траекторий движения ввести такие обобщенные понятия, определяющие в целом состояние системы, как температура и давление.
В чашке кофе содержится примерно молекул, движение которых хорошо подчиняется законам физики. Чтобы получить детальное микроскопическое описание движений и взаимодействий этой сложной многочастичной системы надо численно решать систему уравнений Ньютона, что весьма сложно даже на суперкомпьютере. К тому же детальное знание 10 в 25 степени траекторий нам ничего не даст. По этой причине при изучении такой системы обычно обращаются не к ньютоновской, а к статистической механике и молекулярной динамике, которые оперируют такими обобщенными макроскопическими понятиями, как полная энергия, температура. При таком макроскопическом подходе относительно просто, не связываясь с траекториями отдельных молекул, рассчитать, как температура нагретого кофе, если оставить его в чашке, достигает комнатной и с течением времени больше не меняется.
Термодинамические равновесные системы, в которых происходят медленные, постепенные, называемые в физике адиабатические развития процессов, послужили, в частности, основой для некоторых моделей экономического роста. Если развивающаяся экономическая система находится в квазистационарном состоянии и ее изменение за характерное время мало, то механизмы рынка способствуют установлению детального экономического равновесия.
Подход, аналогичный термодинамическому, позволяет также осмыслить и понять энергетические аспекты развития окружающего нас мира, оценить, насколько разумно и насколько неизбежно вообще развитие современной цивилизации на основе растущего производства и потребления энергии.
Для дальнейшего изучения материала нам потребуется понимать, что такое энергия и как она может превращаться из одного вида в другой. При этом удобно это понятия ввести, основываясь на понятиях механики.
Эксперимент 1. Изучение посредством моделирования основных понятий, связанных с механической работой и энергией
Различные способы определения положения движущихся частиц (под термином частица обычно понимают некоторую материальную точку некоторой массы) и тел, исследованные нами в лабораторной работе 1, не дают представления о связях и взаимодействиях, вызывающих или изменяющих их движение, а также о причинах изменения состояния движения.
В первой лабораторной работе мы ввели понятие пространства, в котором для совокупности точек, задаваемых числами – координатами этих точек в евклидовом пространстве, определено скалярное произведение векторов и в котором расстояние между двумя любыми точками А и В, положение которых в выбранной системе координат определено радиус- векторами 
и 
, соответственно, можно представить в виде 
. Мы предполагали, что имеет место однородность и изотропия пространства, заключающиеся в том, что свойства пространства одинаковы в различных точках (однородность), а в каждой точке одинаковы во всех направлениях (изотропия).
Мы говорили также о том, что в пространстве могут быть материальные точки – малые частицы, имеющие массу, но не имеющие объема, - положение или движение каждой из которых зависит от положения или движения остальных материальных точек этой совокупности.
В пространстве определена конфигурация материальной системы, если в ней установлено соответствие материальных точек системы и точек пространства в выбранной системе координат. Если конфигурация определена в начальный момент времени, то ее называют начальной.
При таких допущениях свободная частица, не подверженная действию других частиц, движется относительно системы отсчета равномерно, то есть с постоянной скоростью 
, и прямолинейно, или как говорят, по инерции (в частном случае 
частица покоится относительно системы отсчета). Можно сказать, что в этих условиях частица находится в стационарном состоянии, то есть не зависящем от времени. Обычно такую систему отсчета называют инерциальной (неподвижной или движущейся прямолинейно с постоянной скоростью).
Утверждение о существовании инерциальных систем отсчета, составляет содержание первого закона Ньютона – закона инерции: существуют системы отсчета, называемые инерционными, в которых частица при отсутствии воздействия других частиц сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
Ньютон назвал это свойство –«врождённым» свойством материи. Иными словами, материя обладает свойством непрерывного движения.
Надо сказать, что состояния обоих видов стационарного движения - покоя или равномерного прямолинейного движения - являются идеализацией реально наблюдаемых процессов. Они не учитывают взаимодействия движущейся частицы с другими телами.
Количественной мерой взаимодействия частиц служит сила. Сила — векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нём деформаций.
Из школы вам известно, что если приложить силу, то тело можно переместить на некоторое расстояние. Сила может вызывать ускорение частицы или тела и изменение формы (деформацию) тела. Говоря о силе, мы, в простейшем случае, предполагаем, что если нет других частиц, то сила, действующая на интересующую нас частицу, равна нулю. Если обнаруживаем, что сила действует, ищем ее источник в виде той или иной конкретной частицы или совокупности частиц.
