Виды сил и виды энергии

То, что заставляет изменяться систему, называется силой. В наших обычных ощущениях, касающихся механических явлений, это то, что тянет или толкает, растягивает или давит. Силу можно определить также как меру интенсивности взаимодействия. Чем больше сила, тем больше при прочих равных условиях произведённая работа (полученная или затраченная энергия). Наличие силы не означает, что изменение и превращение энергии должны обязательно произойти. Такая ситуация означает, что есть другая сила, равная данной, но противоположно направленная, и существует равновесие сил. В этом случае говорят лишь о наличии возможности произвести какие-либо изменения. В механике такая возможность, обусловленная взаимным расположением тел (масс), получила название потенциальной энергии.

Силы бывают разных видов. В настоящее время известны четыре основных типа сил и соответствующие им гравитационные, электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия. Каждый вид энергии (взаимодействия) определяется каким-либо конкретным свойством материальной системы.

Гравитационные взаимодействия определяются таким свойством, как масса и проявляются в наличии сил притяжения, которые пропорциональны массам взаимодействующих тел и обратно пропорциональны квадрату расстояния между центрами масс. Эти силы преимущественно определяют все движения в больших масштабах Вселенной (планеты, звёзды, галактики). Совокупность явлений таких масштабов принято называть мегамиром.

Электромагнитные взаимодействия определяются таким свойством тел, как электрический заряд и проявляются в возникновении силы между двумя зарядами, которая пропорциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В отличие от гравитационных сил заряды бывают 2 сортов, которые принято обозначать + и –, причём притягиваются только разноимённые заряды, а одноимённые всегда отталкиваются. Магнитные силы возникают между двумя потоками зарядов. Если потоки параллельны и одноимённые заряды текут в одном направлении (разноимённые – в разных), то магнитные силы проявляются в отталкивании потоков. При течении одноимённых зарядов в разных направлениях потоки зарядов испытывают притяжение. Периодическая смена направлений электрического тока вызывает распространение в окружающем пространстве силовых полей, которые называются электромагнитными волнами, характеризующимися частотой колебаний, равной частоте переменного электрического тока.

Электромагнитные силы практически полностью определяют процессы взаимодействия ядер атомов с электронами, а также процессы образования молекул и макроскопических тел из атомов. То есть эти силы в значительной мере определяют явления микромира (масштабы менее 10^{-4 м) и макромира. Макромиром принято называть масштабы явлений, с которыми наиболее часто приходится иметь дело человеку в повседневной жизни и о которых можно сравнительно легко получить правильные представления, не прибегая к специальным научным методам или приборам. Масштабы таких явлений находятся в пределах 10-4} - 10⁴ м. Твёрдость и прочность окружающих нас тел определяется исключительно электромагнитными взаимодействиями атомов и молекул. Гравитационные силы здесь не проявляются, потому что они на 37 порядков меньше, чем силы между электрическими зарядами частиц.

Гравитация в макромире проявляется только в виде общей тенденции всех тел двигаться по направлению к центру Земли. Движение воздушных и водных масс на планете – это тоже результат гравитационных взаимодействий. Более холодные плотные массы, двигаясь вниз под действием силы тяжести, выдавливают вверх более тёплые и лёгкие массы (конвекция), в результате чего возникают круговороты с горизонтальными участками движения (адвекция (ветер) и океанические течения). Реки текут также под действием силы тяжести, хотя предварительное испарение воды происходит под действием тепла (механическая энергия молекул). Тепло, в свою очередь, есть результат превращения электромагнитного излучения Солнца. В отдельных случаях на нагрев может влиять и внутреннее тепло земли.

В мегамире электрические силы проявляются не так сильно, как гравитационные, поскольку крупные тела обычно имеют равное соотношение положительных и отрицательных зарядов, т.е. электрически нейтральны, или разница в зарядах очень ничтожна. Если же по какой-то причине равновесие зарядов в макротелах нарушается, то возникают колоссальные силы, несопоставимые с гравитационными взаимодействиями, что видно на примере грозовых разрядов. Основное проявление электромагнитных взаимодействий в мегамире – это различные виды электромагнитного излучения звёзд и других галактических и внегалактических объектов (см. п. 4.3, 4.4).

