ФИЗИКА. Курс для начинающих

АТОМ. ДВИЖЕНИЯ. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ЭНЕРГИЯ

Ранее мы с Вами сказали, что физика изучает абстракции природы, при этом абстракции, как Вы помните, есть ничто иное, как взаимодействие двух или более материальных тел. Видов таких взаимодействий, как ни странно, может быть очень много. Возьмём, к примеру, такую абстракцию как «удар» и представим себе, что ударяются два бильярдных шара. Давайте подумаем, может ли произойти «удар», если бильярдные шары не двигаются по направлению друг к другу? Ударятся ли бильярдные шары, если они останутся на разных углах стола? Разумеется, этого не произойдёт. Из этого примера, можно сделать простой, но в то же время очень важный вывод: материальные тела только тогда взаимодействуют, когда они двигаются (в нашем примере, они двигаются друг к другу, хотя это не обязательно). И действительно, любое взаимодействие сопровождается движением.

Для того чтобы произошло «трение», (например, руки о стол), рука должна двигаться параллельно столу. Для того чтобы произошло «падение» (допустим, падение камня на землю), необходимо, чтобы камень двигался к земле. Даже такое явление как «звук» сопровождается движением. Ударим камнем о стол, возникнет звук удара, Значит, для того чтобы возник звук удара, камень должен двигаться к столу. Если бы камень и стол были неподвижным, то звук бы не возник.

Итак, мы с Вами установили, что любое взаимодействие сопровождается движением. Если сказать чуть более научно – «любое взаимодействие материальных тел сопровождается движением этих материальных тел (и наоборот)». Это значит, что движение, виды движения, его количество и всё, что связано с движением, тоже будет изучаться физикой.

Первое важное понятие, связанное с движением, это энергия. Давайте вначале попытаемся определить, чем энергия НЕ ЯВЛЯЕТСЯ, так как в наше время чуть ли каждый проходимец даёт этому термину СВОЁ определение. Очень часто в фильмах показывают энергию как нечто пульсирующее, похожее на прозрачный огонь или воду либо показывают её как что-то перетекающее, струящееся, похожее на дым из лампы Джинна в диснеевском мультфильме «Аладдин». Всё это художественная трактовка энергии. Так вот запомните: в физике так понимать энергию нельзя. Художественная трактовка понятия «энергия» и энергия в физике это разные вещи. Энергия в физике есть ничто иное как «движение», а если быть точнее «количество движения». Энергия отвечает на вопрос «сколько движется?». Когда мы глядим на неподвижный бильярдный шар, то говорим, что у него энергия равна нулю, но чем сильнее мы толкнем этот шар, тем больше у него будет энергии, то есть тем больше движения.

Если мы сравним энергию машины и энергию реактивного самолёта, то можем спокойно сказать, что энергия самолёта выше, так как у него больше движения (выше скорость да и манёвров больше). Когда физики говорят «мы толкнули рукой шар и передали ему энергию», это не значит, что мы вложили в шар нечто магическое, невидимое и пульсирующее. Нет. Мы просто передали движение. Вспомните домино. Если мы выставим в ряд косточки для домино, а потом толкнём первую из них, то первая толкнёт вторую, вторая – третью, третья – четвёртую и так далее. Это и есть передача энергии, то есть по сути просто «передача движения». Такая передача энергии похожа на бесконечную игру в салки, где одно материальное тело должно заставить двигаться другое материальное тело.

Как ни странно, но многие философские и религиозные учения, часто даже не задумываясь, использовали именно физическое понимание «энергии». По крайней мере, так делали основатели таких учений. А вот их малограмотные последователи уже начали воспринимать «энергию» как некую «магическую жидкость», нечто волшебное и недосягаемое.

Итак, мы с Вами сделали вывод, что «энергия» есть ничто иное как движение, а также количество этого движения.

Для того чтобы изучить виды энергии, то есть виды движения, сделаем небольшое отступление в химию, без которого мы не сможем эти виды понять.

