Законы сохранения энергии, импульса, массы

    Понятие  потенциальной энергии тела вводится  для сил, работа которых определяется  только положением начальной  и конечной точек траектории. Такие силы называют консервативными.  Работа неконсервативных сил  зависит от формы траектории, например, силы трения.

     Кинетическая энергия - это энергия  массы, движущейся под действием  неконсервативных сил, а поэтому  правильнее говорить о ее приращении, которое равно работе всех сил, приложенных к телу. Это могут быть силы упругости, тяготения, трения и т. д¹⁰.

    Связь  симметрии пространства и законов  сохранения была изложена немецким  математиком Э.Нетер (1882 - 1935) в  форме фундаментальной теории: однородность  пространства и времени влечет  законы сохранения импульса и  энергии, а изотропность пространства - сохранения момента импульса  и энергии.

     Установление связи между свойствами  пространства и времени и законами  сохранения выражаются в вариационном  принципе.

     Закон изменения полной энергии.  Сумму кинетической и потенциальной  энергии называют полной энергией  тела. Она включает кинетическую  энергию, которая всегда положительна, и потенциальную, которая может  быть как положительной, так  и отрицательной.  Таким образом,  полная энергия может быть  любого знака и равна нулю. Один из важнейших законов  механики гласит: приращение полной  энергии тела равно нулю, то  полная энергия тела равно  работе неконсервативных сил.

     Закон сохранения полной энергии.  Если неконсервативные силы отсутствуют  или их работа равна нулю, то  полная энергия не меняется, то  есть имеет одно и тоже значение  в любой момент времени.

     Закон сохранения полной энергии  системы тел. Если в замкнутой  системе действуют силы трения, то полная энергия системы  уменьшается. Что не означает  ее исчезновения. Наличие трения  приводит к увеличению кинетической  энергии движения молекул и  потенциальной энергии их взаимодействия  за счет уменьшения полной  энергии. Сохранение полной энергии  замкнутой системы, равной сумме  полной и внутренней энергий,  является частным случаем всеобщего  закона сохранения и превращения  энергии всех форм движения  материи.

     Закон сохранения энергии в  применении к тепловым процессам  выражен в первом начале термодинамики.  При этом в многоатомных молекулах  кинетическая энергия складывается  из трех независимых частей - энергии  движения молекулы как целого, вращательной энергии и колебательной  энергии ядер.

     Передача тепла возможна, кроме  трения, теплопроводностью, конвенцией, излучением.

     С законами сохранения энергии  тесно связан закон пропорциональности, или взаимосвязи массы и энергии  (эта связь совершенно универсальна): изменение массы тела прямо  пропорционально изменению полной  энергии или приращению кинетической  и собственной (потенциальной)  энергии.

     Закон сохранения массы. Исторический закон физики, согласно которому масса как мера количества вещества сохраняется при всех природных процессах, то есть несотворима и неуничтожима. С точки зрения современной физики, этот закон неверен. Например, при радиоактивном распаде совокупная масса вещества уменьшается.

     Закон сохранения импульса. Данный  закон представляет собой результат  симметрии относительно параллельного  переноса исследуемого объекта  в пространстве, суть – однородность  пространства. Так, в пустом пространстве  импульс сохраняется во времени,  а при наличии взаимодействия  скорость его  изменения определяется  суммой приложенных сил. В случае  системы материальных точек, их  полный импульс определяется  как векторная сумма всех импульсов,  составляющих систему материальных  точек. 

    Системы,  на которые не действуют внешние  силы, называют замкнутыми. Основная  масса законов сформулирована  именно для таких систем.

     Закон сохранения момента импульса. Он являет собой пример симметрии  относительно поворота в пространстве. Это закон есть следствие неизменности  мира по отношению к его  поворотам в пространстве. Это  свойство используется, в частности,  в гигроскопах и других навигационных  системах. Все эти законы сохранения не только фундаментальны, но и универсальны в пределах микро-, макро-, и мегамиров. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

     Некоторые из законов сохранения  выполняются всегда и при всех  условиях (например, законы сохранения  энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда), или, во  всяком случае, никогда не наблюдались  процессы, противоречащие этим законам.  Другие законы являются лишь  приближенными и выполняющимися  при определённых условиях (например, закон сохранения массы выполняется  в релятивистском приближении;  закон сохранения чётности выполняется  для сильного и электромагнитного  взаимодействия, но нарушается в  слабом взаимодействии).

