ном месте и в данный момент воздействуют данные конкретные поля, например, электрическое поле натёртой палочки или гравитационное поле Луны. Единицы измерения устанавливаем мы сами, и в каком-то смысле даже удобно то, к чему мы привыкли, — измерять вес в килограммах. Но с точки зрения физики измерять массу и силу в килограммах — это примерно то же самое, что измерять в килограммах вес человека и его рост.
Одно время, чтобы избежать путаницы, слова «грамм» или «килограмм» употребляли с добавками, а именно килограмм массы (кг) и килограмм силы (кг). Но даже такая хитрость не помогла бы ввести килограмм силы в систему СИ — это для неё крайне неудобная, можно сказать, противоестественная единица. В системе СИ наиболее просто и естественно появилась единица силы, которую назвали очень почётно ньютон (Н) — это название хранит имя великого физика и математика Исаака Ньютона (1643–1727). Согласно определению, 1 ньютон это такая сила, под действием которой масса 1 кг приобретает ускорение 1 м/с2. Нетрудно найти эквивалент ньютона в привычных магазинных единицах веса — он равен 102 граммам, столько примерно весит полстакана воды, молока или виноградного сока. Несколько странное, неровное число 102 появилось из соотношения 1 килограмм силы = 9,8 ньютона, а число 9,8 берёт своё начало от земного ускорения 9,8 м/с2.
Имея единицу длины метр (м) и силы ньютон (Н), легко получить в системе СИ единицу для измерения работы и энергии.
ВК-58.На любом участке последовательной цепи действует закон Ома в главном такой же, как для всей цепи (ВК-53). Вместо э.д.с. Е в нём фигурирует напряжение U, то есть часть электродвижущей силы, доставшаяся участку цепи, для которого рассматривается закон. В данном случае закон Ома указывает соотношение между напряжением U, сопротивлением R и током I на этом участке. Например, такое U = I∙R или такое I = U: R. Из первой формулы можно получить удобную расчётную формулу R = U: I.
Т-49. Единица работы и энергии — джоуль (Дж). Работа (не в житейском смысле «большая работа», «хорошо поработал» и тому подобное, а как точная физическая и техническая характеристика) есть произведение работавшей силы на путь, на котором эта сила работала. Единица работы в системе СИ — джоуль (Дж) — названа по имени английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818–1889), многое прояснившего в области преобразований энергии. Эта единица соответствует работе, которую выполнит сила в один ньютон (1 Н) на пути в один метр (1 м), то есть 1 Дж = 1 Н∙1 м. Поэтому когда вы произносите тост и свой стограммовый (102 г = 1 Н) бокал виноградного сока поднимаете на метровую высоту, то выполняете работу в один джоуль (1 Дж = 1 Н∙1 м). А чтобы поднять на тот же метр наш знаменитый двухкилограммовый (примерно 20 Н) пакет сахара, нужно произвести работу примерно в 20 джоулей.
При решении подобных простых задач случаются тоже простые и поэтому особо обидные ошибки. Когда мы поднимаем пакет сахара, то на всём пути прикладываем к нему направленную вверх силу 20 ньютонов, которая и противодействует силе земного притяжения, противодействует весу. Но если мы перевозим этот пакет (вес 20 Н) в тележке по горизонтальной плоскости, то силу наверняка нужно будет приложить значительно меньшую, она должна лишь преодолеть трение в подшипниках колёс и иные виды потерь энергии. Поэтому мы и используем тележки при перевозке тяжёлых грузов.
ВК-59.При параллельном соединении сопротивлений их общее сопротивление всегда меньше наименьшего, и найти это общее сопротивление можно по формуле «произведение, делённое на сумму». Общий ток расходится по параллельным ветвям, и поэтому их называют делителем тока. Ток, который достаётся какой-либо ветви тем больше, чем меньше её сопротивление. На параллельно соединённых сопротивлениях действует одно и то же напряжение.
Следует также отметить, что в джоулях измеряется не только работа, но и энергия. Пытаясь найти строгое, точное объяснение этого понятия, мы ещё раз обратимся к энциклопедическим словарям и обнаружим, что энергия — это «…мера движения материи», «…общая количественная мера различных форм движения материи», «…мера различных форм движения и взаимодействия», «…одно из основных свойств материи — мера её движения» и так далее. К этим глубоким, философским определениям можно добавить, что материей называют всю существующую реальность, всё, что есть в нашем мире, независимо от того, знаем ли мы об этом. Движение в данном случае тоже очень широкое понятие, оно объединяет всё, что происходит с материей. В качестве простейшего примера можно привести цепочку преобразований в карманном фонаре: химические реакции в системе «электроды— электролит» — накопление веществ с некоторым запасом химической энергии — накопление избыточных зарядов на электродах за счёт химической энергии — перемещение свободных электронов в замкнутой цепи под действием электрических сил, нагрев нити в лампочке, излучение света. Каждый из этих процессов и переход от одного процесса к другому как раз и есть пример движения в широком смысле слова.
