Ad.: A.Járay - Čo je Energia v skutočnosti, II.

Autor: František Cudziš | 5.12.2018 o 3:11 | (upravené 5.12.2018 o 3:17) Karma článku: 1,73 | Prečítané:  547x

    Pri spoznávaní pravej podstaty energie môže napomôcť štúdium, podľa možnosti čo najširšej škály fyzikálnych aspektov, poodhaľujúcich čo-to z jej vlastností. Pozrime sa teraz na Atwoodov stroj a na Feynmanovu alegóriu o energii.

    Najprv chcem poukázať na jeden dôležitý moment. – O tom, ktorá sa presadí - spomedzi viacerých koexistujúcich síl v nejakej fyzikálnej sústave – nerozhodujú tieto sily samotné, ich prostá existencia, ale to, či aj budú môcť konať prácu, uhrádzanú z reálneho zdroja energie. O tom som pojednával v prvej časti článku, poukazujúc na fyzikálne faktory charakterizujúce silu. [1]

    Atwoodov (pádo)stroj

    Atwoodov pádostroj (pod týmto názvom som sa o ňom učil, tuším, už na strednej škole) pozostáva z dvoch telies o rôznych hmotnostiach, označme ich napr. ako M a N. Telesá sú spojené lankom preveseným cez pevnú kladku. Pre jednoduchosť zanedbajme trenie, kladku považujme za nehmotnú a gravitačné zrýchlenie „g”, v širšej oblasti, za konštantné. [2]

    Nech teleso M je hmotnejšie ako teleso N.

    Potom váha telesa M (M.g) prevyšuje váhu telesa N (N.g); teleso M začne v gravitačnom poli klesať zrýchleným pohybom nižšie, pričom súčasne - pôsobením lana cez kladku - vyťahuje ľahšie teleso N vyššie k nej. Preto teleso M nepadá voľným pádom, so zrýchlením „g”, ale (len) so zrýchlením

    a = g.(M – N)/(M + N)  .

    Pochopiteľne, teleso N stúpa do výšky, bližšie ku kladke, tiež s tým istým zrýchlením.

    Vidíme, že o zrýchlení tohto „preťahovania”  nerozhodujú váhy telies M a N, ale iná sila - sila F, rešpektujúca celkovú energetickú bilanciu deja.

    Teleso M stráca, poklesom v gravitačnom poli (za čas „dt”) o elementárnu dráhu „dh”, potenciálnu energiu M.g.dh a teleso N, súčasne, rovnako rýchlym stúpaním v gravitačnom poli, získava potenciálnu energiu N.g.h. Takto vzniká (za čas „dt”) určitá „voľná” energia, a to v množstve (M –N).g.dh, ktorá sa mení na kinetickú energiu. Túto premenu formy (časti) energie sústavy telies M a N zabezpečí (narušením jej energetickej rovnováhy, napr. oproti stavu pri zablokovanej kladke) indukovaná sila F, ktorej úlohou je okamžite prerozdeľovať vznikajúcu „voľnú”energiu (M – N).g.dh medzi obidve telesá M a N.

    Elementárna práca sily F (v kinetickej forme) sa musí presne rovnať vznikajúcemu elementárnemu množstvu „voľnej” energie (v potenciálnej forme). Platí:

    F.dh  =  (M + N).a.dh  =  (M – N).g.dh  ,

teda

    (M + N).a  =  (M – N).g ,

alebo

    a = g.(M – N)/(M + N)  .

    Zrýchlenie „a” je vždy menšie než „g”. Ak by boli hmotnosti M a N rovnaké, nebol by reálny dôvod na pohyb súčastí Atwoodovho (pádo)stroja, pretože by nemohlo dochádzať k vzniku „voľnej” energie, ktorú by bolo možné (súčasne so zmenou jej formy) prerozdeľovať. 

    Výberom rôznych kombinácií hmotností telies však možno generovať rôzne hodnoty zrýchlenia „a” z intervalu (0 a g).

