Какво е “Енергията”?

Какво е „Енергията“?

1 594 911 гледания

преди 6 години

0 Коментара Кино режим

Гледайте още видеа от следните колекции:

вселена квантова физика физика

Enlight.bg е сайт-колекция от образователни клипове, внимателно подбрани за малки и големи. Видеата, които публикуваме са от най-добрите и реномирани канали в YouTube.

Старателният ни екип поддържа сайтът, а също така и допринасяме за видеата, като пишем субтитри.

➡️ За Enlight.bg

Ако желате да ни подкрепите, можете да го направите в
Patreon – линк👇

Също така, можете да се присъедините към нашат общност в
Discord – линк👇

Покажи субтитрите

Този епизод е подкрепен от The Great Courses Plus. Физик вижда човек, седящ на ръба на покрив и му изкрещява да не скача. - Имаш толкова много потенциал.

Всички знаeм какво е усещането да бъдеш енергичен, да имаш енергия това е нещото което ни позволява да се движим, да сме активни, да станем от леглото. И може да имаш повече или по-малко от тази материя.

Може да вземеш от закуска. Да изгубиш като косиш моравата. Енергията сякаш е почти усезаема за нас. Ние си е представяме като тази краткотрайна субстанция

или мистично влияние. Но това интуитивно усещане ни е вдъхновило да открием най-мощните и полезни понятия в цялата физика

Във физиката, енергията не е субстанция нито мистична енергия, а число, величина. И величината сама по себе си не е особено съществена. Вместо това, тя е математическо взаимоотношение

между други по-основни величини. През 17 век енциклопедиста Готфрид Лейбниц, който първи открил математическата форма на това, което ние наричаме кинетична енергия, енергията на движение

Той осъзнал, че сумата на масата, умножена по скороста на квадрат за система от частици подскачащи наоколо на плоска повърхност се запазва. Добавя се към същото число, дори

и скоростта на индивидуалните частици да се променя, поне ако приемем, че няма никакво триене и е налице перфекна еластичност. Лейбниц нарича това ранно въплъщение на енергия Vis Viva (живата сила)

Забавен факт, Лейбниц е бил известен враг на Исак Нютон. Освен цялото съоткриване на сметките, живата сила на Лейбниц се виждала като конкурент

на Нютоновата идея за запазване на инерцията. Нютоновата механика от скоро е революционизирала физиката. И малко хора приемали, че нашия човек Исак може да сгреши.

Освен това, това Vis ViVa нещо не се запазвало при наличие на триене, докато инерцията се запазвала. Отнело е друг гений, Емили дю Шателе да покажи, че тази Vis Viva, или енергия, както Томас

Юънг в крайна сметка го нарича, се запазва. Никога не може да бъде унищожена, само да промени форма. Когато тя представя идеята за гравитационна потенциална енергия, тя прилага законите за запазване на енегрия и инерция

на равновесна везна. Брилянтния експеримент на Джеймс Прескот Джуъл и други разширяват идеята до добавяне на топлинна енергия. Енергията винаги се запазва, но само

ако бройм всички други видове енергия. Закона за запазване на енергия е невероятно мощен инструмент. Но това не е точно изненадващо.

Например, гравитационната потенциална енергия на дю Шателе (масата умножена по гравитационното ускорение, по височината) е само изявление на това колко колко кинетична енергия (1/2 масата по ускорението) един обект като тази топка

ще получи като пада от дадена височина и постоянно ускорение. Но това е само Нютонова механика. И като забавно упражнение за ученика,

вижте дали можете да покажете, че квадратът на промяната в скоростта на падащата топка е пропорционален на разстоянието от което пада. Добре.

Нека сега кажем, че топката се удря на земята и отскача нагоре отново с перфекна еластичност и без въздушно съпротивление. Започва да се двици със същата скорост и кинетична енергия

с която се е приземила. Сега, докато гравитационното ускорение надолу не се променя във времето, топката би трябвало да загуби скорост докато се издига нагоре със същата скорост

каквато получила по пътя надолу. Така тя трябва да достигне същата височина от която е била пусната. Гравитационната потенциална енергия бива

превърната в кинетична енергия през падането и наобратно точно същото количество потенциална енергия във възхода. Разбира се, енергията е запазена, но само

ако ние определим кинетичната и потенциалната енергия по правилния начин. Това може да звучи произволно или тривиално, но не е така. Концепцията за енергия е невероятно мощна.

И ключът е тази обратимост в конверсията между кинетичната и потенциалната енергия. Обратимостта изглежда проста за падаща топка. Но дори и сложен път през гравитационно поле

може да бъде разделен на малки, съвършено обратими стъпки. Това е вярно дори и ако гравитационното ускорение се променя от една точка в пространствo към следващата. Ключът е, че полето не се променя с течение на времето.

След това, ако топката следва някаква пътека през полето и после се върне по пътя си, преобразуването между кинетична и потенциална енергия ще се случи наобратно. И всъщност, няма значение дори и да отнеме един път

и друг навръщане. Aко топката се върне там, от където е почнала, винаги ще има същата комбинация от кинетична и потенциална енергия, когато е напуснала.