Отложив на будущее, как это уже бывало, приятное дело «философских» размышлений, попробуем слову энергия дать объяснение менее строгое, но зато более удобное для дальнейших наших практических дел. Будем считать, что это запасённая каким-то образом способность производить работу, способность что-то делать. Имеется в виду самая разная работа, а не только поднимание бокала в момент произнесения тоста или поднятие пакета с сахаром на определённую высоту. Сами же запасы энергии могут увеличиваться или уменьшаться, энергия может пересылаться, подобно почтовой посылке, из одного места в другое. Более того, энергия может переходить из одного своего вида в другой, например, тепловая энергия может быть преобразована в энергию электрического поля, энергия поля — в энергию перемещаемого им предмета и так далее.
ВК-60.Чтобы уменьшить напряжение на нагрузке или ином элементе цепи, его подключают к генератору через гасящее сопротивление. Чтобы уменьшить ток через нагрузку или другой элемент цепи, параллельно ему подключают сопротивление, в которое ответвляется часть общего тока. Такой обходной путь называется шунтом, а сам процесс ответвления тока — шунтированием.
Р-18. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД ПЕРЕДАЁТСЯ БЕЗ КАСАНИЯ. Обратившись к сложным и очень важным понятиям «электрическое поле» и «магнитное поле», мы упустили одну, казалось бы, мелочь, которую никак нельзя оставить без разъяснений. Почему вообще мелкие бумажки притягиваются к натёртым палочкам? Мы знаем, что после натирания у стекла появляется избыточный положительный заряд, у пластмассы — отрицательный (Р-1). Поэтому натёртые стекло и пластмасса будут притягивать предметы с противоположными зарядами — стекло с зарядом «минус», пластмасса с зарядом «плюс». Но какое отношение ко всему этому имеют клочки бумаги, у которых нет вообще никакого электрического заряда? За счёт чего эти электрически нейтральные бумажки тянутся к натёртому стеклу или к натёртой пластмассе? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно вспомнить процесс, именуемый «поляризация», это слово можно перевести как «создание полюсов». Электрический заряд натёртого стекла (или натёртой пластмассы) сначала своим полем несколько деформирует электронные орбиты атомов клочка бумаги, и на одном его конце более сильным оказывается положительный заряд (1), на другом конце — отрицательный. Вот этим своим отрицательным полюсом («минус») клочок бумаги и притягивается к натёртому стеклу, имеющему электрический «плюс». Аналогично пластмасса своим отрицательным зарядом притягивает поляризованные ею же клочки бумаги — притягивает их «плюс».
Примерно то же самое происходит при притягивании большим магнитом мелких стальных предметов, например гвоздей (2). Сначала основной магнит своим магнитным полем проводит поляризацию в мелких предметах, проще говоря, намагничивает их — поворачивает в одну сторону их элементарные магнитики, образованные особой молекулярной структурой стали. Ну а после этого основной магнит притягивает мелкие предметы — к своему южному полюсу, например, притягивает северный полюс намагниченного (поляризованного) гвоздя.
Мальчик на санках спускается с горы, не затрачивая никаких усилий, — это работает энергия гравитационного поля, Земля тянет санки с пассажиром вниз, и поэтому они двигаются по склону горки. На военных учениях выстрелила пушка, и снаряд, как всякое движущееся тело, имеет запас энергии — он израсходует её, попав в заброшенный сарай и разбросав в разные стороны куски кирпича. Движущиеся электроны, проходя по проводнику, отдают часть своей энергии, нагревая его. В самой структуре атомов и молекул запасена некоторая энергия, она может выделяться, в частности, если электрон перейдёт на более близкую к ядру орбиту. При сгорании топлива появляются молекулы с меньшим, чем «до того», запасом энергии, и высвободившаяся энергия превращается в тепло.
Если не бояться строгих критиков, то можно сказать, что энергия — как деньги: она может храниться в кошельке; может в магазине превращаться в модные кроссовки или в пирожки с капустой; может возвращаться к вам, когда кассир выплачивает вам заработную плату за отданные родному производству силы и время.
Запасы энергии, её расход или увеличение, её количественные соотношения при переходе из одного вида в другой, затраты энергии на какую-либо работу — всё это измеряется в джоулях, как и сама работа.
Т-50. Единица мощности — ватт (Вт). Если кто-либо предложит вам электрический генератор и сообщит, что, накопив заряды на электродах, генератор может выполнить работу в 1 джоуль, то этой информации будет совершенно недостаточно, чтобы оценить предложение. За сколько времени генератор выдаёт этот джоуль? Если за секунду — неплохо, если за сотую долю секунды — ещё лучше, это значит, что генератор работает энергичнее, он быстрее поставляет заряды в электрическую цепь и может обеспечить в итоге более сильный ток. А если 1 джоуль энергии генератор выдаёт за месяц, то, значит, он работает чрезвыч