    Feynmanova alegória o energii

     A teraz si pripomeňme Feynmanov názor na otázku, čo je energia. [3] Citujem:

    » Existuje skutočnosť alebo zákon , ktorým sa riadia všetky prírodné javy. Vieme, že tento zákon je presný a neexistuje z nneho výnimka. Je to zákon zachovania energie. Tvrdí, že existuje veličina nazývaná energiou, ktorá sa nemení v priebehu mnohorakých zmien, ktoré podstupuje príroda. To je veľmi abstraktná myšlienka, veď ide o MATEMATICKÝ PRINCÍP: hovorí o existencii číselnej veličiny, ktorá sa v priebehu procesov nemení. Nie je to opis mechanizmu, ani niečo konkrétne; je to iba DIVNÁ SKUTOČNOSŤ, keď po skončení pozorovania prírody prechádzajúcej rôznymi premenami, dostali by sme výpočtom to isté číslo, ako pred premenami. (Niečo ako strelec na čiernom poli, ktorý po určitom počte krokov – ktoré detailne nepoznáme – nachádza sa stále na čiernom poli. To je zákon tejto hry.) Keďže ide o abstraktnú myšlienku, ilustrujeme jej zmysel na analógii:

    Predstavme si dieťa, napríklad „Ička Šibalského”, ktorý má kocky. Sú nezničiteľné, nedajú sa ani rozdeliť na časti a všetky sú rovnaké. Predpokladajme, že Ičko má 28 kociek. Matka ho ráno nechá aj s 28 kockami v izbe a každý večer zo zvedavosti starostlivo spočíta všetky kocky. Tak objaví fenomenálnu zákonitosť – bez zreteľa na to, čo chlapec s kockami robil, zostane vždy 28 kociek. Takáto situácia sa opakuje niekoľko dní, až raz zostane iba 27 kociek. Krátke hľadanie však ukáže, že jedna kocka je pod kobercom, že sa počet kociek nezmenil. Jedného d)a sa však počet kociek zmenil – zostalo ich iba 26. Starostlivý prieskum, ktorý matka urobila, však ukázal, že bolo otvorené okno a ním sa dostali dve kocky von. Jedného dňa však napočítala 30 kociek, čo vyvolalo značné prekvapenie. Potom si však matka uvedomila, že Ičko mal na návšteve priateľa, ktorý si so sebou priniesol svoje kocky a niekoľko z nich si u Ička zabudol. Keď matka vrátila prebytočné kocky, zatvorila okno a neprichádzali priatelia, opäť bolo všetko v poriadku, až raz pri počítaní zistila, že je len 25 kociek. V izbe bola škatuľa na hračky a hoci matka chcela do nej nahliadnuť, chlapec naliehal a nechcel to dovoliť. Matka však bola veľmi zvedavá a dosť vynaliezavá, a preto si vymyslela trik. Vedela, že každá kocka má 10 dag, a tak odvážila škatuľu, keď bolo všetkých 28 kociek vonku. Zistila, že váži 50 dag, a preto pri ďalšej kontrole kociek odvážila opäť škatuľu, odpočítala 50 dag a delila desiatimi. Tak objavila zákonitosť

(počet kociek vonku) + [(tiaž škatule) – 50 dag]/10 dag  =  konštanta        (4.1)

    Neskôr sa objavili nové odchýlky, ale ukázalo sa, že špinavá voda vo vani zmenila svoju hladinu. Dieťa hádzalo kocky do vody a matka ich tam nemohla vidieť, lebo voda bola špinavá. Pridaním ďalšieho člena do vzorca však zistila, koľko kociek je vo vode. Keďže pôvodná výška vody bola 15 cm a každá kocka dvíhala hladinu o 0,5 cm, nový vzorec má tvar  

(počet kociek vonku) + [(tiaž škatule) – 50 dag]/10 dag  +

+ [(výška vody) – 15 cm]/0,5 cm  =  konštanta        (4.2)

    Pri postupnom narastaní zložitosti jej sveta našla matka celý rad členov zodpovedajúcich počtu kociek nachádzajúcich sa na miestach, do ktorých nesmela nahliadnuť. Tak našla úplný vzorec pre veličinu, ktorú treba vypočítať a ktorá v podmienkach jej sveta zostáva stála.