РАЗГОВОР ОБ АТОМЕ

Давным-давно греческие философы задумались, а что если мы возьмём кусок металла и разделим его на две половины? Потом возьмём одну из половин и разделим её еще на 2 части. Далее возьмём одну из этих частей и вновь разделим надвое. И тут у философов возник вопрос: если бы было возможно бесконечно делить этот кусок металла, то возможно ли такое, что получится настолько маленький кусочек, что его уже нельзя будет разделить? Философы пришли к выводу, что любое вещество можно очень много раз делить, пока не получится неимоверно маленький, НЕДЕЛИМЫЙ кусочек. Его так и назвали – «неделимый», то есть «атом». Философы пришли к выводу, что весь мир состоит из миллиардов таких неделимых кусочков, атомов. Их можно уверенно назвать кирпичиками, из которых построена Вселенная.

Со временем оказалось, что атомы также состоят из нескольких частей, но об этом мы поговорим в следующих главах. Сейчас же нас интересует связь атома с энергией, а точнее с одним чрезвычайно важным типом энергии.

Через много веков учёные, занимающиеся изучением мира атома, заметили, что если капнуть краской, допустим гуашью, в стакан с водой, то спустя какое-то время вся краска распределится равномерно по стакану. Не только в том месте, где мы капнули, но и во всех уголках стаканах. С точки зрения греческих философов и краска, и вода состоит из атомов. Однако, если атомы краски проникли во все уголки стакана, это значит, что атомы краски просочились между атомами воды, словно жуки, пробирающиеся между камнями в стенах замка. Вероятно, вода состоит из кирпичиков, между которыми значительные пустоты. Есть и другой вариант – атомы краски могли проскользнуть между атомами воды, только если атомы воды слабо между собой связаны (скажем так, «цемент плохой»). Стоит только атомам краски чуть надавить, как атомы воды раздвигаются и атомы краски спокойно проникают в получившиеся зазоры.

С другой стороны, если мы капнем краской на кусок металла, то сколько бы времени ни прошло, краска не впитается в металл. Это значит, что, вероятно, атомы металла настолько тесно прижаты друг к другу, что между ними не проскочишь. «А не держит ли их между собой какой-то невидимый цемент?» – спросите Вы. Об этом мы узнаем в дальнейшем.

С этого времени ученые стали наблюдать за тем, как одни вещества просачиваются сквозь вторые, но при этом не могут пройти сквозь третьи. Учёные стали исследовать, насколько тесно прижаты атомы в разных веществах. Удивительно, но все вещества, у которых «хороший цемент»и у которых атомы очень крепко держатся друг за друга, всегда тверды как камень. Их так и стали называть – «твердые вещества» или более красиво «кристаллы». Кусок железа, алмаз, камень, лёд – всё это примеры твердых веществ.

С другой стороны, все вещества, у который «плохой цемент», то есть атомы не крепко держатся друг за друга, поэтому их легко раздвинуть, всегда жидкие как вода. Такие вещества назвали «жидкостями». Вода, молоко, слюна, ртуть в градуснике – всё это жидкости.

Но был и третий тип веществ, у которых не было даже намёка на «цемент». Такие вещества могли иметь запах и даже вкус, но их нельзя было взвесить и разделить, так как атомы спокойно разваливались и разлетались в разные стороны. Эти вещества были подобны воздуху. Как и воздух они легко разделялись на отдельные кирпичики. Найти какой-нибудь порядок в них (так сказать, «построение кирпичиков», «архитектуру») было просто невозможно. Их атомы располагались хаотично, поэтому в 17 веке нидерландский учёный Ян Баптиста ван Гельмонт назвал их «хаосом», что по нидерландским звучало как «газ». Сейчас мы называем такие вещества «газами» или что более правильно «газообразными веществами». Воздух вокруг нас, все пахнущие, но невидимые вещества, а также пары – всё это газы.