Всъщност, ние можем да бъдем по-общи. Ако обект пътува между две различни точки в гравитационното поле, то винаги ще изпита същото преобразуване между

потенциална и кинетична енергия, без значение какъв път вземе. Това е характеристика на това, което наричаме консервативна сила. Всеки път, взет между две точки в консервативното силово поле

има същото количество работа, една и съща промяна между кинетичната и потенциалната енергия. Вие обменяте с перфектна ефективност движението и потенциала за движение.

Енергията е валутата на тази обмяна. Разбира се, всичко, което извлича енергия от топката, докато се движи, ще обърка транзакцията Може да удари други препятствия и да им даде

част от кинетичната й енергия. Всеки сблъсък може да премахне енергия, ако топката не е напълно еластична. Възможно е да се появят ефекти, извличащи енергия, като триене или въздушно съпротивление, така нареченото разсейване

или незапазващи сили. Но в крайна сметка всички основни сили са консервативни, стига да имате предвид всички участващи частици.

Например, молекулите причиняващи въздушно съпротивление са само малки частици. Те разменят кинетична енергия с перфекна ефективност с частиците, които се съдържат в топката.

Ако отчитаме всяка участваща частица и поле, тогава транзакцията между кинетичната и потенциалната енергия е игра с нулева сума. Енергийната везна винаги е балансирана.

Енергийните изчисления са изравняване на сметките и отчитане на всички места, където енергия може да се съхранява. В случай на въздушно съпротивление, кинетичният трансфер на енергия към частиците на въздуха завършва като топлина.

С падащата топка всъщност включваме цялата система "топка-земя" когато добавим и гравитационната потенциална енергия, защото тази енергия се съхранява в гравитационното поле на Земята

Понякога дори трябва да отчитаме за потенциалната енергия в силите които обединяват субатомните частици заедно, енергията на масата, за които говорим в по-ранни епизоди.

Проследяването на изменението между различните форми на енергия ни позволява да предсказваме поведението на Вселената по начин, който иначе би бил невъзможен. Дори само като добавим запазването на енергия към механиката на Нютон

получаваме допълнително ограничение, което ни позволява да решим проблеми, които иначе не бихме могли. Но това ни позволява да продължим много по-далеч. Вселената е сложна.

Нютоновата механика е много добра в описването на движенията на прости системи от малко твърди обекти. Но се опитайте да опишете поведението на безбройните частици в, да речем, поток от вода или вселена,

и е доста безнадеждно. Подобни системи съдържат невъзможно голям брой частици, но също и невъзможно голям брой начини, по които тези частици могат да се преместят от едно място до друго,

а и то не се интересува какво индивидуалните частици правят. Вместо това, понятието за енергия ни позволява да изразим уравнението, обясняващо еволюцията на цялата система.

Например, уравнението на Бернули предсказва потока на течности като изисква запазването на кинетичната и потенциална енергия на течноста и на вътрешната енергия поради налягането на течноста,

което игнорира индивидуалните частици в течноста. И понятието за енергия и нейното запазване е довело до нови видове механика, които изместили Нютоновите механики

Например, механиките на Лангранджиан, които в тяхната най-проста форма следват развиващата се разлика между кинетична и потенциална енергия Поражда същото уравнение на движение

като Нютоновите механики но без нуждата от проследяване на пътя на тези безбройни досадни силови вектори След това са механиките на Хамилтън, които проследяват развитието на общата енергия на системата

Уравнението на Хамилтън описва движението на индивидуалните частици, но също може да опише развитието на крайно сложни системи Например, комбинираното поведение

на много звездни тела, въздействащи едно на друго, давайки ни вириалната теорема. Или стая, пълна с въздух, в статитическата механика. Понятието за енергия е толкова гъвкаво,

че подходът на Хамилтън е адаптиран дори за квантовата механика. Квантовият оператор на Хамилтън описва общата енергия на квантова система и ни позволява

да опишем всичко от движенито на единична частица в уравнението на Шродингер до сложни взаймодействия на частици и полета в теории за квантови полета Всъщност механиките на Лангрантиан се връщат отново в квантовата физика Начинът, по който те използват енергията

е съвместим с теорията за специална относителност, за разлика от механиките на Хамилтън, а това е важно за описването на бързо- движещите се неща. Механиките на Лангрантиан са вдъхновението

зад откриването на интегрално-траекторния подход на Файнмън в квантовата механика и теорията за квантовото поле на Лангрантиан е основна за физиката на високоенергийните частици. И така, какво е енергията?

Освен да бъде мощен изчислителен инструмент за описване на поведението на физическата вселена, тя е също и подсказка. Подсказка за нещо по-съществено.

Законът за запазване на енергията възниква заради симетрията. По-точно - симетрията на времевата транслация. Енергията се запазва ако физиката в една система, например същността на едно силово поле,

остава еднаква през времето. Всъщност за всяка симетрия в нашата вселена съществува запазена величина. Например, закона за запазване на инерцията

се дължи на симетрията на времевата транслация. Физиката работи по същия начин, без значение дали сте тук или на километър в онази посока. Тази връзка между запазващи закони и симетрия

е открита от математика Еми Ньотер. Теоремата на Ньотер е нещо, към което ще се върнем по-късно. Но засега нека си представим една ситуация. Какво ако Вселената като цяло не е времево симетрична?

