Д.В. Сивухин - Общий курс физики (механика) (1113370), страница 38
Текст из файла (страница 38)
При этом работа, которую в состоянии совершить растянутая пружина, меньше работы, затраченной на ее растяжение. Во всех подобных случаях наблюдаются потери механической энергии. Формальная макроскопическая механика объясняет эти потери тем, что энергия расходуется на работу против диссипативных сил, действующих в системе. Однако такое объяснение является чисто формальным и нефизическим, поскольку оно совсем не раскрывает физическую природу диссипативных сил.
2. Надо учесть, что всякий раз, когда наблюдается потеря механической энергии, в системе происходят какие-то внутренние изменения. Если, например, с помощью чувствительного термометра или термопары измерить температуру шаров до и после неупругою удара, то оньгг покажет, что в результате удара шары немного нагрелись.
То же самое происходит при трении и остаточной деформации. При положительном и интенсивном трении нагревание настолько сильное, что для его обнаруткения не требуется никаких специальных приборов. Дикари добывали огонь трением одного куска дерева о другой. Если на ось мотора насадить диск из прочного картона (толщиной около 1 мм) и привести его в быстрое вращение, то можно перепилить деревянную доску, поднеся ее к краю этого вращающегося диска (картонная пила>.
Явление объясняется тем, что в месте контакта вращающегося картона с доской выделяется много тепла из-за трения. Дерево в этом месте сильно разогревается, обугливается и разрсзается вращающимся диском. Картонный диск при этом не разрушается, так как он интенсивно охлаждается из-за быстрого вращения в окружающем воздухе.
Разрез доски получается гладким и хорошо отполированным. Он имеет буроватую окраску из-за обугливания дерева при трении. Решающую роль в этом опыте играет натяжение картона, возникающее при вращении и придающее ему твердость. Вращением доски вокруг картонною диска ее распилить нельзя. 156 1гл. ГУ РАБОТА и энеРГия Могут быль и более сложные явления, сопровождаюптие потери механической энергии. Примером может служить следующая демонстрация.
На вал небольшой дипамомашины надет деревянный шкив, на который намотана длинная прочная нить. Нить перекинута через блок, укрепленный около потолка аудитории. К ее свободному концу подвешен груз в несколько килограммов. Вращая шкив, поднимают груз к потолку аудитории. Цепь динамомашины может замыкаться через ключ на небольшую электрическую цепочку. Если отпустить шкив, не замыкая цепи лампочки, то динамомашина нс вырабатывает электрического тока. В этом случае груз цадает ускоренно — потенциальная энергия груза переходит в кинетическую энергию.
Если снова поднять груз и замкнуть цепь лампочки, когда он пройдет приблизительно половину пути до пола, то лампочка загорается, а движение груза и вращение дипамомашины заметно затормозятся, После этого груз медленно опускается до пола с постоянной скоростью, а лампочка горит постоянным накалом во все время падения груза. Потенциальная энергия груза непрерывно уменьшается. Однако она нс пропадает бесследно: дннамомашина непрерывно вырабатывает электрический ток, выделяющий тепло в нити лампочки. 3. Макроскопическая механика учитывает только кинетическую энергию макроскопического движения тел и их макроскопических частей, а также их потенциальную энергию.
Но она полностью отвлекается от внутреннего атомистического строения вещества. При ударе, трении и аналогичных процессах кинетическая энергия видимого движения тел не пропадает. Она только переходит в кинетическую энергию невидимого беспорядочного движения атомов и молекул вещества, а также в потенциальную энергию их взаимодействия. Эта часть энергии тела получила название внутренней энергии. Беспорядочное движение атомов и молекул воспринимается нашими органами чувств в виде тепла. Таково физическое объяснение кажущейся потери механической энергии при ударе, трении и пр.
Представление о теплоте как о беспорядочном движении атомов и молекул окончательно утвердилось во второй половине Х!Х века и составило эпоху в науке. Примерно тогда же в физике утвердился и взгляд на закон сохранения энергии как на вби1ефизический закон, не знающий никаких исключений. Согласно этому закону энергия никогда ие создается и не уничтожается, она может тполько переходить из одной формы в другую. Однако необходимо расширить понятие энергии, введя повью Формы ее: энергию электромагнитного поля, ядерную энергию и пр. При этом необходимо заметить, что дать окончательную классификацию различных видов энергии не представляется возможным. Это можно было бы сделать, если бы окончательно были установлены все законгя природы, и развитие науки, во всяком случае в ее основах, было бы окончательно завершено.
