Безповоротні втрати енергії

Для авіаконструкторів ворогом номер один є опір повітря. Все своє життя конструктор літаків бореться з цим явищем. Парадокс ситуації в тому, що якщо у повітря не було б опору, літак не міг би літати. Підйомна сила крила виникає тільки завдяки опору середовища. Це ж опір потрібно долати, якщо бажаєш рухатися. У такому випадку говорять, що енергія втрачається за рахунок тертя. Для опису тертя законів Ньютона недостатньо.
Уявімо, що потрібно нагострити ніж. Якщо з силою водити бруском по лезу ножа, то незабаром можна помітити, що ніж і брусок нагрілися. Долаючи силу тертя, ми витрачаємо енергію: E = Fтр * s * n, де s – довжина леза, n – число переміщень бруска. Вся ця енергія розсіюється всередині ножа і бруска, підвищуючи їх температуру. Зворотний процес неможливий, оскільки частинки бруска ніколи не зберуться разом, щоб в єдиному пориві повернути нож в ящик столу. Таким чином, ми маємо справу з особливим видом передачі енергії, коли тіла взаємодіють, але в середньому не змінюють свого положення. При цьому енергія передається внутрішній структурі тіл, підвищуючи їх температуру. Нагрітими тіла залишаються недовго. Вони віддають надлишок енергії в повітря і остигають до температури навколишнього середовища. Так енергія, витрачена на подолання тертя, втрачається безповоротно.
Аналогічно закінчуються явища, пов’язані з пружними властивостями речовини. Якщо сталеву зволікання затиснути в лещатах і почати згинати й розгинати, то незабаром можна помітити, що в місці згину сталь нагрілася. Ми витратили механічну енергію, впливаючи на дротик, але вона залишилася в лещатах на місці і лише нагрілася. Зовнішнього тертя не було, енергія передавалася тільки за рахунок зміни форми тіла. При цьому ми долали силу пружної деформації, простіше кажучи, силу пружності. Ця енергія теж загубиться безповоротно, розсіявшись у просторі.
Пружність залежить від якості матеріалу. У механічних годиннику є пружинка з дуже пружною сталі. Така пружинка може роками згинатися і розгинатися, змушуючи годинник ходити. Відомі матеріали, які практично не володіють пружністю, наприклад, пластилін. Такі матеріали називаються пластичними.
Ми з’ясували, що в явищах тертя і пружності механічна енергія перетворюється на тепло. З огляду на те, що теплові явища вивчають в інших розділах фізики, ми зосередимо увагу на природі сил тертя і пружності. Пригадується, як в одній популярній книзі з фізики розглядалися різні види взаємодії. Яких тільки сил там не було: електричні, магнітні, електромагнітні, інерції, тертя, пружності, навіть сила Архімеда. Загалом, кожне явище природи супроводжувалося персональної силою. З таким «засиллям» сил неможливо погодитися. В енергетичному підході сила – це не явище природи і навіть не природна величина, така як маса, довжина, час. Сила – це характеристика темпу передачі енергії від одного тіла іншому.
Оскільки тіла обмінюються енергією за допомогою полів, ми повинні прив’язати сили до конкретних полях. У сучасній фізиці відомі чотири види поля: гравітації, електричне (електромагнітне) і два види ядерних: слабку і сильну. Ядерні поля не впливають на механічну енергію тел. Звідси випливає, що в механіці взаємодію тіл може бути або гравітаційним або електричним (магнітним). Спостереження показують, що на великих відстанях переважаючими є поля тяжіння. Усередині тел частки утримуються разом електричними полями. Звідси випливає, що сили тертя і пружності, хоча й сильно різняться між собою, повинні мати електричну природу.

Посилання на основну публікацію