А что это такое? Когда, например, говорят — «энергичный человек», то имеют в виду непоседу или деятельного человека, успевающего многое сделать. В каком-то смысле энергия как физическое понятие означает тоже — способность выполнить какую-либо работу. Скажем, перетащить, перевезти или поднять грузы, по чему-то ударить, что-то разрушить. Поэтому при совершении работы мы всегда говорим о затратах энергии.
Энергия — очень многоликое понятие. Нет ни одного раздела физики, да и не только ее, где бы ни пришлось с ней столкнуться. В механике же рассматривают только два ее вида — потенциальную и кинетическую. Мы подняли, к примеру, стул. Проследим, что мы при этом сделали. Приложили усилия — раз, совершили работу — два, затратили энергию — три. Теперь, держа стул на высоте, мы можем сказать, что он обладает запасом потенциальной энергии, или энергии положения. Опустим стул. Падая, то есть, теряя высоту, он будет терять и свою потенциальную энергию, но она при этом «перетечет» в энергию движения — кинетическую, которой обладает любое движущееся тело.
Свидетельством того, что у стула действительно был запас энергии, послужит вмятина в полу, которую при падении оставит стул. Вряд ли кому понравятся такие эксперименты, поэтому обратимся к плотине гидростанции. И что же? Все то же самое — накопленная в водохранилище речная вода, срываясь вниз, «меняет» запас потенциальной энергии на кинетическую и вращает колеса турбин, производящих электрический ток. Иными словами, совершает работу.
Удивительна способность энергии сохраняться. Она может переходить из одного вида в другой, как мы только что видели на примере стула и падающей воды, а в целом не изменять свой общий объем. Это ее качество нашло отражение в законе сохранения энергии — одном из самых великих законов природы.
Полезные и бесполезные действия
Что мы делаем, если замерзли руки? Трем их друг о друга. Энергично потерли — нагрели руки. Но ведь мы совершили работу, интенсивно двигая ладонями. И на что же пошли наши усилия? Язык сам просит сказать — перешли в тепло. Еще пример. Разогнавшийся до большой скорости автомобиль резко затормозил на перекрестке у светофора и остановился. А затраты на его движение куда исчезли? Здесь уже не обойтись без применения понятия «энергия». С ним ответить просто: кинетическая энергия автомобиля перешла в тепло. При торможении нагрелись колеса и другие части машины, асфальт и даже окружающий воздух. Ведь мы хорошо знаем, что для нагрева тел, скажем, сковородки на плите, нужно где-то взять и передать им тепло.
Значит, и в этих случаях энергия в целом не теряется, а лишь меняет облик, совершает переходы из одного вида в другой. Но для нужного нам, иными словами — полезного действия подходят только определенные виды энергии, другие же окажутся для нас «потерянными». Когда мы кипятим воду в чайнике, то используем для этой цели лишь часть энергии, выделившейся при сгорании газа или спиралью электроплитки. Когда мы с помощью наклонной доски втаскиваем в кузов автомобиля ящик, мы совершаем большую работу, или затрачиваем больше энергии, чем нужно при непосредственном его подъеме на эту высоту.
Поэтому все механизмы и устройства, преобразующие энергию, имеют так называемый коэффициент полезного действия (к.п.д.). Он показывает долю нужной, полезной нам работы в общих затратах энергии данной машины. Например, та же наклонная доска может иметь к.п.д. 50 процентов. Что это значит? А то, что половина всей затраченной энергии действительно пошла на подъем груза, а другая половина «растерялась» по дороге на нагрев, как груза, так и окружающих его тел.