     Законы сохранения связаны с  симметриями физических систем (теорема  Нётер). Так, законы сохранения  энергии, импульса и момента  импульса являются следствиями  пространственно – временных  симметрий (соответственно: однородности  времени, однородности и изотропности  пространства). При этом перечисленные  свойства пространства и времени  в аналитической механике принято  понимать как инвариантность  лангранжиана относительно изменения  начала отсчета времени, переноса  начала координат системы и  вращения ее координатных осей.

     Эволюция закона сохранения энергии  показывает, что законы сохранения, будучи почерпнуты из опыта,  нуждаются время от времени  в экспериментальной проверке  и уточнении. Нельзя быть уверенным,  что данный закон или его  конкретная формулировка останутся  справедливыми всегда, несмотря  на расширение пределов человеческого  опыта. Закон сохранения энергии  интересен еще и тем, что  в нем теснейшим образом переплелись  физика и философия. Этот закон,  все более уточняясь, постепенно  превратился из неопределенного  и абстрактного философского  высказывания в точную количественную  формулу. Другие законы сохранения  возникали сразу в количественной  формулировке. Таковы законы сохранения  импульса, момента количества движения, электрического заряда, многочисленные законы сохранения в теории элементарных частиц. В современной  физике законы сохранения – необходимая составная часть рабочего аппарата.

     Законы сохранения тесно связаны  со свойствами симметрии физических  систем. Если известны свойства  симметрии системы, можно найти  для нее законы сохранения, и  наоборот. Законы сохранения играют большую роль и в квантовой теории, в частности, в теории элементарных частиц.

      Законы сохранения механических величин (энергии, импульса, момента) обладают всеобщностью. Это связано с тем, что соответствующие симметрии можно рассматривать как симметрии пространства – времени (мира), в котором движутся материальные тела. Так, сохранение энергии связано с однородностью времени, т.е. с инвариантностью физических законов относительно изменения начала отсчета времени (сдвигов во времени). Сохранение импульса и момента количества движения связано соответственно с однородностью и изотропностью пространства. Поэтому проверка механических законов сохранения есть проверка соответствующих фундаментальных свойств пространства – времени. Долгое время считалось, что, кроме перечисленных элементов симметрии, пространство – время обладает зеркальной симметрией, т.е инвариантно относительно пространственной инверсии. Тогда должна была бы сохраняться пространственная четность. Однако в 1957г. было экспериментально обнаружено несохранение четности в слабых взаимодействиях, поставившее вопрос о пересмотре взглядов на глубокие свойства геометрии мира.

     В связи с развитием теории  тяготения намечается дальнейший  пересмотр взглядов на симметрии  пространства – времени и фундаментальные  законы сохранения (в частности,  законы сохранения энергии и  импульса. 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Визгин В.П. Развитие взаимосвязи принципов инвариативности с законами сохранения в классической физике. М.: Наука, 1972.- 240 с.
2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. М.: Центр, 1997. - 168 с.
3. Горохов В.Г.Концепции современного естествознания. М.: Инфра-М, 2000. - 196с.
4. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ЮКЭА, 1997.- 204 с.
5. Карпенко С.Х. Основные концепции естествознания. М.: Физкультура и спорт, 1998.- 120 с.
6. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. М.: Наука, 1994.-264 с.
7. Компанеец А.С. Симметрия в микро - и макромире. М.:Наука,1978.- 146 с.
8. Концепции современного естествознания. Под ред. проф. В.Н. Лавриенко, проф. В.П. Ратникова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: ЮНИТИ - ДАНА, 2007. – 319 с.
9. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. Учебник. М.: Проспект, 2009. - 288 с.

¹ Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. М.: Наука, 1994.- с. 56.

² Там же. С.56.

³ Там же. С.56.

⁴ Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. М.: Наука, 1994.- с. 56.

⁵ Визгин В.П. Развитие взаимосвязи принципов инвариативности с законами сохранения в классической физике. М.: Наука, 1972.- С. 120.

⁶ Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. М.: Наука, 1994.-С.29.

⁷ Компанеец А.С. Симметрия в микро - и макромире. М.:Наука,1978.- С. 112.

⁸ Там же. С. 112.

⁹ Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ЮКЭА, 1997.- С.91.

¹⁰ Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ЮКЭА, 1997.- С.91.