Вам известно, что, в общем случае, все силы, с которыми имеет дело механика, обычно условно подразделяют на контактные силы, возникающие при непосредственном соприкосновении частиц (силы давления, трения), и силы физических полей, создаваемых взаимодействием полей и частиц (силы гравитационные, электромагнитные).
Опыт показывает, что всякая частица «оказывает сопротивление» при любых попытках изменить ее скорость как по модулю, так и по направлению. Это свойство, выражающее степень сопротивления частицы изменению скорости, называют инертностью. Мерой инертности может служить величина, называемая массой. Частица с большей массой является более инертной и наоборот.
Заметим, что в обыденном понимании, масса - «лат. мassa, – глыба, ком, кусок». То есть, обычно мы подразумеваем, что масса это наличие материального вещества. Ньютон, введя меру инертности, наделил массу новым свойством, которым материальное вещество обладает. Он тем самым обратил внимание на то, что движение материальных элементов может происходить за счёт влияния на материальные элементы сторонних сил, которые заставляют эти элементы двигаться, образуя движение по инерции. Подобное движение, как правило, возникает в процессе - ускорения движения тела, его торможения в процессе движения или вращения вокруг центра оси.
С взаимодействием также связано еще то, что мы обозначаем в самом простом, «бытовом» понимании фразой: «совершаем усилия».
Мы с вами знаем, что бег, лазанье, поднятие тяжестей – все это требует совершения усилий. Даже если просто лежим на диване, подобно камню, то мы тратим силы, – ведь мы раздвигаем грудную клетку с каждым вздохом и прогоняем пять литров крови по кровеносным сосудам с каждым ударом сердца. Наши почки и печень, как и другие органы, постоянно участвуют в деятельности, которая нуждается в совершении усилий. В то же время ни один «лежачий» камень, ни один неживой предмет не совершает усилий в том смысле, которое мы вкладываем в это слово для живого существа.
Чтобы охарактеризовать то, что происходит, описать это «совершение усилий», люди с давних времен используют разные слова: «работа», «труд», «дело», «занятие». Физики выбрали для описания усилий, прилагаемых для получения результата, самое общеупотребительное слово - «работа » (термин работа ввел в науку в 1826 году ученый Понсле).
Сейчас, наверно, можно говорить, что это был не совсем удачный выбор, потому что в обыденном языке слово работа понимается в разных смыслах. Игра в футбол требует гораздо больших затрат усилий, чем при написании строки из букв в школьной тетрадке. Однако последнее мы называем «работой», а первое – «игрой», «развлечением», но только не «работой». Различие в смыслах слова «работа» в обыденном и строго научном значении может любого сбить с толку. Но так уж сложилось, что научный и повседневный смысл термина отличаются.
Естественно, что ученым потребовалось дать термину «работа» строгое физико-математическое определение, которое было бы независимым от субъективной точки зрения. Поэтому мы приступаем к изучению того, что мы вкладываем в понятие «работа». Это слово вроде бы нам хорошо известно и понятно, и мы его используем в обыденной жизни. Мы знаем, что работу совершают огромное число разнообразных механизмов вокруг нас. Мы ходим на «работу» и получаем оплату за «работу». Вместе с тем, если мы попытаемся детально, с научной точки зрения, пояснить, в чем состоит суть этого понятия, то перед нами встанет сразу ряд проблем.
Для того, чтобы понять, что же все-таки представляет собой «работа», сделаем несколько предварительных замечаний.
Интуитивное понятно, что работа, с одной стороны, – это мера некой деятельности, приложения неких усилий для осуществления перемещения чего-то. Камень, посреди поля, лежит неподвижно и, в нашем обыденном понимании он «ничего не делает». Устрица на дне, которая тоже вроде бы неподвижна, двигается, открывает створки своей раковины, и на самом деле действует, совершает работу. Ученые посчитали, что именно это свойство - способность того или иного человека или предмета прилагать определенные усилия для совершения движения, перемещения следует использовать для характеристики работы.
Начиная с Галилео Галилея были сделаны попытки изучения и измерения работы в различных ее формах – в формах, которые человек и ранее использовал, не понимая их природы.
Одним из самых широко используемых на практике является механическое движение. Такое движение напрямую переводится в деятельность именуемую работой. После того, как английский ученый Исаак Ньютон, представил миру то, что сейчас мы знаем как три закона Ньютона, стало возможным объяснить, почему для любого изменения сложившейся ситуации требуется прилагать усилия. Движение лопаты, вгрызающейся в землю, движение топора, срубающего ствол дерева, движение транспорта, перевозящего грузы – все это давно наводило на мысль о неразрывной связи между тем, что содержится в движении и работой.
