ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СОХРАНЕНИЯ И НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ
Андрей Иванович Касьян

"Наступит время, когда тщательные и продолжительные
исследования прольют свет на вещи, пока скрытые от нас".
Сенека

Приступая к указанной в заголовке данной статьи теме, справедливо сначала задать вопрос: а что такое энергия? Энергия - общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Более универсальной меры не существует. Но раз уж мы упомянули о мере, то значит энергию можно измерять и существуют соответствующие приборы. В системе СИ единицей энергии является джоуль (по имени одного из первооткрывателей закона сохранения энергии - английского физика Дж. Джоуля).

Иногда говорят: "Машина работает, потребляя энергию". Если машина потребляет энергию, то энергия исчезает? Не совсем так, а точнее: совсем не так. В изолированной системе энергия может только переходить из одной формы в другую, но ее общее количество остается постоянным. В этом смысл закона сохранения энергии, значение которого выходит за рамки частных физических принципов. В историю его открытия вписаны имена чуть ли не всех великих естествоиспытателей XIX века.

Основоположником закона сохранения энергии по праву является Р. Майер. В своей статье "О количественном и качественном определении сил" (1841 г.) он утверждал, что "изменения в мире обусловлены наличием "разностей". Как следует из контекста, "разность" означает в современном понимании разность энергетических уровней. То есть для того, чтобы система перешла из одного состояния в другое, необходим переход ее энергии с одного уровня на другой. Майер подходил к пониманию этого закона с более широких философских позиций, чем многие его современники. Независимо от Майера проводил свои опыты Дж. Джоуль, тем самым подводя под его идеи экспериментальную основу. Лидер физической науки того времени Г. Гельмгольц связал закон сохранения энергии с великими исследователями механики предыдущего века. Через несколько лет закон сохранения энергии был принят всеми как общий закон природы.

Итак, энергия не может исчезнуть, но переходит из одних форм в другие, а в конечном итоге - в тепло.

В общем случае работа производится, когда энергия претерпевает изменение при переходе из одной формы в другую. Иначе говоря, работа - это некоторая количественная мера, связанная с передачей энергии. Работа также поддается измерению. Так как работа связана с изменением энергии, то ее единицей является все тот же джоуль. Все эти понятия (энергия, работа, тепло) имеют строгое математическое описание и обоснование.

В древности человек владел наипростейшими знаниями, в те времена основным источником энергии и работы была мускульная сила. Мышца - это самый экономичный двигатель. Вскоре человек сумел воспользоваться мускулами животных. Сейчас практически всю работу делают машины. Но прежде чем пойти дальше, остановимся на еще одном важном понятии - инерции.
Свойство инерции заложено в принцип действия очень многих механизмов. Что же это такое? Инерция (inertia - лат. "покой") - свойство тела сохранять неизменным свое состояние движения или покоя: покой, строго говоря, - частный случай движения, движение со скоростью, равной нулю.

Мера инертности тела - масса. Массивное тело, будучи разогнанным, сопротивляется попыткам изменить его скорость. Если поставить на его пути преграды, то оно может произвести работу: разрушить их. Или разрушится само. Все зависит от того, что окажется прочнее. Впрочем, работа все равно будет произведена: ей безразличны последствия произведенного действия. Понятие инерции изучается в механике, оно прошло долгий путь развития.

Формирование основных научных взглядов на окружающий нас мир произошло в начале XVII в., когда создавалась качественно новая физическая картина мира. В это время в фундамент здания науки были заложены взаимодополняющие принципы и концепции.

Из трудов древнегреческих ученых была взята и переосмыслена очень важная концепция дискретного строения материи.
В 1632 г. вышла знаменитая книга Г. Галилея "Диалог о двух главнейших системах мира, птолемеевой и коперниковой". Пересмотр укоренившихся представлений о строении мира, введение коперниковой системы, требовал пересмотра и "земных" воззрений. Заслуга Галилея состоит в том, что он открыл методологию нового всеобщего способа описания природы.

Декарт, Гюйгенс вслед за Галилеем развили и уточнили понятия инерции, силы, импульса. Но с максимальной полнотой эти явления были раскрыты великим английским ученым Исааком Ньютоном. Он разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение тел на Земле по одним и тем же законам. Природа выступала у него как сложная механическая система. Ньютон писал: "Врожденная сила материи есть присущая ей способность сопротивляться, по которой всякое отдельно взятое тело, поскольку оно предоставлено самому себе, удерживает свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Эта сила всегда пропорциональна массе и если отличается от инерции массы, то разве только воззрением на нее". В разделе "Аксиомы, или Законы движения" Ньютон сформулировал первый закон: "Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние". Итак, состояние прямолинейного движения не требует для своего поддержания каких-либо воздействий. Если исключить внешние воздействия (сопротивление среды и др.), то тело будет двигаться бесконечно долго. Вот как проявляется удивительное свойство инертности тел. В силу этого можно также сказать, что тело, движущееся по инерции, представляет собой удобную инерциальную систему отсчета. Первый закон Ньютона (хотя он справедливо указывал на авторство Галилея) так и называют - закон существования инерциальной системы отсчета. Здесь же приоткрывается завеса над тайной прямой линии. Прямая - это линия, по которой тело движется по инерции.

