Что нужно роялю: энергия

Размышляя о том, как бы занести рояль в квартиру вашей знакомой, вы должны позаботиться о безопасности. Рояль на тротуаре — вовсе не то же самое, что рояль на наклонной доске на высоте второго этажа. Под которым из них вы предпочли бы оказаться? У поднятого на высоту рояля есть особенность, которой не имеет рояль на земле: это способность прийти в движение — и разбиться вдребезги, а заодно раздавить все, что окажется на его пути. Эта способность реализовать возможный сценарий называется энергией, а сам процесс реализации — совер­шением работы.

Энергия и работа — важные физические величины, и они поддаются измере­нию. Так, энергию поднятого рояля и работу, которую он мог бы совершить при падении, можно измерить. Как вы догадываетесь, в физике и в обыденной жизни под работой и энергией понимаются разные вещи. Энергия в физике не имеет отношения к восторженному детскому визгу в парке аттракционов или к содер­жимому большой кружки крепкого кофе — вовсе нет, это всего лишь способность совершать работу. И работа в физике — это не отсиживание часов в офисе и не вскапывание грядок, а процесс переноса энергии.

Энергия переносится, а работа совершает этот перенос. Самое важное свой­ство энергии — то, что она сохраняется. Сохраняющейся физики называют ве­личину, которая не может ни возникнуть ниоткуда, ни вдруг исчезнуть, но может быть передана от одной системы к другой и (как, в частности, энергия) перейти из одной формы в другую. В физике сохраняющиеся величины — это нечто особен­ное, их не так уж много. Если тело имеет энергию, оно не может просто так ее рас­терять, а может только передать ее другому телу, и эта передача осуществляется в процессе совершения над этим телом работы.

Зависимость между энергией и работой такая же, как между деньгами и тратой денег; деньги — это нечто, что передается из рук в руки, а трата денег — способ их передачи. Разумные, законопослушные граждане не производят и не уничтожают купюры, а передают их друг другу, то есть тратят. Самое приятное свойство денег — это возможность их потратить, а самое интересное свойство энергии — это возможность совершить за счет нее работу. Можно считать, что деньги — это показатель нашей способности их тратить, а энергия — это показа­тель способности совершать работу.

До сих пор мы ходили по кругу: работа — это перенос энергии, а энергия — показатель способности совершить работу. Но что значит совершить работу над телом? Вы совершаете работу над телом, когда прикладываете к нему силу, и оно перемещается в направлении действия этой силы. Когда вы бросаете мяч, сила вашего воздействия на него направлена вперед, и мяч перемещается вперед — вы совершаете работу над мячом; поднимая камень, вы тянете его вверх, и он переме­щается вверх — вы совершаете работу над камнем. В обоих случаях вы, совершая над телом работу, передаете ему свою энергию.

Передачу энергии телу часто можно наблюдать воочию. Когда вы бросаете мя­чик, он набирает скорость, и его кинетическая энергия — энергия движения, ко­торая дает мячу возможность совершить работу над другим телом, ударившись о него, — возрастает. Когда вы поднимаете камень, он оказывается дальше от земли, и возрастает его потенциальная энергия — энергия, обусловленная силой притя­жения камня к земле и обеспечивающая ему возможность совершить работу над телом, на которое он упадет. В общем случае потенциальная энергия запасается в поле сил внутренних и внешних взаимодействий. Вернемся к нашей проблеме; теперь нам ясно, что поднять рояль на второй этаж означает в значительной степени увеличить его гравитационную потенци­альную энергию. Энергия — сохраняющаяся величина, поэтому дополнительную энергию надо откуда-то взять. И, как это ни грустно, взять ее придется у вас! Что­бы доставить рояль в квартиру, вам придется обеспечить ему необходимую по­тенциальную энергию, совершив эквивалентную работу. Мы увидим, что вы мо­жете совершить эту работу, двумя способами: либо с огромным трудом затащить рояль по лестнице, либо — что намного проще — попытаться закатить его в окно второго этажа по наклонному пандусу.