    V čom sa podobá tento príklad zákonu zachovania energie? Musíme urobiť jednu vážnu abstrakciu spočívajúcu V ODMYSLENÍ SI samotných kociek. Ak odstránime prvé členy v (4.1) a (4.2), zistíme, že počítame VIAC-MENEJ abstraktné veci. Podobnosť spočíva predovšetkým v tom, že keď počítame energiu, dostávame sa do situácie, že niekedy časť energie odchádza ZO SYSTÉMU a niekedy zas DO SYSTÉMU prichádza. Aby sme overili zákon zachovania energie, musíme dávať pozor, aby nič neprišlo ani neodišlo. Ďalej, energia, vyjadrená aj vzorcami, má mnoho rôznych foriem. Sú to: gravitačná energia, kinetická energia, tepelná energia, energia pružnosti, elektrická energia, chemická energia, radiačná energia, jadrová energia, energia viazaná na hmotnosť. Ak sčítame príspevky od jednotlivých energií, súčet sa nezmení, pokiaľ nejaká energia nebude dodaná alebo odobraná.

    Je dôležité uvedomiť si, že súčasná fyzika VLASTNE NEVIE, čo je to energia. Náš obraz nie je taký, v ktorom by energia prichádzala vo forme určitého počtu drobných kvapiek. Tak to nie je! Existujú však vzťahy pre výpočet určitej číselnej veličiny a pri sčítaní všetkých príspevkov dostávame „28” – vždy to isté číslo. Je to abstraktné v tom zmysle, že TO NEHOVORÍ NIČ o MECHANIZME alebo o PRÍČINÁCH vzťahov. « Koniec citovania.

    (Poznámka: zvýraznenia v citovanom texte urobil autor článku.)

    Osobne predpokladám, že ak Richard Phillips Feynman (1918 - 1988), aj dva roky pred svojou smrťou, pripúšťal rozširovať svoje prednášky, obsahujúce také dve závažné tvrdenia – totiž – že 1. „súčasná fyzika vlastne nevie, čo je to energia a 2. že z (matematicky správnych) výpočtov sa vlastne nedozvieme NIČ bližšie o mechanizme fyzikálnych pôsobení ani o príčinách energetických vzťahov, je v dnešnej dobe viac ako otázne uspokojovať sa frázou, že „energia je (len) schopnosť kobnať prácu”.

    Keď už zabŕdol (až) do Feynmana, dovolím si nadviazať na jeho (z jednej strany iste veľmi vydarený a pôsobivý) príklad na tému energia.

    Predstavme si teda, že Ičko Šibalský vyrástol, zanechal detské spôsoby. Už ako u zrelého muža sa uňho prejavili experimentátorské vlohy, zdedené po jeho inteligentnej a zvedavej matke. Vyhadzovanie kociek z okna zamenil za štúdium pohybu horizontálne vystrelených projektilov. Od projektilu, opúšťajúceho hlaveň situovanú päť metrov nad terénom počiatočnou rýchlosťou 1000 m/s, logicky očakával - rátajúc s gravitáciou a s odporom vzduchu - dostrel menší ako jeden kilometer. Od projektilu s počiatočnou rýchlosťou 5000 m/s – znalý faktu, že zakrivenie „vodorovného” terénu na zemského povrchu spôsobuje odchýlku výškového rozdielu od osi hlavne asi 180 cm – očakával dostrel okolo 5 km. A od ešte rýchlejších projektilov náležite väčší dostrel. Už pri „úsťovej” rýchlosti 8000 m/s sa mu však projektil nepodarilo nájsť! Pochopil, že gravitácia Zeme nedokázala stiahnuť tento projektil k zemi podobne, ako tie menej rýchle.

    Prečo sa to stalo? – Pri svojej hmotnosti mal projektil dostatočnú energiu nato, aby vystúpil až nad zemskú atmosféru, do vesmíru, a tam sa (teoreticky) pohybuje po takej dráhe, na ktorej je súčet jeho kinetickej a potenciálnej energie (v gravitačnom poli Zeme) konštantný.