Посмотрите, какая интересная вещь получается. Вода может быть кристаллом (то есть льдом), жидкостью (именно её мы пьём), а также газом, то есть паром, который выходит из чайника, когда мы кипятим воду. Учёные задумались, возможно, и другие вещества помимо воды могут быть сразу твердыми, жидкими и газообразными. Оказалось, что все вещества в природе могут быть твердыми, жидкими или газообразными. К примеру, азот. При комнатной температуре азот это газ, который, кстати, получил свое название от греческого «безжизненный», из-за того, что ранее считали, что там, где есть азот, не может быть никакой жизни. Это было ошибочное мнение. Если мы охладим азот приблизительно до минус 196 градусов, то заметим, что он станет жидкостью. Если же мы охладим его до минус 210 градусов, то он сразу станет кристаллом.

В течение последующих столетий учёные проводили сотни экспериментов и уже точно установили, что все вещества могут и жидкими, и твердыми, и газообразными. С этого времени стали говорить о том, что любое вещество может иметь жидкое, твердое или газообразное СОСТОЯНИЕ.

Вода может быть в трёх состояниях. Кислород может быть в трех состояниях и даже металлы могут быть в трёх состояниях. Вот так.

Теперь оставим нашу историю с атомами и вновь вернемся к движению.

ЭНЕРГИЯ. РАБОТА. ТЕПЛОТА

Мир вокруг нас представляет из себя постоянное ежесекундное движение. Движется всё и даже когда нам кажется, что какая-то вещь неподвижна, то это иллюзия. Об этом мы поговорим в главе об относительности.

Физики установили, что бывает два основных типа движения. Разберем первый из них. Его называют работа (но не обольщайтесь, это не та работа, на которую ходят люди, просто неудачный перевод слова на русский язык). Грубо говоря, работа это когда один предмет толкает второй предмет, при этом первый так или иначе сдвигает с насиженного места второй. Заметьте при работе и первый, и второй предмет меняют свое местоположение. «Работа» это что-то вроде игры «толкни другого и сдвинь его с места». Если вы зимой съезжаете с ледяной горки и врезаетесь в своего друга, то вы совершаете работу. Когда шар для боулинга сбивает (а значит, сдвигает) шар, то шар совершает работу. Когда ковш экскаватора раздвигает пласты земли, то он тоже совершает работу. Посмотрите всё, что нас окружает так или иначе связано с работой.

Если мы возьмём металлический куб весом в одну тонну и начнём бить по нему молотом, то как бы мы не старались, сдвинуть его мы не сможем. Возможностей нашего тела и сил молота не хватит на то, чтобы переместить металлический куб. Однако если мы потрогаем то место на куске металла, куда мы били молотом, то заметим, что оно горячее (подчас даже обжигающее). Физик скажет нам: «в этом случае работа не могла произойти, но здесь возник другой тип движения, который называется ТЕПЛОТА».

«Что?» – скажем мы. – «Теплота это тоже вид движения?»

Как ни странно, но это так. Теплота, холод, жар – всё это один вид движения и вот, что он из себя представляет. Теплота возникает, когда первый предмет не может по каким-то причинам сдвинуть второй. В том месте, где первый предмет касался второго, атомы второго предмета начинают, грубо говоря, «вибрировать» (дрожать). Теплота это что-то вроде игры «если не можешь заставить двигаться предмет целиком, то заставь двигаться хотя бы его атомы». Удары молота о металлический куб не смогли сдвинуть этот куб, однако они заставили двигаться атомы этого куба, как раз в том месте, куда мы наносили удары. И чем больше раз мы будем бить по кубу, тем сильнее бы он нагреется.

Другой пример: если мы будем тереть рукой о тяжелый дубовый стол, то мы не сможем сдвинуть это стол. Однако в том месте, где мы тёрли, стол будет теплым и, возможно, даже горячим. Атомы стола в этом месте начнут дрожать («вибрировать»), и чем сильнее мы будем тереть, тем сильнее эти вибрации будут распространяться на другие атомы.

