Некоторые соображения по поводу закона сохранения энергии.

На модерации Отложенный

Некоторые соображения по поводу закона сохранения энергии.

 

Это набросок будущей статьи, которую я планирую отправить во все известные мне научные инстанции и ознакомить с моими соображениями как можно большее количество народа. Прочти статью сам и дай почесть всем друзьям.

 

Предлагаю всем, у кого есть голова на плечах, а в голове – нормально функционирующие мозги, принять участие в решении простой задачи.

Дано – груз массой 1 кг, который находится на некотором основании у поверхности Земли

Необходимо – поднять этот груз на высоту 10 метров самым эффективным способом, затратив как можно меньше так называемой “энергии”. Что будем оценивать по затратам топлива для двигателей, создающих, как говорили несколько веков тому назад, “движущую силу”.

Ответ, у кого бы мы ни спросили (за исключением разве что истинных учёных-ракетчиков, realrocketscientistJ) будет примерно таков – да каким способом не поднимай, всё равно минимальное количество энергии E, затраченной на подъём груза массой 1 кг равно

 

Откуда же “растут ноги” у этого утверждения, известного нам еще со школьной скамьи? Подавляющее большинство людей вообще скажут, что тут и обсуждать нечего. И тут не лишне вспомнить слова замечательного российского учёного К.Э Циолковского из его статьи «Двигатели прогресса»: «То, к чему мы давно привыкали, кажется нам истиной».

А привыкало человечество к этой “истине” на протяжении уже более чем 300 лет. Вот современный перевод отрывка из статьи “отца энергии” и “дедушки закона о сохранении энергии” Готтфрида Вильгельма Лейбница (Gottfried Wilhelm Leibniz) «Против картезианцев, о законах природы и истинной оценке движущих сил»: «Многие измеряют силу произведением массы на скорость, т. е. количеством движения, отсюда и картезианцы выводят, что в природе сохраняется одно и то же количество движения. Возражая против этого, я показал ("Acta Eruditorum", март 1686 г., с. 161), что если, как это обычно допускают, и прежде всего сами картезианцы, одна и та же энергия потребна для поднятия одного фунта на четыре фута и четырех фунтов на один фут, то нельзя измерять силу количеством движения и тело в четыре фунта со скоростью, измеряемой единицей, не равносильно телу в один фунт со скоростью, измеряемой четырьмя единицами, ибо если первое может поднять один фунт на четыре фута, то второе может поднять его на шестнадцать футов. Пытаясь возражать против этого моего рассуждения, некоторые ученые так запутались, что приходится предположить недостаточное понимание вопроса, когда они допускают оценку энергии пропорционально массе и высоте, на которую масса, или тяжесть, может быть поднята.» (Замечу, что в оригинале статьи вместо термина “энергия” Лейбниц используется термин “живая сила”).

И действительно, импульс, то есть количество движения, которое приобретет тело массой 1 фунт, упав с высоты в 4 фута, не будет равно импульсу, которое приобретет тело массой 4 фунта, упав с высоты 1 фут.

Продемонстрируем это. В первом случае (т.к. ускорение свободного падения g = 32,17 фут/с², то есть фута в секунду за секунду J).

Во втором случае , то есть импульс при меньшей высоте подъёма получается в два раза большим, чем в первом случае. Что, надо отметить, многих приводит в некоторое смущение, так как обычно они ожидают получить прямо противоположный результат. J

Исходя из этого, и, будучи совершенно убеждённым в принципе сохранения “живой силы”, Лейбниц и предложил считать за энергию не инерцию, т.е. количество движения, равное произведению массы на скорость , а некую новую, придуманную им величину, равную произведению массы на квадрат скорости .

Следует отметить, это было сделано Лейбницем не в силу каких-то наблюдений, опытных данных, а чисто математически – по той простой причине, что в таком случае в голове у Лейбница, что называется, «срасталось». То есть когнитивный диссонанс, существовавший в головах учёных того времени, по поводу существующего якобы противоречия между установленным опытным путём (стараниями Декарта и других известных естествоиспытателей) закона сохранения импульса, с одной стороны, и представлениями о неизменности величины “живой силы”, потребной для совершения работы по подъёму одного и того же количества футо-фунтов, с другой стороны, был ликвидирован предложением Лейбница.* Разумеется, это предложение было воспринято учёными того времени с огромным энтузиазмом, так как когнитивный диссонанс вызывает душевный дискомфорт, а в природе людей заложено старание уходить от ситуаций, в которых дискомфорт может усиливаться.

