Свяжем энергию с механическим проявлением процесса, потому что это то, что мы можем измерить. Непонятно, как измерять тепловую энергию или энергию химических связей – мы их непосредственно не наблюдаем. А вот перемещение, время и массу можно измерить непосредственно, сравнивая с эталонами. По этим величинам можно косвенно измерить скорость, силу и т.д. Поэтому вернемся к санкам, которые мы затаскиваем на горку.

Просто сказать, что для подъема санок на гору на них подействовали с некоторой силой, недостаточно. Ведь можно силу прикладывать и ничего не поднять (рис. 8).

Рис. 8. Приложенная к саням небольшая сила

Можно приложить небольшую силу и переместить санки по пологому склону, правда, перемещение будет большим (рис. 9).

Рис. 9. Большое перемещение при приложенной небольшой силе

А можно поднять их по практически отвесной стороне горки, но тогда придется приложить большую силу (рис. 10).

Рис. 10. Поднятие санок по отвесной стороне горки

Результат будет один: санки будут на вершине горки.

Для описания этих процессов удобно ввести и использовать понятие работы (рис. 11).

Рис. 11. Физическая величина – работа

Подробно мы поговорим о работе на уроках данного раздела, дадим четкое определение и разберемся, как ее считать. Главное – что мы энергию сможем связать с работой: работа равна изменению энергии, это мера превращения энергии. Например, приложив к санкам некоторую силу, можно поднять их на горку. Потенциальная энергия санок увеличилась на работу этой силы: , где А – работа.

Абсолютна ли энергия?

Кинетическая энергия тела определяется его скоростью. Но скорость относительна. Мы не можем однозначно говорить о скорости тела, пока не определимся с системой отсчета. Рассматриваемое тело может покоиться относительно одних тел и двигаться относительно других. Получается, что энергия тоже зависит от системы отсчета.

Представьте, вы едете с сумкой на велосипеде. В системе отсчета, связанной с велосипедом, сумка неподвижна, и ее кинетическая энергия равна нулю, сумка спокойно висит где-то на руле (рис. 12).

Рис. 12. Кинетическая энергия сумки в системе отсчета, связанной с велосипедом

А в системе отсчета, связанной с землей, сумка движется со скоростью велосипеда и обладает кинетической энергией: (рис. 13).

Рис. 13. Кинетическая энергия сумки в системе отсчета, связанной с землей

Другой пример: после выстрела из пистолета летит пуля. Кажется очевидным, что она обладает ненулевой кинетической энергией. При столкновении с препятствием эта энергия превратится в тепло или пойдет на разрушение препятствия. Но представьте, что рядом летит самолет со скоростью пули (рис. 14).

Рис. 14. Кинетическая энергия пули относительно самолета

Летчику покажется, что пуля зависла рядом с ним, он даже мог бы взять её руками, если бы не боялся обжечься. В системе отсчета, связанной с самолетом, скорость пули и ее кинетическая энергия равны нулю.

А что же с потенциальной энергией? На горе лежит камень, чему равна его потенциальная энергия: или ? (рис. 15)

Рис. 15. Потенциальная энергия камня

Ответ на этот вопрос будет зависеть от задачи, которую мы решаем: рассматриваем ли мы падение камня по левому склону или по правому, скорость камня в каком положении нас интересует. Потенциальная энергия тоже относительна.

Это же касается и тепловой энергии, и любой другой. Мы рассматриваем не абсолютное значение энергии, а, скорее, её изменение в той или иной системе отсчета. Например, говоря о нагревании воды с комнатной температуры до кипения, нет смысла говорить об абсолютном значении энергии при . Удобно принять энергию при за нулевой уровень и посчитать, на сколько изменится энергия при нагревании на

Санки съезжают вниз под действием земного притяжения. Потенциальная энергия санок уменьшается на работу силы тяжести, и на столько же увеличивается кинетическая энергия движения санок (рис. 16).

Рис. 16. Переход потенциальной энергии в кинетическую

От удара о дерево и деформации возникают свои силы, и уменьшение кинетической энергии санок равно работе этих сил. На столько же увеличивается тепловая или внутренняя энергия санок (рис. 17).

Рис. 17. Переход кинетический энергии в тепловую

Всё это удобно измерять в единицах механической работы, потому что любая энергия в принципе может превратиться в механическую.