Если сравнить язык научных трудов Галилея и Ньютона с современным
способом выражения физических взаимосвязей, то мы "не досчитаемся"
закона сохранения энергии. Об этом законе нет даже упоминания. Во всех
формулировках основных понятий отсутствует именно та величина, которая
играет, по существу, определяющую роль в современном физическом
мышлении.
Под энергией обычно понимают способность физической системы совершать
работу. В механических процессах она
Рис. 5. Схема гравиметра Уордена.Рычаг 5 вращается относительно оси, проходящей через точки 4-4.
всегда выступает в двух формах - потенциальной энергии (энергии
положения) и кинетической энергии (энергии движения). Оба вида движения
легко наблюдать на примере качающегося маятника (рис. 6). В верхних
точках движения масса маятника занимает наивысшее положение; чтобы
переместить ее туда, требуется совершить работу, равную произведению
силы на высоту подъема: Gh = mgh. В этих точках работа окажется
<запасенной> в форме потенциальной энергии ?пот, которая сохраняется до
тех пор, пока маятник не качнется вниз. В нижней точке потенциальная
энергия целиком перейдет в кинетическую, последнюю можно подсчитать по
известному соотношению
Е кин=mv (2)/2
Из этой точки маятник продолжит движение в другую сторону и достигнет
той же высоты, что и в исходной точке. Таким образом, происходит
попеременное превращение потенциальной энергии в кинетическую и обратно.
Если не учитывать пренебрежимо малых потерь на трение и сопротивление
воздуха, можно считать, что запасенная в системе энергияполностью сохраняется. Тогда закон сохранения энергии можно
сформулировать так: полная энергия замкнутой системы всегда остается
постоянной.
Рис. 6. Маятник. Превращение
кинетической энергии в потенциальную.
Рис. 7. Вечный двигатель Леонардо да Винчи.
Во все времена встречались люди, верившие в возможность создания
"вечного двигателя" (перпетуум мобиле) - устройства, которое производит
больше энергии, чем в него вводится извне; эти люди поражали своих
современников проектами интересных конструкций. Лучше всего "работали"
те аппараты, которые приводились в движение спрятавшимися неподалеку
помощниками.
Даже Леонардо да Винчи (1452-1519), гениальный итальянский художник и
создатель смелых технических проектов, далеко опередивших свое время,
предложил модель; ее схема представлена на рис. 7. Колесо имеет систему
из шести желобов, в которых свободно катаются шесть шариков. В то время
как один из прямых желобов пройдет горизонтальное положение, шарик
скатывается по нему к ободу колеса и действие его веса вызывает вращение
колеса по часовой стрелке. Одновременно шарики в левой половине колеса
скатываются обратно по изогнутому желобу ближе к оси вращения.
Вследствие этого вращающие моменты, равные произведению силы на плечо, в
левой половине колеса всегда меньше, чем в правой. Предполагалось, что
однажды пущенный в действие такой аппарат придет в состояние
непрерывного вращения. Однако нетрудно видеть, что поднятие шарика
потребует как минимум такой же затраты энергии, какая высвобождается при
его опускании. Энергия, сообщенная аппарату в начальный момент, быстро
израсходуется за счет трения (даже быстрее, чем в случае обычного
колеса). Вообще изобретать что-то в этой области бессмысленно, уже много
десятилетий патентные бюро возвращают все подобные проекты без
рассмотрения1.
Впервые произведение массы на квадрат скорости, входящее в выражение для
кинетической энергии, появилось в трудах голландского ученого Христиана
Гюйгенса (1629-1695). Он назвал эту величину "живой силой", и такое
название продержалось до середины XIX в. Использование не вполне ясных
обозначений вызывало тогда много путаницы, как, например, в
достопамятном споре между Готфридом Вильгельмом Лейбницем (1646-1716) и
Исааком Ньютоном. Они не могли договориться о том, что является мерой
<силы>, которая всегда сохраняется, - кинетическая энергия mv2/2 или
произведение mv. В конце концов оказалось, что оба ученых правы, так как
и для энергии, и для количества движения (импульса) существуют
универсальные законы сохранения.
Лейбниц, конечно, имел в виду энергию и рассматривал ее сохранение во
всех механических процессах как универсальный закон. Однако должно было
пройти еще около 150 лет, пока фундаментальная роль энергии в ходе
явлений природы была признана. Понятие энергии в ее современном
понимании было введено лишь гораздо позднее английским ученым Вильямом
Томсоном (лорд Кельвин, 1824- 1907).