После того, как представление о количественном измерении механического движения прочно закрепилось в научном сознании, родился закономерный вывод, что работа тоже должна поддаваться измерению. Раз приложение к телу силы выводит его из «естественного состояния», то, проще всего, измерить количество проделанной работы, умножив приложенную силу на то расстояние, на которое тело было перемещено против какого бы то ни было сопротивления.
Из школы вам известно, что если сила перемещает тело на некоторое расстояние, то она совершает над этим телом механическую работу.
Механическая работа – это скалярная физическая величина, которая определяется произведением абсолютных значений постоянно действующей на тело силы и перемещения, которое совершает это тело в направлении действия силы. Если коротко, то работой 
называется произведение силы 
на перемещение 
:
.
Введите в командное окно MATLAB програму 1.
Изучите, какой вид будут иметь графики зависимости неизменной силы и работы в зависимости от перемещения, если сила совпадает с направлением перемещения.
Сформулируйте, что характерно для такого вида работы.
Определите, какая работа будет совершена силой = 10 Н, чтобы переместить только за счет этой силы груз на расстояние 5 м.
Програма 1.
clear;
so=0.1;
s1=7;
sn=5;
Fo=10;
n=1200;
ss=linspace(so,s1,n);
Fs=Fo.*ss./ss;
As=Fo.*ss;
subplot(211);plot(ss,Fs,'k','linewidth',2);grid on
xlabel(' Peremeschenie s, m');
ylabel('Sila F, H');
subplot(212);plot(ss,As,'k','linewidth',2);grid on
xlabel('Peremeschenie s, m');
ylabel('Rabota, J');
disp('Величина работы на пути 5 метров')
As5=Fo*sn
Под действием силы груз поменял свое положение, то есть переместился из одной точки «А» в другую «В», осуществив при этом работу на пути АВ, совпадающем с направлением силы.
Для такого вида работы, как свидетельствуют полученные графики, характерно.
1. Величина силы остается постоянной во время перемещения.
2. Работа определяется площадью прямоугольника, образованного силой и перемещением.
3. Работа измеряется в единицах системы Си 
, которая получила название «джоуль» (Дж) в честь английского физика Дж. П. Джоуля. Один джоуль работы подразумевает приложение силы в один ньютон на протяжении одного метра.
Рассмотрим несколько иной случай, когда действием силы груз поменял свое положение, то есть, переместился из одной точки «А» в другую «В». Пусть в этом случае направление силы и перемещения составляют между собой угол 
.
Для определения работы следует перемещение умножать на составляющую силы в направлении перемещения (в математике это действие называют скалярным произведением)
.
Скалярным произведением двух ненулевых векторов 
и 
называется число (скаляр), равное произведению длин этих векторов на косинус угла между ними:
Обратите внимание на тот факт, что при разных значениях угла в градусах (
, 
, 
) работа может быть положительной, отрицательной и равной нулю.
Введите в командное окно MATLAB програму 2.
Изучите, какой вид будут иметь графики зависимости неизменной силы и работы в зависимости от перемещения, если сила и направление перемещения составляют между собой угол .
Определите, какая работа будет совершена силой = 10 Н, при угле 
, чтобы переместить только за счет этой силы груз на расстояние 5 м.
Програма 2.
clear;
so=0.1;
s1=7;
sn=5;
Fo=10;
n=1200;
ss=linspace(so,s1,n);
alpha=atan(4/3);
disp('Угол между силой и перемещением в градусах')
algrad=alpha*180/pi
Fs=Fo.*ss./ss;
As=(cos(alpha))*Fo.*ss;
subplot(211);plot(ss,Fs,'k','linewidth',2);grid on
xlabel(' Peremeschenie s, m');
ylabel('Sila F, H');
subplot(212);plot(ss,As,'k','linewidth',2);grid on
xlabel('Peremeschenie s, m');
ylabel('Rabota, J');
disp('Величина работы на пути 5 метров ')
disp('под углом около 53 градусов к перемещению ')
As5=Fo*sn*(cos(alpha))
figure
TO=[0+i*0 0+i*0];
TA=[10+i*0 6+i*8];
godogrAB=[TO TA];
compass(godogrAB)
В общем случае, если частица под действием силы совершает перемещение по некоторой криволинейной траектории между точками 1 и 2, вектор силы в процессе движения может изменяться по модулю и направлению. В этом случае рассматривают элементарное перемещение 
(где 
- радиус вектор частицы), в пределах которого силу можно считать постоянной. Действие силы на перемещение характеризуют величиной, равной скалярному произведению 
. Эту величину называют элементарной работой 
силы на перемещение . Ее можно представить в виде
,
где - угол между векторами и ;
-элементарный участок траектории;
- проекция вектора на направление вектора .
