Наиболее общие законы природы. Законы сохранения

Закон природы – изменяться,

И потому лишь постоянство странно.

Законы природы изучаются различными науками: физикой, химией, биологией и др. Каждая наука рассматривает законы, применимые только к ограниченному кругу природных явлений. Однако существуют некоторые общие законы природы, которые, как показывает опыт, оказываются справедливыми для любых объектов, для любых явлений и процессов. К таким законам относятся законы сохранения.

Закон сохранения энергии. Одним из понятий, играющих важную роль во всех естественных науках является понятие энергии.

Вспомните определение работы, энергии и виды энергии, которые вы изучали в курсе физики.

Общее определение энергии – это способность тела или системы тел совершить работу. (Поскольку одно тело тоже можно рассматривать как систему, далее мы везде будем говорить о системе тел, или просто системе.) При совершении системой работы над внешними по отношению к ней телами ее энергия уменьшается. Если же, наоборот, над системой совершается работа внешними телами, энергия системы увеличивается. Замкнутой системой называется система, не взаимодействующая с каким бы то ни было окружением. Такая система, естественно, не может совершать какой-либо (положительной или отрицательной) работы над внешними телами. Поэтому энергия замкнутой системы сохраняется, т. е. остается неизменной во времени при любых процессах, происходящих внутри системы.

Следует понимать, что понятие замкнутая система – есть идеализированное понятие. Любая реальная система всегда взаимодействует с окружением. Однако, если совершаемая при этом работа мала, то систему приближенно можно рассматривать как замкнутую.

Энергия может принимать различные виды. В механике различают потенциальную и кинетическую энергии, которые могут переходить друг в друга, например, при движении брошенного камня. Сумма кинетической и потенциальной энергии называется механической энергией. Механическая энергия может приближенно сохраняться, однако при наличии сил трения или неупругой деформации переходит во внутреннюю энергию. Внутренняя энергия, как вы знаете, есть энергия микрочастиц, составляющих вещество. Обратные процессы – переход внутренней энергии в механическую происходит в тепловых двигателях.

С электрическими и магнитными силами связана своя энергия, которая, в конечном итоге является энергией электромагнитного поля. Эта энергия может переходить во внутреннюю (вспомните закон Джоуля–Ленца). С другой стороны источниками тока могут быть гальванические элементы, при действии которых химическая энергия переходит в энергию поля. Таким образом, различные виды энергии могут переходить друг в друга при протекании различных процессов.

Внутренняя энергия и химическая энергия связаны с движением микрочастиц и полей. Поэтому на фундаментальном уровне любая энергия сводится к кинетической энергии частиц, составляющих вещество, и энергии фундаментальных полей.

Обнаружение у какой-то частицы внутренней энергии однозначно свидетельствует о том, что частица составная, т. е. имеющая внутреннюю структуру. Именно таким образом, было экспериментально доказано, что протон – составная частица, у протона была обнаружена внутренняя энергия.

Энергия химических связей органических соединений, которая запасается в растениях под действием солнечного излучения (энергия электромагнитного поля), лежит в основе проявлений жизни. Животные получают эту энергию с пищей и преобразуют ее в другие виды энергии, например, механическую (при движении).

Обмен энергией с окружающей системой является одним из необходимых условий существования всего живого.

Закон сохранения импульса.

Импульс характеризует инерционность поступательного движения тела. Чем больше импульс тела, тем труднее тело остановить, нужно прикладывать большую силу в течение большего времени. Если тело можно рассматривать как материальную точку, то при скоростях много меньших скорости света импульс тела равен произведению массы тела на его скорость. При скоростях, приближающихся к скорости света, импульс начинает быстро возрастать. Импульс системы тел равен векторной сумме импульсов всех тел, составляющих систему. Макроскопическое тело можно всегда представить, как совокупность почти точечных частиц, и найти импульс тела, как сумму импульсов частиц.

Импульс системы изменяется под действием сил. Однако такому изменению способствуют только внешние силы, т. е. силы со стороны тел, не входящих в систему. Внутренние силы не могут изменить импульса системы. Именно поэтому никакой «Мюнхгаузен» не может вытащить себя за волосы из болота. Для замкнутой системы внешние силы отсутствуют, и, таким образом импульс замкнутой системы сохраняется, т. е. остается неизменным со временем.

Закон сохранения импульса настолько же универсален, как и закон сохранения энергии. В силу этого закона, для того, чтобы тело начало двигаться, ему необходимо начать взаимодействовать с какими-то внешними телами, «от чего-то оттолкнуться». В частности, все живые организмы, совершая движение, отталкиваются от поверхности земли, воды или воздуха. В безвоздушном пространстве, где оттолкнуться не от чего, для совершения движения приходится часть системы «сделать внешними телами и оттолкнуться от них». Именно таким образом происходит реактивное движение: газы, вылетающие из двигателя, становятся внешними телами, которым передается импульс. Принцип реактивного движения, задолго до появления реактивных двигателей использовали живые организмы. Так, например, каракатица передвигается, выталкивая из себя воду, подобно водометному двигателю, устанавливаемому на катерах.

Как вы знаете, поля тоже могут обладать импульсом и при взаимодействии с веществом приводить его в движение.