Морозова Елена Германовна , кандидат химических наук Введение в естествознание (учебное пособие) Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, священник Константин Буфеев Учебное пособие представляет собой курс естествознания, который может быть использован в системе высшего гуманитарного и среднего общего образования.
Вслед за этим пружина начнет расширяться и будет толкать тело назад. То есть при своем расширении пружина совершит работу над телом, которая вся уйдет на увеличение кинетической энергии тела после остановки. Если пружина хорошая, упругая, то можно будет констатировать практическое равенство кинетической энергии тела до и после взаимодействия с пружиной; само тело в эти мгновения покоится, так как запас ее кинетической энергии уже растрачен на совершение работы по сжатию пружины, он перешел в запас, энергии, которой обладает пружина в сжатом состоянии — «мертвой силы», как ее первоначально называли.
Эту неподвижную форму энергии называют потенциальной энергией, как бы подчеркивая, что эта энергия потенциально может перейти в энергию движения. Самый простой способ запасти такую энергию — это поднять груз на высоту. Когда груз падает, запасенная потенциальная энергия превращается в кинетическую. И наоборот, когда, например, мы испытываем усталось, поднимаясь на высокую горку, или же по ступенькам на верхний этаж здания, связано это с тем, что мы постоянно совершаем работу по увеличению потенциальной энергии своего тела, поднимая его на соответствующую высоту.
Таким образом, работа может быть определена как мера изменения энергии. В случае механического движения передача энергии происходит в форме работы в процессе взаимодействия тел. Закон сохранения энергии применительно к механическом процессам звучит следующим образом: полная энергия замкнутой консервативной системы тел, равная сумме их потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной.
То есть всякое изменение потенциальной и кинетической энергии есть превращение потенциальной энергии в кинетическую, а кинетической в потенциальную. Всякий физический закон имеет границы применимости. Это, в первую очередь, относится к закону сохранения механической энергии. Первое важное ограничение этого закона состоит в требовании изолированности системы рассматриваемых тел от внешних воздействий. Такую систему мы называем замкнутой.
Второе ограничение связано с тем, что не всегда работа однозначно определяется изменением потенциальной энергии тела при перемещении его из одной точки поля в другую. Однозначное определение работы как меры изменения потенциальной энергии имеет место лишь для потенциальных полей. Примерами таких полей могут служить гравитационное поле или электростатическое.
Потенциальными считаются поля, работа сил которых не зависит от траектории движения тела в поле. Соответственно силы этих полей называют консервативными. В случае, если работа сил зависит от формы пути, или силы зависят от скорости движения, механическая энергия системы не сохраняется. К сожалению, силы трения, которые не являются консервативными, присуствуют во всех случаях.
Следовательно, закон сохранения механической энергии имеет смысл лишь применительно к идеализированным ситуациям. Майер распространил закон сохранения механической энергии как на «мертвую» (включающую физические и химические процессы), так и на «живую» природу. Широкая формулировка закона Гельмгольцем позволяла выйти за рамки механики и придать впоследствии закону сохранения универсальный характер.
Ограниченность представлений о материи в рамках механических моделей Механистические взгляды на материальный мир господствовали в естествознании не только в XVII и XVIII вв., но и в течение почти всего XIX в. В целом природа понималась как гигантская механическая система, функционирующая по законам классической механики. Считалось, что в силу неумолимой необходимости, действующей в природе, судьба даже отдельной материальной частицы заранее предрешена на все времена. Ученые-естествоиспытатели видели в классической механике прочную и окончательную основу естествознания. В предисловии к своему знаменитому труду «Математические начала натуральной философии» И. Ньютон высказал следующую установку на будущее: «Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы, ...ибо многое заставляет меня предполагать, что все эти явления обуславливаются некоторыми силами, с которыми частицы тел вследствие причин, пока неизвестных, или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются и удаляются друг от друга. Так как эти силы неизвестны, то до сих пор попытки философов объяснить явления природы оставались бесплодными. Я надеюсь, однако, что или благодаря этому способу рассуждения, или другому, более правильному, изложенные здесь основания доставят некоторое освещение» [11]. Многие естествоиспытатели вслед за Ньютоном старались объяснить исходя из начал механики самые различные явления природы. При этом они распространяли законы, установленные для механической сферы явлений, на все процессы окружающего мира. В торжестве законов Ньютона, считавшихся всеобщими и уникальными, черпали веру в успех ученые, работавшие в астрономии, физике, химии. Длительное время теории, объяснявшие закономерности соединения химических элементов, опирались на идею тяготения между атомами. Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи. Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Считалось, что все физические процессы можно свести к перемещению материальных точек под действием силы тяготения, которая является дальнодействующей. Итогом ньютоновской картины мира явился образ вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий. Отсюда и вера в то, что теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во вселенной или предсказать будущее с абсолютной определенностью. Механистический подход к описанию природы оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако, в конце XVIII - начале XIX вв. появились элементы абсолютизации классической механики.