Деление энергии на кинетическую и потенциальную имеет смысл только в механике и не охватывает всех форм энергии. Кроме того, отнесение энергии к тому или иному виду часто зависит от точки зрения. Например, в макроскопической механике упругая 157 АБСОЛЮТНО УПРУГИЙ УДАР энергия сжатого идеального газа считается потенциальной. Но с молекулярной точки зрения упругость газа объясняется тепловым движением его молекул. Поэтому с этой точки зрения ту же энергию следует считать кинетической. 4.
Принцип сохранения энергии, наряду с громадными конкретными применениями к уже известным явлениям, дает руководящие указания и в не исследованных областях. Всякое кажущееся нарушение этого принципа указывает на существование новых явлений, не укладывающихся в рамки существующих научных концепций. Так было, например, при открытии радиоактиености. Так было и с открытием нейтрино. На опыте были обнаружены кажущиеся нарушения законов сохранения энергии и импульса в явлениях р-распада атомных ядер. Это обстоятельство вынудило физика-теоретика Вольфранга Паули (1900 — 1958) ввести гипотезу, впоследствии подтвержденную экспериментально, что в р-распаде наряду с известными заряженными частицами (электронами и атомными ядрами) участвует еще неизвестная нейтральная частица, которая и была названа нейтрино.
Эта частица и уносит недостающие энергию и импульс. Благодаря исключительно слабому взаимодействию с веществом она ускользает от наблюдения. (Позднее, когда было выяснено, что каждой частице соответствует античастица, оказалось, что в явлениях электронного (1-распада участвует не нейтрино, а антинейтрино.) Общефизический принцип сохранения энергии охватывает, таким образом, не только явления, рассматриваемые в макроскопической механике, но и такие физические явления, к которым законы такой механики не применимы. Поэтому он не может быть выведен из уравнений макроскопической механики, а должен рассматриваться как одно из наиболее широких обобщений опытных фактов.
Й 28. АБСОЛЮТНО УПРУГИЙ УДАР 1. Интересные превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно наблюдаются при абсолютно упругом ударе. Так называется столкновение тел, в результате которого их внутренние энергии не меняются. В чистом виде такой случай при столкновении макроскопических тел не встречается. Но к нему можно подойти довольно близко.
Это имеет место, например, при столкновениях бильярдных шаров из слоновой кости или подходящей пластмассы. При столкновениях атомных, ядерных или элементарных частиц может реализоваться и случай абсолютно упругого удара в чистом виде. Такая возможность связана с квантовыми законами. Внутренние состояния и соответствующие им значения внутренней энергии атомных частиц диекретны (кеантованы).
Частицы при столкновении могут разлететься без изменения внутренних состояний. Тогда столкновение и будет абсолютно упругим. Так будет всегда, когда Г58 ~ГЛ,Ш РАБОТА И энеРГия кинетической энергии сталкивающихся частиц недостаточно, чтобы перевести хотя бы одну из них из нормального в ближайшее еозоужденнае состояние, характеризующееся большим значением внутренней энергии. При больших энергиях столкновение может сопровождаться возбуждением одной или обеих частиц с увеличением их внутренних энергий.
Наконец, может быть и такой случай, когда сталкиваются возбужденные частицы и в результате столкновения их внутренние энергии уменьшаются. Во всех таких случаях говорят о неупругих ударах, 2. Рассмотрим сначала центральные удары абсолютно упругих шаров.
В этом случае скорости шаров до удара и, и пг направлены вдоль прямой, соединяющей их центры. Эта прямая называется линией аентрое. При столкновении кинетическая энергия шаров "г (т, + тг) Кг, связанная с движением их центра масс, измениться ие может, так как не может измениться скорость самого центра масс. Может претерпевать превращения только кине- тическаЯ энеРгиЯ 'г 1Г(п, — иг) относительного движениЯ шаРов.
В случае абсолютно упругого удара шары при столкновении сплющиваются, и кинетическая энергия частично переходит в потенциальную энергию упругих деформаций. В некоторый момент вся кинетическая энергия относительного движения 1'г 1г(п, — вг) пеРеходит в потенциальнУю энеРгию УпРУго-дефоР- мированных шаров. В этот момент шары аналогичны сжатым пружинам, стремящимся перейти в недеформированное состояние. Ввиду этого начинается обратный процесс перехода энергии упругих деформаций в кинетическую энергию поступательного движения шаров.
Когда он заканчивается, шары разлетаются в разные стороны и вновь оказываются недеформированными. Таким образом, кинетическая энергия поступательного движения шаров снова принимает исходное значение, каким оно было до удара. Для реальных тел этот процесс осложняется возникновением упругих возмущений, распространяющихся в шарах со скоростью звука, излучением звуковых волн, а также внутренним трением и остаточнГями деформациями. После столкновения часть энергии уносится в виде энергии таких упругих возмущений, внутренних движений и звуковых волн, излученных в окружающую среду.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
