§ 82. РАБОТА ТЕЛА И ИЗМЕНЕНИЕ ЕГО СОСТОЯНИЯ. ПОНЯТИЕ ОБ ЭНЕРГИИ

Выясним, что происходит с телами, когда они совершают работу взаимодействуя друг с другом силами тяготения или силами упругости. Работу сил трения пока оставим в стороне.

В качестве примера силы тяготения рассмотрим силу тяжести, с которой взаимодействуют Земля и находящееся вблизи ее поверхности тело. Если это тело переместится так, что его высота уменьшится, то Земля, действуя на тело силой тяжести, совершит положительною работу.

Земля и в самом деле производит работу, когда, например, перемещает воду в реках; Земля производит работу, когда гиря стенных часов («ходиков») опускается вниз. И когда эта работа совершается (например, когда гиря опускается), изменяется взаимное расположение Земли и тела, т. е. изменяется их механическое состояние.

Примером тела, где проявляются силы упругости, может служить растянутая (деформированная) пружина, один конец которой закреплен.

Деформированная пружина тоже способна совершить работу. В большинстве часовых механизмов пружина применяется для тех же целен, что и гиря в часах-«ходиках».

При сокращении растянутой пружины, т. е. при перемещении ее свободного конца, совершается положительная работа (перемещение направлено так же, как и сила упругости). Но когда пружина совершает работу, ее механическое состояние изменяется, потому что изменяется взаимное расположение ее витков.

Способностью совершать работу обладает и движущееся тело. В предыдущей главе мы видели, что когда под действием любых сил изменяется скорость движения тела, то совершается работа (теорема о кинетической энергии).

Представим себе тело, движущееся с некоторой постоянной скоростью в горизонтальном направлении. Таким движущимся телом

Рис. 201

можно воспользоваться, чтобы произвести работу. Можно, например, прикрепить к телу какой-нибудь груз при помощи шнура, перекинутого через блок (рис. 201). Тогда тело, продолжая двигаться, поднимет груз на некоторую высоту и, следовательно, совершит работу.

Скорость тела при этом уменьшается, тело тормозится. Значит, движущееся тело, совершая работу, изменяет свое механическое состояние.

Из приведенных примеров видно, что когда тела, способные совершать работу, в самом деле ее совершают, то их механическое состояние изменяется. Эти изменения могут быть большими и малыми. Значит, должна существовать физическая величина, которая позволила бы выразить числом механическое состояние тела и то его изменение, которое происходит при совершении работы.

Что это за величина?

Из курса физики VI класса известно, что о телах, способных совершать работу, говорят, что они обладают энергией. Значит, Земля вместе с телом, находящимся над ней, деформированная пружина, любое движущееся тело обладают энергией.

Энергия тела или системы тел определяется работой, которую они способны совершить.

Когда о телах говорят, что они способны совершить работу, это еще не означает, что они ее действительно совершают. Например, сжатая или растянутая на определенную длину пружина никакой работы не совершает. Однако энергией такая пружина обладает. Энергия растянутой пружины равна той работе, которую она совершила бы, если бы ей предоставили возможность сократиться до нормального состояния (когда ее деформация равна нулю). Если пружина сократится только частично, она будет обладать меньшей энергией. Ее энергия уменьшится как раз на величину совершенной при сокращении работы. Если же к пружине в процессе ее деформации будет приложена какая-нибудь сила, равная и противоположная силе упругости пружины, то энергия пружины увеличится на величину совершенной этой силой работы.

Вот мы и нашли величину, которая характеризует механическое состояние тел. Это энергия тел.

Энергия — это физическая величина, изменение которой равно совершенной работе.

Так как энергия определяется работой, которую может совершить тело, то измеряют ее в тех же единицах, что и работу, т. е. в джоулях (в системе единиц СИ) или в эргах (в системе СГС).

Упражнение 53

1. Какие величины определяют механическое состояние тела?

2. Одна из даух гирь одинаковой массы помещена на столе, а другая — на полу. В одинаковых ли состояниях находятся эти гири?

3. Чем характеризуется состояние движущегося тела?

4. Чем характеризуется состояние тела, совершающего свободное падение?

5. В каком случае о теле можно сказать, что оно обладает энергией?

6. Что такое энергия?