В дальнейшем, стараниями Кориолиса и Карно-старшего, “живой силе” было предписано определяться по формуле , после чего “живая сила” Лейбница получила гордое название “кинетическая энергия”.

Таким образом, основным постулатом всей этой теории энергии было допущение (как это обычно допускают, и прежде всего сами картезианцы), что одна и та же энергия потребна для поднятия одного фунта на четыре фута и четырех фунтов на один фут.

Надо сказать, что мне сейчас уже за 50 лет, я тоже учился в школе и в вузе, причем физика была моим самым любимым предметом, и я никогда не сомневался в истинности этого допущения. Даже в написанных мной не так давно статьях, в которых я продемонстрировал ошибки в доказательстве так называемой теоремы Карно-младшего, я опирался на незыблемость выражения  и приводил в пример Великобританию XVIII и XIXвека, в которой для оценки эффективности паровых двигателей системы Томаса Ньюкомена, “отца гражданской инженерии” Джона Смитона и великого изобретателя и учёного-естествоиспытателя Джеймса Уатта использовали т.н показатель duty – то есть “количество футо-фунтов воды, которые поднимает двигатель при использовании одного бушеля самого качественного ньюкасльского угля”.

И вдруг, неожиданно для себя, я решил проверить незыблемость этого утверждения. При помощи той самой задачи, которую я сформулировал в начале статьи. И, приступая к её решению, я сам не ожидал, насколько ошеломляющими будут результаты решения.

Повторю задачу. Необходимо поднять груз массой 1 кг на высоту 10 метров самым эффективным способом, при минимальных затратах “энергии”.

Из первого закона Ньютона известно, что доля того, чтобы переместить груз, к нему надо приложить силу. Ускорение, которое при этом получает груз, определяется из второго закона Ньютона . При этом неважно, что именно мы собираемся использовать в качестве источника “движущей силы” F – лебёдку или реактивные двигатели. Важно, чтобы они смогли обеспечить создание силы, превышающей действие на груз силы тяжести .

Предположим, что в нашем распоряжении имеется любое количество реактивных двигателей с полезной тягой 3 Н и массой самого двигателя, неизмеримо меньшей по сравнению с массой груза, т.е. такой, которой можно пренебречь при расчётах. Под «полезной тягой» я подразумеваю силу F, которую может развить двигатель без учёта затрат на подъём самого двигателя .

Подъём груза обычно включает три этапа:

- отрыв груза от “стартовой  площадки” и разгон груза до некоей скорости Vдвиж под действием “движущей силы” , производимый в течение времени tразг

- равномерное движение груза с набранной скоростью Vдвиж вверх  в течение времени tравн

- торможение груза в течение времени tторм с тем чтобы при достижении заданной высоты в 10 метров, скорость груза была равна нулю.

Представляется более рациональным осуществление торможение исключительно за счёт силы тяжести при полностью отключенной силе тяги , хотя… кто знает…

Хочу отметить, что даже равномерное прохождение (без ускорения и замедления) 10-метровой высоты грузом массой 1 кг требует РАЗНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ – в зависимости от начальной скорости.

Так, при начальной скорости в 1 м/с время прохождения участка составит 10 секунд, а при начальной скорости 10 м/сек – всего 1 сек (разумеется, движение осуществляется в условиях действия силы всемирного притяжения, в постоянном по своему напряжению гравитационном поле, сопротивление воздуха не учитывается).

То есть в первом случае реактивный двигатель, создающий полезную тягу в 9,81 Н, будет работать для того, чтобы совершить полезную работу  в течение 10 секунд, тогда как в другом на совершение точно такой же полезной работы двигатель будет работать в точно таком же режиме, создавая точно такую же полезную тягу и расходуя точно такое же количество топлива в единицу времени всего 1 сек. Другими словами, реальный расход топлива (или “энергии”), в первом случае будет аж в 10 раз меньше, чем во втором. Довольно неожиданно для современных представлений о законе сохранения энергии, не так ли? Больше всего меня удивляет, почему об этом не додумался никто до меня, особенно если учесть, что последние 50 лет человечество проложило себе дорогу в космос и теперь запуск ракет стал довольно обыденным событием.

