P1104 / Глава 7+8: Энергия - Часть 3

Понятие энергии — одна из важнейших тем в науке и технике. В повседневной жизни мы думаем об энергии в терминах топлива для транспорта и отопления, электричества для освещения и бытовой техники, а также продуктов питания для потребления. Однако эти представления на самом деле не определяют энергию. Они лишь говорят нам о том, что топливо необходимо для выполнения работы, и что это топливо обеспечивает нас тем, что мы называем энергией. Определения таких величин, как положение, скорость, ускорение и сила, а также связанные с ними принципы, такие как второй закон Ньютона, позволили нам решить множество задач. Однако некоторые задачи, которые теоретически можно было бы решить с помощью законов Ньютона, на практике очень сложны. Эти задачи можно значительно упростить, используя другой подход. В этой и последующих главах мы рассмотрим этот новый подход, который будет включать определения величин, которые могут быть вам незнакомы. Другие величины могут звучать знакомо, но в физике они могут иметь более специфическое значение, чем в повседневной жизни. Мы начнем это обсуждение с изучения понятия энергии. Энергия присутствует во Вселенной в различных формах. Каждый физический процесс, происходящий во Вселенной, включает в себя энергию и передачу или преобразование энергии. К сожалению, несмотря на свою чрезвычайную важность, энергию трудно определить. Переменные в предыдущих главах были относительно конкретными; например, мы имеем повседневный опыт работы со скоростями и силами. Понятие энергии более абстрактно, хотя мы имеем опыт работы с энергией, например, когда заканчивается бензин или когда мы забываем оплатить счет за электроэнергию. Концепция энергии может быть применена к динамике механической системы без использования законов Ньютона. Этот «энергетический подход» к описанию движения особенно полезен, когда сила, действующая на частицу, не постоянна; в таком случае ускорение также не постоянно, и мы не можем применять уравнения постоянного ускорения, разработанные в главе 2. Частицы в природе часто подвержены силам, которые изменяются в зависимости от положения частиц. К этим силам относятся гравитационные силы и сила, действующая на объект, прикрепленный к пружине. Мы опишем методы обработки таких ситуаций с помощью важной концепции, называемой законом сохранения энергии. Этот подход выходит далеко за рамки физики и может быть применен к биологическим организмам, технологическим системам и инженерным задачам. Представленные в предыдущих главах методы решения задач основывались на движении частицы или объекта, которое можно было смоделировать как частицу. Это называлось моделью частицы. Мы начинаем наш новый подход с того, что сосредотачиваем внимание на системе и разрабатываем методы, которые будут использоваться в модели системы.