Найбільш загальні закони природи

Закони природи вивчають різні науки: фізика, хімія, біологія та ін. Кожна наука розглядає закони, застосовні тільки до обмеженого кола природних явищ. Однак існують деякі загальні закони природи, які, як показує досвід, виявляються справедливими для будь-яких об’єктів, для будь-яких явищ і процесів. До таких законів відносяться закони збереження.

Одним з понять, що грають важливу роль у всіх природних науках, є поняття енергії.

Загальне визначення енергії – це здатність тіла або системи тіл виконувати роботу. (Оскільки одне тіло теж можна розглядати як систему, далі ми скрізь будемо говорити про систему тіл, або просто системі.) При скоєнні системою роботи над зовнішніми по відношенню до неї тілами її енергія зменшується. Якщо ж, навпаки, над системою відбувається робота зовнішніми тілами, енергія системи збільшується. Замкнутою системою називають систему, не взаємодіє з яким би то не було оточенням. Така система, природно, не може здійснювати будь-якої (позитивної або негативної) роботи над зовнішніми тілами.

Слід розуміти, що поняття «замкнута система» є ідеалізоване поняття. Будь-яка реальна система завжди взаємодіє з оточенням. Однак якщо чинена при цьому робота мала, то систему наближено можна розглядати як замкнуту.

Енергія замкнутої системи зберігається, т. Е. Залишається незмінною в часі при будь-яких процесах, що відбуваються всередині системи.

Енергія може приймати різні види. У механіці розрізняють який потенційно і кінетичну енергії, які можуть переходити один в одного, наприклад, при русі кинутого каменя. Суму кінетичної і потенційної енергій називають механічною енергією. Механічна енергія може наближено зберігатися, однак при наявності сил тертя або непружної деформації переходить у внутрішню енергію. Внутрішня енергія, як ви знаєте, є енергія мікрочастинок, складових речовина. Зворотний процес – перехід внутрішньої енергії в механічну – відбувається в теплових двигунах.

З електричними і магнітними силами пов’язана своя енергія, яка в кінцевому підсумку є енергією електромагнітного поля. Ця енергія може переходити у внутрішню (згадайте закон Джоуля – Ленца). Але джерелами струму можуть бути гальванічні елементи, при дії яких хімічна енергія переходить в енергію поля.

Різні види енергії можуть переходити один в одного при протіканні різних процесів.

Внутрішня енергія і хімічна енергія пов’язані з рухом мікрочастинок і полів. Тому на фундаментальному рівні будь-яка енергія зводиться до кінетичної енергії часток, що складають речовина, і енергії фундаментальних полів.

ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ІМПУЛЬСУ. Згадайте, що таке імпульс і в чому полягає закон збереження імпульсу.

Імпульс характеризує інерційність поступального руху тіла.

Чим більше імпульс тіла, тим важче тіло зупинити – потрібно прикладати велику силу протягом більшого часу. При швидкостях, багато менших швидкості світла, імпульс тіла дорівнює добутку маси тіла на його швидкість. Імпульс системи тіл дорівнює векторній сумі імпульсів всіх тіл, що складають систему.

Імпульс системи змінюється під дією сил. Однак такої зміни сприяють тільки зовнішні сили, т. Е. Сили з боку тіл, що не входять в систему. Внутрішні сили не можуть змінити імпульсу системи. Саме тому ніякої Мюнхгаузен не може витягнути себе за волосся з болота.

Закон збереження імпульсу настільки ж універсальний, як і закон збереження енергії. У силу цього закону, для того щоб тіло почало рухатися, йому необхідно почати взаємодіяти з якимись зовнішніми тілами, «від чогось відштовхнутися». Зокрема, всі живі організми, здійснюючи рух, відштовхуються від поверхні землі, води або повітря. У безповітряному просторі, де відштовхнутися немає від чого, для здійснення руху припадає частина системи «зробити зовнішніми тілами і відштовхнутися від них». Саме таким чином відбувається реактивне рух – гази, що вилітають з двигуна, стають зовнішніми тілами, яким передається імпульс. Принцип реактивного руху задовго до появи реактивних двигунів використовували живі організми. Так, наприклад, каракатиця пересувається, виштовхуючи з себе воду, подібно відмітні двигуну, що встановлюється на катерах.

Для замкнутої системи зовнішні сили відсутні і таким чином імпульс замкнутої системи зберігається, тобто залишається незмінним з часом.

Як ви знаєте, поля теж можуть володіти імпульсом і при взаємодії з речовиною приводити його в рух.

Закон збереження моменту імпульсу. Момент імпульсу характеризує інерційність обертального руху Найпростішим прикладом обертального руху є рух планети по круговій орбіті навколо Сонця. У цьому випадку момент імпульсу планети визначається за формулою L = mvr. Для кругової орбіти і швидкість, і радіус залишаються незмінними, тому збереження моменту імпульсу очевидно. Однак момент імпульсу зберігається і при русі якого-небудь космічного тіла, наприклад комети, по витягнутій еліптичній орбіті. У цьому випадку момент імпульсу визначається за формулою L = mvsina, де а – кут між вектором швидкості тіла і напрямом на Сонці (рис. 51).

Із закону збереження моменту імпульсу випливає, що при наближенні комети до Сонця (r зменшується) швидкість комети збільшується.

Момент імпульсу системи тіл визначається як сума моментів імпульсу кожного з тел.

Закон збереження моменту імпульсу дозволяє фігуристові швидко збільшити швидкість обертання, притискаючи руки до тіла. (Спробуйте пояснити це самостійно, використовуючи вираз для моменту імпульсу.)

Величезну роль відіграє закон збереження моменту імпульсу в процесах, що відбуваються в мікросвіті. Всі частинки мікросвіту, як складові, так і елементарні, володіють моментом імпульсу. Причому у елементарних частинок момент імпульсу, пов’язаний з «обертанням навколо своєї осі», який називається спіном, завжди кратний значенню р / (4п). Лапки в даному випадку означають, що це обертання не можна спостерігати інакше як тільки через прояв моменту імпульсу. Закон збереження моменту імпульсу в значній мірі обмежує різноманітність хімічних і ядерних реакцій.

Момент імпульсу зберігається для замкнутої системи або у випадку, коли зовнішні сили, що діють на тіла системи, спрямовані до якого-небудь центру.

ІНШІ ЗАКОНИ ЗБЕРЕЖЕННЯ. З курсу фізики ви знаєте, що повний електричний заряд замкнутої системи зберігається. Цей закон також є фундаментальним законом природи.

Крім точних законів збереження, існують і закони збереження, що виконуються лише наближено. Наприклад, маса речовини до реакції лише приблизно дорівнює масі речовини після реакції.

Закони збереження, такі, як закон збереження енергії, закон збереження імпульсу, закон збереження моменту імпульсу, закон збереження заряду, є фундаментальними законами природи. Їм підкоряються всі природні процеси.

Чи може енергія зберігатися в незамкненою системі?
Як, використовуючи закон збереження імпульсу, пояснити трудність руху по слизькому льоду?
При деяких стрибках з вишки у воду спортсмен спочатку, групуючись, швидко обертається, а потім розпрямляється, і обертання сповільнюється. Поясніть раціональність рухів спортсмена.

Посилання на основну публікацію