Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
После столкновения объединенный комок воска будет весить 8 граммов и двигаться в направлении движения большего из первоначальных шаров, соответственно его импульс будет положительным и равным 8 умножить на 1, то есть +8 г∙м/сек.
Как доказывают эксперименты, при таких условиях импульс всегда сохраняется. Импульс сохраняется и в том случае, когда сталкиваются два упругих шара (например, стеклянных или стальных, то есть таких, которые не слипаются, а разлетаются в разные стороны), только не надо забывать о том, что если мы принимаем импульс при движении в одну сторону за положительный, то импульс при движении в другую сторону следует принимать за отрицательный. Существуют даже общепринятые геометрические способы разделения движения в любом направлении на положительную и отрицательную составляющие, и при их применении оказывается, что импульс сохраняется даже при столкновении тел, движущихся не лоб в лоб, а под углом, или при столкновении более чем двух шаров, как, например, при разбивании пирамиды в бильярде.
Возьмем, например, такую систему, как заряженное ружье. Если подвесить его на шнуре, момент в покоящемся состоянии будет равным нулю. Однако теперь предположим, что на спусковой крючок очень тихо и незаметно (не покачнув ружья) нажали. Тогда одна часть системы (пуля) вылетит из ствола, имея высокую скорость и достаточно большой импульс. Единственным способом сохранить общий импульс для системы будет движение второй ее части, самого ружья, в противоположном направлении, с импульсом равным импульсу вылетевшей пули. Поскольку ружье во много раз тяжелее, чем пуля, то и придаваемая ему для уравновешивания импульса скорость будет во много раз меньше.
Угловой импульс (произведение массы на вращательное движение) тоже сохраняется. Самой красивой иллюстрацией тому может послужить вращение фигуристки, которая кружится так быстро, как только может. Каждая часть ее тела обладает определенным угловым импульсом, в зависимости от скорости движения этой конкретной части тела — чем дальше от центральной оси вращения, тем быстрее движение. У нашей фигуристки с наибольшей скоростью будут двигаться вытянутые в стороны руки.
Если фигуристка прижмет руки к телу, они потеряют угловой импульс, поскольку окружность, расстояние, которое они преодолевают за один оборот, станет меньше, а значит, и скорость их движения уменьшится. Однако ведь угловой импульс должен быть сохранен! Если одна часть системы его теряет, другая должна приобретать. Так и здесь — если фигуристка прижимает руки к телу, само тело начинает вращаться еще быстрее, и выступающая становится похожей на волчок.
К сожалению, сохранение механической энергии и импульса полностью может осуществляться только в идеальной ситуации, в которой нет ни сопротивления воздуха, ни трения. На Земле такого не бывает нигде. В идеальных условиях отсутствия трения и сопротивления маятник никогда не перестанет качаться, мячик — прыгать, бильярдные шары будут вечно кататься и сталкиваться, а фигуристка продолжит кружиться, пока ей самой не надоест и она не остановится, сознательно приложив к этому усилия.
Ничего подобного мы наблюдать не можем. Когда мяч бросают в воздух, не вся его потенциальная энергия переходит в кинетическую — часть ее потратится на преодоление сопротивления воздуха. А когда он станет падать обратно, опять же не вся его потенциальная энергия перейдет в кинетическую — часть ее съест трение. После того как шар ударится о землю и отскочит от нее, в момент удара еще часть энергии потеряется, поскольку ни шар, ни земля никогда не являются абсолютно упругими. На практике ни одна, даже наилучшим образом продуманная, система не может избежать подобного рода потерь, так что полностью импульс никогда не сохраняется.
Далее, из-за наличия трения вопрос о том, каким именно образом механическая энергия или импульс перешли из состояния А в состояние В, приобретает значение. Ядро, сброшенное со скалы, падая вниз, потеряет небольшое количество энергии из-за сопротивления воздуха. Такое же ядро, которое пустили скатываться вниз по пологому спуску (не идеально гладкому, как я предположил ранее, а реальному, где присутствует трение), прибудет на поверхность земли, обладая меньшим количеством кинетической энергии, чем тело, падавшее свободно. Чем положе спуск и чем длиннее путь качения, тем больше будет трение и тем меньшим станет в итоге количество кинетической энергии тела.