А если вообще исключить из процесса подъёма груза на определенную высоту второй этап – этап равномерного движения, оставит только этап разгона и торможения?

Очевидно, что набор реактивных двигателей должен иметь суммарную силу тяги, превышающую силу притяжения, в нашем случае, .

 

Результаты своих расчётов по подъёму груза массой 1 кг на высоту 10 метров силовыми установками разной мощности я свёл в таблицу:

Тяга установки двигателей, Н

(“движущая сила)”

Время работы установки двигателей при разгоне, с.

Достигнутая к концу разгона скорость, м/с

Высота, на которой разгон прекращается, м

Время на торможение до полной остановки, с

Затраченная на подъём реальная “энергия”, машино-секунды

9 (3 шт. × 3Н)

Подъём груза невозможен, двигатели могут работать сколь угодно долго, но выполнить поставленную задачу не смогут.

12 (4 шт. × 3Н)

2,73

5,97

8,2

0,60

10,9

15 (5 шт. × 3Н)

1,58

8,20

6,5

0,84

7,9

18 (6 шт. × 3Н)

1,15

9,42

5,4

0,96

6,2

21 (7 шт. × 3Н)

0,91

10,18

4,7

1,04

6,4

24 (8 шт. × 3Н)

0,75

10,68

6,0

1,09

6,0

Интересно, что зависимость эффективности, которую я в данном примере определяю как минимально затраченное количество машино-секунд, от мощности энергетической установки – вовсе не монотонная функция. Легко виден местный максимум при тяге установки двигателей в 21 Н.

Кто мне не верит, может проверить расчёты. Это будет полезно как для меня – не накосячил ли где я впопыхах, так и для проверяющего – полезно лишний раз вспомнить физику на уровне 10…11 класса и немного потренировать свои мозги.

Сейчас нет времени, уезжаю на week-end, но со временем напишу нормальный вывод формулы, наглядно демонстрирующий, что для подъёма груза одной и той же массы на одну и ту же высоту можно потратить совершенно разное количество энергии, не говоря уже о том, что подъём одного фунта на четыре фута и четырех фунтов на один фут требует затрат одинакового количества энергии.

 

Разумеется, истово верующие в закон сохранения энергии, основанный на допущении, что одна и та же энергия потребна для поднятия одного фунта на четыре фута и четырех фунтов на один фут, в особенности – дедушки глубоко пенсионного возраста, засевшие в Отделении физических наук РАН и на кафедрах физики всевозможных институтов и университетов тут же начнут травлю как моих идей, так и меня лично, не останавливаясь ни перед чем. JЭто не ново и ожидаемо.

О подобном предупреждал еще К.Э Циолковский, цитирую:

«В зрелые годы погасание старых идей и рождение новых очень трудно и сопровождается страданиями, возбуждающими негодование против новатора. Чем старше возраст, тем это явление резче. Вот причина, вследствие которой состарившиеся авторитеты отрицают со скрытой злобой все молодое, новое, несогласное с их заматеревшими мыслями...

…Возьмем пример: новое правописание. Каждый считал себя образованным и грамотным, а прочих, простых людей — малограмотными. Нововведение сделало обратное. Разве это не обидно, в особенности инертным людям и старикам! Опровержение какого-нибудь ложного открытия еще тягостнее. Положим, опыт отверг гипотезу относительности (Эйнштейн). [Добавлю – или опроверг закон сохранения энергии J] Сколько трудов было употреблено учеными для ее усвоения, сколько студентов ломало над ней голову — и вдруг это оказалось вздором. И унизительно, и как будто клад потеряли. Сколько было гордости перед другими, незнакомыми с учением — и все рухнуло… Разве это приятно?!

…Постоянно отвергаются старые гипотезы и совершенствуется наука. И всегда этому более всего препятствуют ученые, потому что они от этой переделки более всего теряют и страдают.»

 

 

 

Резюме:

Каким же остолопом был Лейбниц !!! И все физики со всех всевозможных академий наук.

Пора переписывать ВСЮ теоретическую физику, начиная с самых основ – с механики.