Суммируя все элементарные работы вдоль траектории 1-2, можно определить работу силы на перемещении от точки 1 до точки 2
.
Если изобразить график как функцию положения частицы на траектории, то работа А на пути от точки 1 (
) до точки 2 (
) будет определяться площадью фигуры, ограниченной графиком и осью .
Рассмотрим интересный случай- работу силы тяжести 
в однородном поле тяжести при любой траектории между точками 1 и 2 (рис. 1). Работу подобного вида нам приходится выполнять каждодневно.
Рис.1. Работа в однородном поле тяжести
Запишем выражение для силы в виде 
, где 
- единичный орт вертикальной оси 
. Элементарная работа силы тяжести на перемещение выражается формулой
.
Скалярное произведение 
, где 
- проекция вектора на направление орта (ось ). Поэтому выражение для элементарной работы приобретает вид
.
Найдем работу силы тяжести на всем перемещении, интегрируя последнее выражение от точки 1 до точки 2 
.
Полученное выражение интересно в том отношении, что работа не зависит от формы траектории между точками 1 и 2, а зависит только от положения начальной и конечной точек.
Силы, у которых имеют место подобные соотношения, называют консервативными. Отсюда следует запомнить, что сила тяжести является консервативной, то есть на работу, производимую этой силой, формы траектории не влияет, а она зависит только от положения начальной и конечной точек.
Следует иметь в виду, что формула определяет величину работы, затрачиваемую на подъем «в гору» тела массой 
по любому пути, без трения, включая наклонную плоскость. При движении вниз сила тяжести совершает положительную работу, а при движении вверх – отрицательную.
Введите в командное окно MATLAB програму 3.
Изучите, какой вид будут иметь графики зависимости силы натяжения каната, высоты подъема лифта и работы в зависимости от времени в начальной стадии подъема лифта в многоэтажном здании.
Определите, какая необходима работа для подъема лифта и какой величины нужна мощность мотора, чтобы осуществить начальную стадию равноускоренного подъема лифта, которая выполняется в течение 3 секунд.
Сформулируйте, выполняют данную работу консервативная или не консервативная сила.
Объясните, почему выполненная работа подъема лифта в многоэтажном здании имеет отрицательный знак.
Изучим, какую работу надо совершить по поднятию с первого этажа (
) в течении 3 секунд пассажирского лифта, массой в 400 кг (весом 3920Н) в многоэтажном высотном здании, если лифт в начале поднимается с ускорением 0,5 м/с2.
Работу по поднятию лифта совершает сила 
, приложенная к лифту со стороны каната. Кроме силы 
, направленной вертикально вверх, на лифт действует сила тяжести 
, направленная вертикально вниз. Обе силы, действуя одновременно, создают ускорение 
. Расстояние, пройденное лифтом при равноускоренном движении под действием силы , определяется по уравнению пути
.
Работа по подъему лифта в многоэтажном высотном здании, если лифт поднимается с ускорением, равна
.
Програма 3.
clear;
to=0.01;
t1=4;
t2=3;
n=1100;
g=9.8;%Задаем ускорение свободного падения
m=400;%Задаем массу лифта
ao=0.5;%Задаем ускорение движения лифта
tt=linspace(to,t1,n);%Создаем переменную времени
aa=ao.*tt./tt;
z21=0.5*ao.*tt.*tt;
A=-ao*0.5*(m.*aa+m*g).*tt.*tt;
Fk=-A./z21;
Fh=m.*aa;
subplot(311);plot(tt,Fk,'k','linewidth',2);grid on
xlabel('t, cek');
ylabel('Fh(t), H');
subplot(312);plot(tt,z21,'k','linewidth',2);grid on
xlabel('t, cek');
ylabel('Z, m');
subplot(313);plot(tt,A,'k','linewidth',2);grid on
xlabel('t, cek');
ylabel('A(t), J');
disp('Величина работы, в Дж')
At10=-ao*0.5*(m*ao+m*g)*t2*t2
Для определения способности совершать усилие, помимо работы, используют также понятие энергия (термин энергия ввел в науку в 1850 году ученый Юнг). Оно происходит от греческого слова «энергос», что означает деятельный. Поэтому приступим теперь к изучению того, что мы вкладываем в понятие «энергия».