    Prísť však na takú zákonitosť nebolo vonkoncom jednoduché a trvalo to celé storočia postupného poznávania prírodných súvislostí. Nato, aby si ľudia uvedomili reálnu existenciu gravitačného poľa Zeme, bola potrebná genialita Newtona-fyzika i Newtona-matematika. Bolo potrebné poznať rozmery Zeme, experimentálne zmerať hodnotu gravitačného zrýchlenia na zemskom povrchu i správnu hodnotu gravitačnej konštanty, figurujúcu vo všeobecnom gravitačnom zákone. Na základe týchto poznatkov bolo možné určiť hmotnosť Zeme (vyjadriť ju v zavedenej jednotke hmotnosti) a následne aj gravitačný potenciál, v ľubovoľnom bode jej gravitačného poľa.

    Ak má naša Zem hmotnosť M, potom gravitačný potenciál vo vzdialenosti „r” od jej stredu

    Φ(r)  =  - κ.M/r   ,

kde "κ" je všeobecná gravitačná konštanta kappa.

    Kým nebolo možné vyvinúť rýchlosti, ktoré by vyniesli nejaké teleso do kozmu, bolo oprávnené predpokladať i očakávať, že každý predmet vyhodený do výšky vzápätí spadne naspäť na zem. A zrazu sa zistilo, že to nemusí nevyhnutne byť tak, ale že to môže byť aj inak. Je to otázka energie a iných, dovtedy netušených prírodných faktorov a súvislostí medzi nimi.

    Podobne, voľakedy nebol dôvod uvažovať ani o tom, či je atmosferický tlak na všetkých miestach zemského reliéfu (t.j. všade, bez ohľadu na nadmorskú výšku) konštantný alebo či voda vrie všade (znova, bez ohľadu na nadmorskú výšku) pri tej istej teplote.

    Dnes sme v poznaní podstatne ďalej, ale určite ešte nie tak veľmi ďaleko, aby nás už nič podobné (na spôsob uvedených príkladov) nemohlo prekvapiť.

    Pre kozmonautiku vyplýva z teórie potenciálu dôležitý poznatok – existencia tzv. kozmickej rýchlosti. Kozmická rýchlosť je rýchlosť, potrebná na prekonanie gravitačného pôsobenia kozmického telesa. Prvá kozmická rýchlosť je rýchlosť, ktorú potrebuje dosiahnuť teleso zanedbateľnej hmotnosti, aby obiehalo po kruhovej dráhe okolo planéty; uvažujeme hodnotu na úrovni povrchu planéty. Na Zemi je táto rýchlosť 7,9 km/s. Druhá kozmická rýchlosť je minimálna úniková rýchlosť z povrchu planéty. Pre Zem je to približne 11,2 km/s. Tretia kozmická rýchlosť je rýchlosť potrebná k úniku z gravitačného pôsobenia Slnka. K odletu z miest obežnej dráhy Zeme je potrebná rýchlosť 42,1 km/s, dá sa však využiť obežná rýchlosť planéty Zem (29,8 km/s). Potrebná dodatočná rýchlosť tak klesne na 12,4 km/s. Raketa však musí prekonať gravitačné pole Zeme. Tretia kozmická rýchlosť je preto 16,7 km/s pri štarte zo zemského povrchu (tak sa udáva najčastejšie), prípadne 13,8 km/s pre odlet z vyčkávacej dráhy okolo Zeme. [4]

    Pre astronómiu, resp. kozmológiu je veľmi dôležitý iný fyzikálny faktor – tzv. kozmický potenciál. Podľa klasických úvah, majúc mať v nekonečne veľkom a hmotnom vesmíre konštantnú, no nekonečne veľkú hodnotu, vedie k Seeligerovmu paradoxu (Hugo von Seeliger, 1849 – 1924), totiž, že teda aj rýchlosť svetla by mala byť nekonečne veľká. Vie sa však, resp. sa dnes uznáva, že táto rýchlosť nedosahuje ani hodnotu 300 000 km/s.

