8.1. Закон сохранения энергии в механике

8.1.1. Общефизический закон сохранения энергии

Одним из наиболее общих законов сохранения является закон сохранения и превращения энергии вообще и закон сохранения и превращения механической энергии в частности.

Закон сохранения энергии в его общефизическом смысле утверждает, что энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой, в количественном отношении оставаясь неизменной.

Макроскопическая механика учитывает только кинетическую энергию макроскопического движения тел и их частей, а также их потенциальную энергию. Поэтому при некоторых процессах, например, сопровождающихся трением, сопротивлением, наблюдается как бы потеря полной механической энергии системы. Это объясняется тем, что макроскопическая механика полностью не учитывает внутреннего атомистического (микроскопического) строения вещества. При ударе, трении и аналогичных процессах кинетическая энергия макроскопического состояния переходит в кинетическую энергию беспорядочного движения атомов и молекул вещества (микроскопического состояния), а также в потенциальную энергию их взаимодействия, т.е. во внутреннюю энергию тела.

Хаотическое движение атомов и молекул воспринимается органами чувств в виде тепла. Таково физическое объяснение кажущейся потери механической энергии при ударе, в процессах, сопровождающихся трением и сопротивлением. Это и отражает общефизический закон сохранения и превращения энергии. Рассматривая общефизический закон сохранения и превращения энергии, можно расширить понятие энергии, введя новые ее формы: энергию электромагнитного поля, ядерную энергию и другие. При этом необходимо заметить, что дать окончательную классификацию различных видов энергии не представляется возможным. Это можно сделать, если установить все законы природы, тогда развитие науки, во всяком случае в ее основах, было бы окончательно завершено.

Деление энергии на кинетическую и потенциальную имеет смысл только в механике и не охватывает всех ее форм. Кроме того, классификация различных видов энергии (деление ее на тот или иной вид) часто зависит от точки зрения. Например, в макроскопической механике энергия сжатого идеального газа считается потенциальной. Но, с точки зрения молекулярно-кинетической теории, эта энергия объясняется тепловым движением его молекул. Поэтому, с точки зрения этой теории, энергия сжатого идеального газа представляет собой суммарную кинетическую энергию хаотического движения его молекул.

Всякое кажущееся нарушение общефизического закона сохранения энергии, наряду с его применением к уже известным явлениям, позволяет открывать новые, не укладывающиеся в рамки существующих научных концепций. Так было, например, при открытии явления радиоактивности и нейтрино. Экспериментально были обнаружены кажущиеся нарушения закона сохранения энергии и импульса в явлениях β-распада атомных ядер. Для объяснения этого обнаруженного факта Паули высказал гипотезу, впоследствии подтвержденную экспериментально, что в β-распаде наряду с известными заряженными частицами (электронами и атомными ядрами) участвует еще неизвестная нейтральная частица, которая и была названа нейтрино. Эта частица и уносит недостающие энергию и импульс. Благодаря исключительно слабому взаимодействию с веществом она не обнаруживается обычными методами. (Надо отметить, позднее было установлено, что каждой частице соответствует античастица - антинейтрино, которая и участвует в явлениях электронного β-распада).

Таким образом, общефизический закон сохранения энергии охватывает не только явления, рассматриваемые в макроскопической механике, но и такие физические явления, к которым законы такой механики не применимы. Поэтому он не может быть выведен из уравнений макроскопической механики, а должен рассматриваться как одно из наиболее широких обобщений опытных фактов.