Закони збереження енергії

Будь-яке тіло (або сукупність тіл) можна розглядати як систему матеріальних точок, або часток. Якщо в системі з плином часу відбуваються якісь процеси, то кажуть, що змінюється її стан. Стан системи характеризується одночасним завданням положень (координат) і швидкостей всіх її частинок.
Знаючи закони діють на частинки системи сил і стан системи в деякий початковий момент часу, можна, як показує досвід, за допомогою рівнянь руху передбачити її подальшу поведінку, т. Е. Знайти стан системи в будь-який момент часу. Так, наприклад, вирішується завдання про рух планет Сонячної системи.
Однак детальний розгляд поведінки системи за допомогою рівнянь руху часто буває настільки важко (наприклад, через складність самої системи), що довести рішення до кінця представляється практично неможливим. А в тих випадках, коли закони діючих сил взагалі невідомі, такий підхід виявляється в принципі неможливим. Крім того, існує ряд завдань, в яких детальний розгляд руху окремих частинок просто і не має сенсу (наприклад, газ).
При такому положенні природно виникає питання: чи немає яких-небудь загальних принципів, які є наслідком законів Ньютона, які дозволили б інакше підійти до вирішення завдання, і допомогли б у якійсь мірі обійти подібні труднощі.
Виявляється, такі принципи є. Це так звані закони збереження.
Як вже було сказано, при русі системи її стан змінюється з часом. Існують, однак, такі величини – функції стану, які мають досить важливим і чудовою властивістю зберігатися в часі. Серед цих зберігаються величин найбільш важливу роль відіграють енергія, імпульс і момент імпульсу. Ці три величини мають важливе загальну властивість адитивності: їх значення для системи, що складається з частин, взаємодія яких дуже малий, дорівнює сумі значень для кожної з частин окремо (втім, для імпульсу і моменту імпульсу властивість адитивності виконується і при наявності взаємодії). Саме властивість адитивності і надає цим трьом величинам особливо важливу роль.
Закони збереження енергії, імпульсу і моменту імпульсу мають, як з’ясувалося згодом, вельми глибоке походження, пов’язане з фундаментальними властивостями часу і простору – однорідністю та ізотропною. А саме: закон збереження енергії пов’язаний з однорідністю часу, а закони збереження імпульсу і моменту імпульсу – відповідно з однорідністю та ізотропною простору. Сказане слід розуміти в тому сенсі, що перераховані закони збереження можна отримати з другого закону Ньютона, якщо до нього приєднати відповідні властивості симетрії часу і простору. Більш докладно обговорювати це питання ми, однак, не будемо.
Закони збереження енергії, імпульсу і моменту імпульсу відносяться до числа тих найбільш фундаментальних принципів фізики, значення яких важко переоцінити. Роль цих законів особливо зросла після того, як з’ясувалося, що вони далеко виходять за рамки механіки і представляють собою універсальні закони природи. У всякому разі, досі не виявлено жодного явища, де б ці закони порушувалися. Вони безпомилково “діють” і в області елементарних частинок, і в області космічних об’єктів, у фізиці атома і фізиці твердого тіла і є одними з тих небагатьох найбільш загальних законів, які лежать в основі сучасної фізики.
Відкривши можливість іншого підходу до розгляду різних механічних явищ, закони збереження стали вельми потужним та ефективним інструментом дослідження, якою повсякденно користуються фізики. Ця найважливіша роль законів збереження як інструмента дослідження обумовлена ??низкою причин.

  •      1. Закони збереження не залежать ні від траєкторій частинок, ні від характеру діючих сил. Тому вони дозволяють отримати ряд досить загальних і суттєвих висновків про властивості різних механічних процесів, не вникаючи в їх детальний розгляд за допомогою рівнянь руху. Якщо, наприклад, з’ясовується, що такий-то процес суперечить законам збереження, то одразу можна стверджувати: цей процес неможливий, і безглуздо намагатися його здійснити.
  •      2. Той факт, що закони збереження не залежить від характеру діючих сил, дозволяє використовувати їх навіть тоді, коли сили взагалі невідомі. У цих випадках закони збереження є єдиним і незамінним інструментом дослідження. Так, наприклад, йде справа у фізиці елементарних частинок.
  •      3. Навіть у тих випадках, коли сили в точності відомі, закони збереження можуть надати істотну допомогу при вирішенні багатьох завдань про рух частинок. Хоча всі ці завдання можуть бути вирішені за допомогою рівнянь руху (в цьому відношенні із законів збереження ми не отримаємо ніякої додаткової інформації), залучення законів збереження дуже часто дозволяє отримати рішення найбільш простим і витонченим шляхом, позбавляючи нас від громіздких і утомливих розрахунків. Тому при вирішенні нових завдань зазвичай прийнято дотримуватися наступного порядку: насамперед один за іншим застосовують відповідні закони збереження і, лише переконавшись, що цього недостатньо, переходять потім до вирішення за допомогою рівнянь руху.
Посилання на основну публікацію