Сильные взаимодействия проявляются в некоторых процессах, протекающих с участием элементарных частиц, в частности, в виде сил, удерживающих нейтроны и положительно заряженные протоны в ядрах атомов. Поэтому эти силы ещё называют ядерными. На расстояниях, не превышающих 10^{-15 м, протоны испытывают колоссальные силы электрического отталкивания, но не разлетаются, поскольку ядерные силы на 2 порядка сильнее электрических. По аналогии с массой и электрическим зарядом, свойство, определяющее сильное взаимодействие, называется цветовым зарядом, или просто «цветом».}

Слабые взаимодействия определяются ещё одним типом сил, которые проявляются при некоторых превращениях элементарных частиц, протекающих обычно с образованием частицы нейтрино. Свойство частиц, определяющее такое взаимодействие, получило название лептонный заряд.

Исчерпывающей теории сильных и слабых взаимодействий пока не создано. Такие взаимодействия описываются преимущественно как экспериментальные факты, из которых следует, что указанные силы ослабевают с расстоянием значительно быстрее, чем гравитационные и электромагнитные и за пределами ядра атома практически не проявляются. В пределах же радиуса действия (≈10^{-15 м) слабые силы слабее ядерных на 14 порядков. В свою очередь, гравитационные силы являются ещё более слабыми и в масштабах действия ядерных сил уступают им на 39 порядков.}

Поскольку гравитационные и электромагнитные силы убывают с расстоянием значительно медленнее, они получили название дальнодействующих, а силы сильных и слабых взаимодействий называются короткодействующими.

2.3. Классификация систем
по интенсивности взаимодействий

По интенсивности обмена энергией и веществом все материальные системы теоретически принято делить на изолированные, закрытые и открытые.

Изолированные системы не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Это означает, что окружающие системы никак не влияют на процессы в изолированных системах.

Закрытые системы обмениваются со средой энергией, но не обмениваются веществом.

Открытые системы обмениваются со средой и веществом, и энергией.

Иногда изолированные и закрытые системы объединяют в одну группу и называют замкнутыми системами.

Представленная классификация систем весьма условна, в чём можно убедиться, если попытаться найти примеры конкретных природных систем, которые соответствовали бы указанным классам.

Поиск примеров изолированных систем сразу же покажет, что таких систем в действительности не существует, поскольку если и можно представить себе некоторый герметичный ящик, в который никакие материальные частицы не проникают (вещество не входит и не выходит), то оградить внутренний объём этого ящика от всех силовых полей (например гравитационного) невозможно. А поле – это переносчик энергии.

В таком случае указанный ящик можно считать закрытой системой. Но опять-таки в современной физике известно, что всё наше пространство пронизывается различными элементарными частицами, многие из которых обладают высокой проникающей способностью и имеют массу, следовательно, вещество может также проникать в наш ящик и покидать его. Это означает, что и закрытой системы мы не получили.

Кроме того, надо также учесть, что в соответствии с формулой 2.1 (п.2.1) энергия может превращаться в массу и наоборот. В таком случае тем более теряется смысл приведённой классификации систем, поскольку понятия закрытые и изолированные системы представляют собой абстракции, которым в действительности ничего не соответствует, и все материальные системы являются открытыми.

Однако существующая классификация не совсем бессмысленна, так как, во-первых, абстрактные понятия часто являются удобным инструментом построения теорий, а во-вторых, во многих реальных системах обмен энергией или веществом настолько мал, по сравнению с другими окружающими процессами, что им можно пренебречь и систему можно считать изолированной или закрытой. Закрытой системой, например, можно считать нашу планету, для которой нельзя пренебречь потоком солнечной энергии, но можно пренебречь количеством вещества, попадающего из космоса в виде метеоритов и космической пыли, и веществом, теряемым в виде рассеивающихся молекул атмосферы.

Примером абстрактного понятия, которому в действительности ничего не соответствует, но без которого нельзя обойтись, является понятие точки в математике. Практически ни одна математическая теория не может быть создана без использования этой абстракции. В то же время в природе нельзя найти ни одного материального объекта, соответствующего этому понятию. Точка означает нечто, не имеющее размеров, а таких объектов в природе не существует. Любая точка в данном тексте – это несколько миллионов молекул краски, тогда за точки, казалось бы, можно принять атомы, из которых состоят молекулы краски. Но атом имеет размеры, в сотни тысяч раз превышающие размеры ядра, в котором сосредоточена почти вся его масса, и ядро можно считать точкой по отношению к атому. Но и ядро состоит из более мелких элементарных частиц и также не является точкой. Таким образом, в каждом абстрактном построении мы можем принимать в качестве точки самые различные материальные объекты, в зависимости от конкретных задач. Точками можно считать дома при взгляде на них из космоса, города на карте, планеты в Солнечной системе, звёзды в галактике и т.д.

Поэтому, подобную и весьма полезную нагрузку несут и такие абстрактные понятия как изолированная, закрытая и открытая системы, в чём мы убедимся несколько позднее (п. 2.5, 2.6).