При расходе энергии вырабатывалось тепло, а теплом ученые всерьез заинтересовались лишь тогда, когда появление паровой машины ясно показало, что тепло — это одна из форм энергии, которую можно перевести в работу так же однозначно и безошибочно, как и кинетическую энергию. И только постигнув природу тепла, физики смогли работать с реальным миром, а не с идеальным, существующим только в их воображении.
Глава 4.
ИЗМЕРЯЕМОЕ ТЕПЛО
Ученые древности не могли четко уяснить себе, что же такое тепло, кроме того, что это нечто, к чему чувствителен человеческий организм. Что не мешало им, однако, исследовать это явление, причем даже с некоторым успехом.
Прежде всего, они научились измерять силу тепла — то есть температуру. Ведь наши ощущения дают нам некоторое представление о силе тепла, а не о его общем количестве. Мы различаем холодные и горячие предметы, но не можем сказать, сколько в том или ином предмете содержится тепла. Например, его гораздо больше в ванне с холодной водой, чем в капле кипятка, но при этом вода в ванне кажется нам холодной, а капля кипятка — горячей. В капле выше насыщенность теплом — то есть больше тепла содержится в заданном объеме жидкости.
Это крайне важный элемент устройства всей Вселенной, поскольку в ней тепло перетекает от более горячих объектов (с более высокой температурой) к более холодным (с более низкой температурой), а не от объектов, содержащих больше тепла, к объектам, содержащим меньше тепла. Так, если каплю кипятка капнуть в ванну с холодной водой, то тепло перейдет из капли (которая моментально остынет) в ванну (которая нагреется на незаметную величину).
Если вы не уверены, что поняли суть идеи, то представьте себе аналогию с течением воды. В горной речке воды гораздо меньше, чем в океане, но горная речка находится на большей высоте и обладает большей потенциальной энергией, чем океан. И вода течет не из океана, где ее много, в речку, где ее мало, а наоборот — из маленькой речки, находящейся высоко в горах, в океан, находящийся внизу.
Народная мудрость гласит, что вода всегда течет вниз — это частное проявление закона о том, что любое самопроизвольное движение происходит в направлении уменьшения потенциальной энергии.
Температура является для тепла тем же, чем потенциальная энергия — для массы. Тепло переходит от горячих предметов к холодным так же, как вода стекает вниз. Лично я с удовольствием заменил бы слово «температура» на «тепловой потенциал» — называем же мы движущую силу электрического тока «электрическим потенциалом», зная, что электричество всегда течет из точки с высоким потенциалом в точку с низким.
Потенциальную энергию тела мы можем узнать, измерив высоту его положения над уровнем моря. А можно ли как-то измерить температуру? Первым принцип ее измерения придумал Галилей. Практически все вещества расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. И в 1592 году Галилей изобрел «воздушный термометр», в котором, в зависимости от температуры, измерялся объем воздуха, что приводило к изменению уровня воды в трубке. К сожалению, на уровень воды в трубке влиял также и такой параметр, как атмосферное давление, так что показатели такого термометра были ненадежными.
За этим термометром последовали другие, закрытые, на которые атмосферное давление уже не влияло. В таких термометрах жидкость заливали в колбу, и она частично заполняла тоненькую запаянную капиллярную трубку таким образом, что даже небольшие изменения общего объема жидкости заметным образом сказывались на уровне этой жидкости в трубке. Изменения уровня и отражали изменения температуры.
В 1715 году немецкий физик Габриэль Даниэль Фаренгейт впервые использовал в качестве жидкости, уровень которой изменялся в тщательно градуированной трубке термометра, ртуть. Таким образом и был изобретен инструмент, которые мы до сих пор пользуемся в неизменном виде. В Соединенных Штатах, Великобритании, Канаде, Южной Африке, Австралии и Новой Зеландии до сих пор используется и шкала Фаренгейта, разработанная им самим. На этой шкале температуре таяния льда соответствует показатель 32 градуса (обозначается 32°), а температуре кипения воды — 212°. Шкала обозначается буквой F после цифр.
В других странах, а также в научной среде используется десятичная шкала, которую разработал шведский астроном Андерс Цельсий, где температура таяния льда взята за 0°, а температура кипения воды — за 100°. Шкала Цельсия обозначается буквой С после цифр.
