1611143575-9594eae618314f5037b2688bf71c4d71 (825039), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Дерево в этом месте сильно разогревается, обугливается и разрезается 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. Ов имеет буроватую окраскч из-за обуглива. ния при трении. Решающую роль в этом опыте играет натяжение картона, возникающее при вращении и прида1опгее ему тнердость.
Вращением доски вокруг картонного диска ее распилить нельзя. Могут быть и более слозкные явления, сопровождающие потери механической энергии. Примером может служить следующая демонстрация. На вал небольшой динамомашины надет деревянный шкив, на кон>рый намотана длвнная прочная нить. Нить перекинута через блок, укрепленный около потолка аудитории.
К ее свободному концу подвеп|ен груз в несколько килограммов. Вращая шкив, поднимают груз к потолку аудитории. Цепь динамомашины может замыкаться через ключ на небольшую электрическую лампочку. Если отпустить шкин, не замыкая цепи лампочки, то динамомашина ве вырабатывает электрического тока. В этом случае груз падает ускоренно — потенциальная энергия груза переходит в кинетическу1о 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 динамомашины 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 опа ие пропадает бесследно: динамомашина непрерывно вырабатывает электрический ток, выделяющий тепло в нити лампочки. 3. 111акроскопическая 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 кине-' тическую 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 Х1Х века и составило эпоху в науке.
Примерно тогда же в физике утвердился и взгляд на закон сохранения энергии как на общефизический закон, не знающий никаких исключений. Согласно этому закону энергия никогда не создается и не уничтожается, они может только переходить из одной формы в другую. Однако необходимо расширить понятие энергии, введя новые 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 окончательна были установлены все законы при- 149 АБСОЛЮТНО УПРУГИИ УДАР 4 ВВ) роды, 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 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 неисследованных областях. Всякое кажущееся нарушение этого принципа указывает на существование новых явлений, не укладывающихся в рамки существующих научных концепций. Так было, например, при открытии радиоактивности. Так было и с открытием нейтрино. На опыте были обнаружены кажущиеся нарушения законов сохранения энергии и импульса в явлениях ()-распада атомных ядер.
Зто обстоятельство вынудило Паули (1900 †19) ввести гипотезу, впоследствии подтвержденную экспериментально, что в 1)-распаде наряду с известными заряженными частицами (электронами и атомными ядрами) участвует еще неизвестная нейтральная частица, которая и была названа нейтрино. Зта 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 ))-распада участвует не нейтрино, а антинейгприно.) 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 адно из наиболее широких обоби1вний опытных факгпов, $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.
Зто имеет место, например, при столкновениях бильярдных шаров из слоновой кости или подходящей пластмассы. При столкновениях атомных, ядерных или элементар- РАБОТА И ЭНЕРГИЯ ~гл. и ных 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 диснретны (неанГлоеаны). Частицы при столкновении могут разлететься без изменения внутренних состояний. Тогда столкновение и будет абсолютно упругим. Так будет всегда, когда кинетической энергии сталкивающихся частиц недостаточно, чтобы перевести хотя бы одну из них из нормального в блиЖайшее возбужденное состояние, характеризующееся ббльшим 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 неуаругих ударах. 2. Рассмотрим сначала центральные удары абсолютно упругих шаров.
В этом случае скорости шаров до удара и, и и, направлены вдоль прямой, соединяющей их центры. Эта прямая называется линией центрое. При столкновении кинетическая энергия шаров '/, (т, + тх) у', связанная с движением их центра масс, измениться не может, так как не может измениться скорость самого центра масс. Может претерпевать превращения только кинетическая энергия Ч, )Г (о, — о,)' 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 '/2)Г (а, — о,)' переходит в потенциальную энергию упруго деформированных 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 не деформированнымн. 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 остаточными деформациями. После столкновения часть энергии уносится в виде энергии таких упругих возмущений, внутренних движений и звуковых волн, излученных в окружающую среду. Эта часть энергии в конце концов переходит в тепловую (внутреннюю) энергию.
Она может быть очень малой и в предельном случае идеально упругих шаров обращается в нуль. АБСОЛЮТНО УПРУГИЙ УДАР $ 2В] 3. Скорости шаров после столкновения О] и О2 легко найти из законов сохранения импульса и энергии: тгпг'+ тгцг' = — пггпг+ п]ВОВ, 1,2 ],1 1 г ! (28.1) -з.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