Далее Ньютон писал: "волчок, части которого за счет сцепления вовлекаются в круговое движение, не перестает равномерно вращаться, поскольку это вращение не замедляется сопротивлением воздуха". Эта мысль обосновывает принцип действия инерционного аккумулятора энергии, о котором речь пойдет ниже.

Можно математически строго показать, что независимость (говорят также - инвариантность) относительно перемещений в пространстве дает закон сохранения импульса, который изучают в школе. Из того, что не существует абсолютного начала времени, следует (!) закон сохранения энергии. Аналогичные соответствия можно установить для любых законов, в связи с чем должны существовать симметрии, например, электромагнитных взаимодействий и др. Правда, со сдвигом по оси времени мы встречаемся с трудностью. Невозможно выбрать начало отсчета до так называемого Большого взрыва, который произошел согласно наиболее непротиворечивой теории, принятой сейчас большинством исследователей. Это явление имело место много миллиардов лет назад и породило наш мир. Практически все в современной космологии связано Большим взрывом и последующим за ним расширением Вселенной.

На практике часто возникает потребность в накоплении и сохранении энергии. Вам нужна энергия? Пожалуйста - берите сколько нужно. Это похоже на банк. Энергию можно хранить и выдавать по потребности. Предназначенное для этого устройство можно назвать аккумулятором (от лат. аccumulator - собиратель) или накопителем энергии. Простейшим из них может служить груз, поднятый на некоторую высоту и использующий гравитационную энергию. Такие накопители применяются в копрах, часах и т.п. Антитезой может служить груз сам по себе. Дело в том, что любое тело содержит в себе огромную энергию. В соответствии с формулой Эйнштейна энергия покоя равна произведению массы на квадрат скорости. Поэтому тело массой 1 кг содержит энергию, которую вырабатывает за год средняя электростанция.

Но вернемся на бренную землю. Нас интересуют механические накопители энергии. Пружина относится к таким накопителям потенциального типа. Подобные механические накопители малой удельной энергии, имеющие упругие элементы, применяются очень давно. В древности накопление энергии в скрученных пучках тетивы использовалось в катапультах для метания снарядов. Дальнобойность таких машин доходила до 350 м при массе ядра до 1,5 кг. Если предоставлена возможность выбирать, то предпочтение очень часто отдается упругим элементам, позволяющим достичь достаточно большой удельной энергии.

Рассмотрим другой пример: аккумуляторы в виде баллонов со сжатым газом, которые используются в системах управления. Газ, как пружина. Если его сначала сжать, то при расширении он производит работу.

Тепловые аккумуляторы имеют высокую удельную энергию, но она менее ценная, так как ее трудно преобразовать в работу. Оправдывает себя комбинация различных видов аккумуляторов. Например, тепловые аккумуляторы очень хорошо сочетаются с накопителями энергии в виде сжатого газа.

"Чистые" электроаккумуляторы - конденсаторы и катушки индуктивности широко применяются в электронике.

Перспективны для транспорта электрохимические накопители (ЭХН), которые часто называют просто "аккумуляторы". Эти устройства имеют весьма высокую удельную энергию, достаточно долго хранят ее. Но если сравнить их с природными аккумуляторами, то приходится признать: ЭХН уступают последним. Удельная мощность рыбы - электрического ската - превышает 150 Вт/кг.

Топливные элементы, непосредственно преобразующие энергию, которая выделяется при окислении водорода, в электроэнергию, также можно отнести к электрохимическим аккумуляторам. Они достаточно перспективны, но там есть еще над чем работать и исследователям, и теоретикам.

Рассмотрим транспортные средства. Если они работают с большим числом торможений и разгонов или некоторые механизмы имеют периодический цикл работы, то целесообразно использовать накопитель энергии в виде маховика. Существуют и другие накопители и возможные их комбинации, но на вопрос - какой лучше - однозначного ответа нет.

В следующем номере журнала мы более подробно рассмотрим механические, а более точно, динамические накопители. Однако уже сейчас обратим внимание на то что, движущееся тело - это своеобразный накопитель энергии, и с точки зрения сохранения энергии - идеальный. Инерция - такое удивительное свойство, что не "стареет" во времени.

(Продолжение в следующем номере)