Введение. Интересно. Мяч при волейбольной, футбольной, теннисной подаче несет в себе больше энергии при подкрутке или без подкрутки ?

 

Интересно. Мяч при волейбольной, футбольной, теннисной подаче несет в себе больше энергии при подкрутке или без подкрутки? С точки зрения физики ответ прост: конечно подкрученный мяч несет больше энергии. Полная кинетическая энергия подкрученного мяча W_k складывается из кинетической энергии поступательного движения E_k и энергии вращения E_в, возникающей за счет подкрутки.

E_в

E_k W_k = E_k + E_в

 

 

Рис. 1. Энергия подкрученного мяча

 

Подкрутка мяча - изобретение человека в его играх. В этом изобретении что-то новенькое или “ничто не ново под Луной” и в природе есть аналоги? Да, есть! - сплошь и рядом. Такая форма локализации энергии явление обыденное. Приведем несколько примеров природных явлений, в которых используется такой способ локализации энергии.

По аналогии с мячом - единичный объект, молекула водорода. Молекула водорода H₂ может быть представлена при нормальных условиях в виде модели, напоминающей гантель, которая летает в воздухе при комнатной температуре со скоростью v = 1900 м/с. При увеличении температуры начинается раскрутка этой гантели. Она в пространстве ведет себя уже как подкрученный мяч: летит со скоростью v поступательно и вращается вокруг своего центра инерции. Конечно молекула водорода - микрообъект и раскрутка имеет свою особенность, которая состоит в том, что молекул в газе много и процесс раскрутки происходит в результате коллективного взаимодействия (соударения) молекул. При повышении температуры сначала все молекулы двигаются поступательно, а затем начинается раскрутка молекул, и газ переходит на новый энергетический уровень, где все молекулы летят как подкрученные мячи.

А вот другой разворот того же явления. Большое количества молекул водорода - газ. Что будет, если достаточно быстро дать энергию не на весь объем, занимаемый газом, а лишь на его часть? Возникнет интересный эффект: часть газа, получившая энергию, начнет вращаться в объятиях большой массы холодного газа, появятся вихрь или смерч. Можно множить эти примеры, перебирая явления природы в различных субстанциях её проявления. Обычным окажется факт локализации энергии в виде вращения.

Любопытно. Обладают ли свойством запасать энергию таким способом биологические системы? Мы под биологической системой будет понимать единичного представителя вида, конкретно человека. Человек, как биологический объект, составлен из огромного количества атомов, молекул, химических соединений. Что значит огромное количество атомов? Не увлекаясь точными вычислениями, прикинем масштаб огромного.

Допустим, человек массой 60 кг состоит из воды (это не далеко от истины). Количество молекул, которому эта масса соответствует, можно сосчитать по формуле:

N = (m: M) ×N_а = (60: 18) × 6,023 ×10²⁶ = 2 ×10²⁷ мол.

 

Такое количество молекул - целая Вселенная. Представьте себе, если молекулы вытянуть в цепочку, то свет будет идти вдоль этой цепочки от начала её до конца со своей любимой скоростью (скорость распространения электромагнитных колебаний в вакууме) V=3×10⁸ м/сек в течение десяти лет!

Подчеркнем: биологическая система - человек соcтоит из огромного количества молекул, которые образуют многообразные химические соединения. Химические соединения участвуют ежесекундно в разнообразных химических реакциях. Они представляют собой настоящий энергетический цех человека, в котором энергия может быть запасена в виде каких-то своеобразных химических процессов. Прежде, чем говорить о реакциях в этих процессах, давайте сначала посмотрим в следующем разделе нашей книги как ведут себя системы, состоящие из огромного количества молекул, атомов.

 

 

Глава 1