Например, в случая на разширяваща се Вселена. Нашата Вселена изглежда фундаментално различнa от един момент до другия, поне в космически мащаб, където разширяването става забележимо и всъщност енергията не се запазва в такива мащаби.

Това води до ефекти като тъмна енергия и ускоряващото се разширяване на Вселената. И всъщност запазването на енергия е общо невалидно в контекста на общата теория на относителността на Айнщайн

поради потенциалното развитие на времето в пространството. Хей, всеки добър урок по физика трябва да завършва с това професорът да обяви, че всичко, което току-що ти е преподал, е грешно. Е, не точно грешно. Просто по-интересно.

Енергията не е съществена. Тя е подсказка към дълбоките, наистина основни свойства на време-пространството. Благодарим на The Great Courses Plus че подкрепят PBS Digital Studios.

The Great Courses plus е дигитална образователна платформа, която ти позволява да се учиш на множество теми от учители, включително професори от Бръшляновата лига и други експерти около света.

Отидете на www.thegreatcoursesplus.com/spacetime и ще получете достъп до библиотека с различни видео лекции по физика, математика, история, литература или дори как да готвите, да играете шах или да станете фотограф.

Нови предмети, лекции и професори се добавят всеки месец. The Great Courses Plus е всъщност много добър начин да затвърдите знанията си по физика и астрономия.

Добър пример е курса "Физиката и нашата Вселена" oт Ричърд Уолфсън. Той дава общ преглед на основния материал в колежа, преподаван в първи курс по физика.

Подкрепи серията и започни своя безплатен пробен период като щракнеш върху линка отдолу или отидеш на www.thegreatcoursesplus.com/spacetime В нашия скорощен Space Time Journal клуб си говорихме за откритието на удивителния Кронос -

звездата, която яде планети. Вие имахте доста да кажете по въпроса. Себри пита дали е възможно друга част от звездо-образуваща мъглявина да има различни съотнощения на елементи

и ако е така не могат ли двойките звезди да имат различни съотношения и различна металност. Отговора е да, всичко това означава, че облаците могат да варират в металността си

спрямо огромните си ширини, които обикновенно са широки стотици светлинни години. Но една двойка се формира много близо една до друга ако е от същия сплескващ се газ

и при подобни по-малки мащаби съдържанието на метал не се очаква да варира много. Ричард Бракман отбелязва, че 15 земни маси космически материал е много за една звезда да погълне,

поне сравнено с нашата Слънчева система, която има малко над 2 земни маси във вътрешната Слънчева система Всъщност може би нашата Слънчева система е необикновена в този случай.

В други Слънчеви системи често виждаме една или две супер земи с няколко земни маси всяка. Системата Трапист-1 има 7 планети всички колкото или по-големи от Земята.

И това е около масата на малко червено джудже. Така че какво се е случило на нашата Слънчева система? Моделите за формиране на Слънчевата ни система показват сценарии, където нашето Слънце може да е погълнало

няколко ранни планети. Големият списък с хипотези предполага, че Юпитер може да е мигрирал до орбитата на Марс преди да се върне обратно.

Това би могло да изпрати ранно поколение планети спираловидно към Слънцето. Останалите прото-планетни останки са били едва достатъчни, за да сформират няколкото планети, които познаваме днес.

Само ако Слънцето имаше двоен партньор... ... тогава бихме могли да проверим това като сравним наличието на метал. Себастиан Елитон отбелязва колко нелепи са астрономите, наричащи всички елементи, по-тежки от хелия, метал, понеже технически групата Литий са гръндж, не метъл.

Братко Себастиан, аз нямам какво да добавя тук.

Енергията е най-мощната и полезна концепция в цялата физика, но какво точно е тя?

Какво ли е енергията, е всичко има енергия, потенциална, кинетична…

Колкото и да е тривиален въпроса, той е ужасно важен и интересен.

Физик вижда човек, седящ на ръба на покрив и му изкрещява да не скача.

– Имаш толкова много потенциал!

Всички знаeм какво е усещането да бъдеш енергичен, да имаш енергия, това е нещото което ни позволява да се движим, да сме активни, да станем от леглото.

И може да имаш повече или по-малко от тази материя, може да вземеш от закуска, да изгубиш като косиш моравата. Енергията сякаш е почти усезаема за нас.

Ние си е представяме като тази краткотрайна субстанция, или мистично влияние. Но това интуитивно усещане ни е вдъхновило да открием най-мощните и полезни понятия в цялата физика.

Приятно гледане!

Още по темата в Wikipedia:

PBS Space Time

PBS Space Time изследват космоса, лудостта на астрофизиката, фантастичните възможности и всичко, което можете да си представаите отвъд нашата планета.

Виж всички видеаПоследвайте

още видеа за...

вселена квантова физика физика

Начало » PBS Space Time » Какво е „Енергията“?