Введем это понятие, следуя одному из лучших определений энергии, принадлежащему Дж. Максвеллу: «Энергия – способность (свойство) тела совершать работу».
Из определения Дж. Максвелла следует, что понятия работы и энергии, хотя и близкие, но все же разные понятия. И не случайно ученые посчитали необходимым отдельно отметить способность того или иного предмета или живого организма совершать работу и даже ввели новую физическую величину – мысленную модель этого свойства - энергию. И Вам надлежит научиться их различать.
Работа характеризует процесс, как последовательную смену состояний, а энергия всего лишь состояние механической системы. Процесс (от лат. processus — продвижение) — последовательная смена состояний объекта во времени. «Изменение во времени» означает, что у процесса есть начало и непременно наступает завершение. Отсюда термин «работа», как физическая величина, употребляется в двух смыслах: это либо процесс перемещения тела под действием силы из одной точки в другую; либо физическая величина, характеризующая этот процесс мерой изменения энергии при переходе из одного состояния в другое.
Мы хорошо знаем, что когда рука встречает на своё пути массу (от английского «глыба»), то на изменение ее первоначального состояния покоя, то есть на «разгон» этой «глыбы», требуются затраты энергии. И чем больше вещества в этой глыбе, тем больше нужно затрат на придание ей движения.
Каждому определенному состоянию предмета или тела соответствует определенная энергия. Переход из одного состояния в другое сопровождается изменением энергии. Например, если система обладала энергией покоя, то приведение ее в движение обусловит появление в ней кинетической энергии.
В случае механических процессов этот переход от одного состояния к другому осуществляется в процессе механической работы. Если единое целое тело движется, то можно говорить о его состоянии - кинетической энергии, зависящей от массы тела и от скоростей движения точек тела.
Надо иметь в виду, что, говоря об энергии, наша речь изобилует иносказательностью, которая отнюдь не способствует пониманию природы энергии.
Энергия – это характеризующая состояние численная (скалярная) физическая величина, как впрочем, и масса, и длина. То есть это не объективная реальность, напоминающая вещество, предмет или поле, а именованное число, придуманное людьми для количественного выражения этого состояния (свойства), характеристики чего-то математически.
Поэтому не совсем корректным являются словосочетания, что «пища (вещество) превращается в энергию (именованное число)» или «механическая энергия превращается в тепловую энергию». Именованные числа, характеризующие скалярную физическую величину (количественные знания о свойствах, ни во что не могут превращаться, кроме как в новые числа, когда их подставляют в формулы. Говоря, что при трении механическая энергия превращается в тепловую, это все равно, что сказать, что портной превращает длину отреза ткани в длину брюк. Еще один пример нам привычного, но не совсем корректного, словосочетания. Что производит электростанция? Каждый знает, что электростанция вырабатывает электроэнергию. А что производят кондитерские фабрики, обувные предприятия, швейные фабрики, автомобильные заводы? Соответственно: конфеты, обувь, одежду, автомобили. Итак, все предприятия, кроме электростанций, производят вещи, предметы, изделия (то есть объективную реальность). А электростанции производят физическую величину (именованное число, придуманное людьми, для того, чтобы характеризовать способность (свойство) тела совершать работу). Говорить иносказательно, что электростанции производят энергию, ничуть не лучше, что пивоваренные заводы производят объем, а текстильные предприятия – длину. Электростанции производят, конечно, не физическую величину, они производят объективную реальность – электрическое напряжение и электрический ток.
По своему строению греческое слово «энергос» состоит из «эн» -«в, внутри» и «эргон» - работа. То есть слово «энергия можно толковать и «как нечто, внутри чего содержится работа ». Энергия материального объекта это и то, что в нем «сосредоточено и может быть использовано». Это некий возможный ресурс тела (ресурс — количественная мера возможности выполнения какой-либо деятельности).
Энергия – это внутреннее свойство (способность, возможность) людей и тел совершать работу. В этой связи можно говорить о количестве энергии, заключенной в неподвижном теле, но нельзя – о количестве работы в нем (нет изменений и нет процесса). Нависший на краю скалы камень обладает энергией, но до тех пор, пока он не рухнет вниз, он не способен совершить работу. Если же он начнет падать вниз, возникнет движение, процесс, он может разрушить стоящий у подножия дом, тем самым совершив работу (перемещения стен дома на некоторое расстояние и разрушения его конструкции). В этом смысле можно говорить, что Солнце обладает огромными запасами энергии. В работу эта энергия превратиться, когда Солнце своими лучами начнет чт<