2. Понятие энергии. Общефизический закон сохранения энергии

Важнейшими понятиями механики являются: сила, импульс, момент импульса, энергия. Эти физические величины определяются в качестве мер.

Сила- это векторная мера взаимодействия.

Импульс- это векторная мера движения при линейных перемещениях (переносах) тел в пространстве.

Момент импульса - это векторная мера движения при изменении ориентации (поворотах) тел в пространстве.

Энергия- это всеобщая скалярная мера движения и взаимодействия всех видов материи.

блок

S₁^*

S₁^*

S₂^* S₂^*

S₁

шкив S₁

Р В S₂ r

r S₂

P

груз

G G

а) б)

Рис.2.

Пояснение. Дополнительный блок применяется для увеличения высоты подъёма груза и улучшения переброски нити на шкиве. На первой схеме - а) груз опускается, и нить на шкиве разматывается. На второй схеме - б) груз поднимается, т.к. нить после опускания груза перебрасывается на другую сторону шкива и теперь наматывается на его обод. Момент силы натяжения нити М_р= r∙ х∙ S₁. В первом случае момент силы S₁ "помогает" шкиву вращаться и угловая скорость  увеличивается. Во втором случае шкив продолжает вращаться по инерции, но момент силы S₁ "тормозит" шкив и угловая скорость  уменьшается, так что шкив (вместе с грузом) через некоторое время остановится.

На схемах показаны направления скорости груза, движущегося под действием силы тяжести G и натяжения нити S₂. При движении груза сила G>S₂.

Силы S были бы равны между собой (S₁=S^*₁=S₂=S^*₂) при условии, что блок невесом и на его оси нет трения. В реальной схеме эти силы равны попарно (S₁=S^*₁; S₂=S^*₂). Объясните, почему в первом случае S^*₂>S^*₁, а во втором- S^*₁>S^*₂. Как это влияет на высоту подъёма груза после переброски нити?

Общефизическое понятие энергии сформировалось в XIX в., когда было установлено, что все виды взаимодействия и движения возможны только при наличии особой физической величины, получившей название «энергия». При этом энергия переходит из одной формы в другую: механическую, внутреннюю, электромагнитную, химическую, ядерную и др. Такое разделение форм энергии условно. Например, внутренней энергией называется сумма кинетической энергии хаотического движения атомов и молекул и энергии взаимодействия таких частиц, которая складывается из энергии электромагнитного и гравитационного взаимодействий.

Установлено, что при переходе из одной формы в другую суммарное значение энергии не изменяется, и на этом основании сформулирован общефизический закон сохранения энергии: в изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но её количество остается постоянным.

В космологической механике предполагается, что в Большой Вселенной (включающей в себя всю совокупность Галактик) количество энергии сохраняется неизменным. Отметим, что в Большой Вселенной суммарное значение сил, импульсов и моментов импульсов оказывается равным нулю вследствие полной балансировки этих векторных величин.

Примечание. Система тел называется изолированной, если составляющие систему тела не взаимодействуют с внешними объектами. В этом смысле Большая Вселенная по определению является изолированной системой.