Надо сказать, что эти «вибрации» легко переходят от одного атома к другому, но если мы перестаём тереть, то оставшиеся вибрации честно разделяются между всеми атомами, пока полностью не исчезнут.

Запомните, теплота возникает тогда, когда невозможна работа. И наоборот, если возможно работа, но незачем возникать теплоте. Посмотрите, как гармонично всё в природе продумано. Честно говоря, между теплотой и работой есть связь, но об этом в следующих главах.

Теплота и работа два основных вида движения, то есть энергии. Количество энергии принято измерять в джоулях (один джоуль) подобно тому, как вес предметов измеряют в килограммах или длину в сантиметрах. Название единицы измерения дали в честь прекрасного английского физика Джеймса Джоуля, жившего в 19 веке и занимавшегося вопросами энергии, теплоты и работы. Так как работа и теплота это виды движения (энергии), то они точно так же измеряются в джоулях.

КОГДА ТЕПЛА СЛИШКОМ МНОГО. ТЕПЛОТА И РАЗРУШЕНИЕ

Как вы думаете, что произойдет с куском льда, если мы положим его на горячую металлическую пластину? Разумеется, лёд начнёт таять, то есть из твердого состояние перейдёт в жидкое. Однако если горячая пластина будет еще больше нагреваться, то жидкая вода превратиться в газ (водяной пар).

Мы сказали, что теплота это когда атомы какого-то материального предмета по каким-то причинам начали «вибрировать». Именно эти «вибрации» мы и называем теплота. Если вибраций слишком много, то мы называем это «жаром» или говорим, что предмет «горячий». Если же вибраций мало, то мы называем это «холодом», а сам предмет «холодным».

Если наша пластина была горячей, значит атомы пластины «вибрировали». Когда мы положили на пластину кусок льда, то вибрации начали передаваться льду. Это значит, что теперь уже атомы льда начали вибрировать. В итоге лёд растаял. Но это не объясняет, почему так случилось. Чтобы понять это, вернёмся опять к твердому, жидкому и газообразному состоянию веществ.

Приведём такую аналогию. Представьте себе, что атомы в любом материальном предмете это армия солдат, построенных в фалангу. Что же такое фаланга? Представьте себе, что солдаты выстроились в линию (плечом к плечу). Такое построение называется ряд. Позади первого ряда построим ещё один ряд – теперь уже второй. Он будет смотреть в затылок первому. Позади второго ряда будет стоять солдаты третьего ряда и теперь уже они будут смотреть в затылок второму. И так может быть сколько угодно раз.

Если каждый солдат крепко схватится за того, кто спереди и за того, кто сбоку, то у нас получится очень крепкий строй. Если попытаемся толкнуть солдата с краю, то он не упадёт, потому что держится за того, кто спереди и за того, кто сбоку. Если посмотреть на такую фалангу сверху, то она будет шахматную доску, на которой все клеточки заполнены шахматными фигурами.

В твердых веществах атомы построены именно в такую фалангу, где каждый солдат (атом) крепко держится за тех, кто спереди и тех, кто сбоку. Такое построение атомов называется кристаллической решеткой. Слово «кристаллический» говорит нам о том, что такое построение характерно именно для кристаллов, то есть для твердых тел. В нашем примере, «твердая» вода, то есть лёд, имеет как раз такую кристаллическую решетку.

Рис. 7. Кристаллическая решётка

А теперь представим себе, что кто-то заразил наших солдат танцевальной болезнью, и они начали танцевать («вибрировать»). Что же тогда произойдёт? Грубо говоря, фаланга распадётся. Чтобы было удобнее танцевать, солдаты отпустят тех, кто спереди. Неудобно танцевать, когда руки заняты, поэтому солдаты освободят одну руку. Они перестанут держаться за тех, кто спереди, и тогда каждый ряд станет сам по себе. Фаланга распадётся.