    O kozmickom potenciáli a Seeligerovom paradoxe pojednáva napríklad aj Július Krempaský, a to v ôsmom dodatku [5], zakončenom slovami: V nekonečnom vesmíre by mal teda kozmický potenciál nekonečne veľkú hodnotu… aj rýchlosť svetla by mala byť v takom vesmíre nekonečne veľká. Keby všetky úvahy v tomto dodatku boli bez výhrady správne, potom by konečnosť svetelnej rýchlosti mala svedčiť v prospech vesmíru s konečnou hmotou. Ako je to naozaj, dnes ešte nevieme povedať.

    Toto je, podľa mňa, vyjadrenie poctivo opatrného vedca.

    Keď si, napríklad v súvislosti s problematikou spomenutých kozmických rýchlostí,  uvedomíme, že všetky boli len vypočítané – na základe určitých predpokladov, ale bez zaručenej istoty, že majú univerzálnu platnosť – môžeme si byť celkom istí, že takto vypočítaná úniková rýchlosť z našej Galaxie by bola naozaj správna?

    Môžeme si byť istí, že Newtonov gravitačný zákon je naozaj všeobecný a že dôsledne platí v každej – aj seba vzdialenejšej – oblasti vesmíru? Nie je takýto (poctivo si priznajme – ničím nezaručený a nijako neoverený) predpoklad výrazom neskutočnej nekritickosti a nadutej pýchy vedcov na doteraz dosiahnuté (ale ani zďaleka nie zavŕšené) úspechy vedy?

    A majúc na zreteli, ako zmyslami vnímame priestor, môžeme si byť istí, že rýchlosť svetla „c” zohráva v prírode naozaj takú úlohu, ako sa predpokladá?

    Ja, ako autor základov teórie kozmodriftu, som si totiž istý, že rýchlosť „c” je len relatívna (lebo ňou sa svetlo šíri len v relatívnom, tzv. pozorovateľnom priestore, a vďaka tomu je to rýchlosť stála) a že šírenie svetla v objektívnom priestore je výrazne anizotropné. Okrem toho, ja sa nemusím čudovať, na spôsob Feynmana, číselným „zákonitostiam” v súvislosti s energiou, pretože som si istý, že energia ako objektívna fyzikálna veličina je nespornou mierou objektívneho pohybu i nevyhnutným predpokladom pre schopnosť síl konať akúkoľvek prácu. Rozumiem súvislostiam medzi jej charakteristickými zložkami, v prípade pohybu hmotných telies s vnútornou látkovou štruktúrou. Chápem tiež úlohu kozmodriftu pri relativistickom správaní hmoty, aj – ako som už napísal v prvej časti článku – pri zmyslovom vnímaní času.     

    Existuje nespočet rôznych fyzikálnych dejov. Všetky sú však hmotnej podstaty a prebiehajú vďaka rôznym formám pohybu, ktorého objektívnou mierou je energia (v zodpovedajúcich formách). To je azda momentálne najvýstižnejšia odpoveď na otázku, čo je vlastne energia.

 

 

 

         Pramene:

 

[1]https://cudzis.blog.sme.sk/c/497477/ad-a-jaray-co-je-energia-v-skutocnosti.html

[2]http://www.gvp.cz/~vinkle/mafynet/Aplety/Slovenske%20aplety/Mechanika/Dynamika/Atwoodov/cd0971.htm

[3] R.P.Feynman – R.B.Leighton –M.Sands: Feynmanove prednášky z fyziky, I.

ALFA, Bratislava 1986 (pre zaujímavosť: 30,-Kčs), str. 71-72

[4] Kozmická rýchlosť

https://sk.wikipedia.org/wiki/Kozmická_rýchlosť

[5]Július Krempaský: Vesmírne metamorfózy, Smena, Bratislava 1989, str. 243 - 246

 

 

 

                Do pozornosti stálym čitateľom mojich článkov:

 

                Vážení priatelia, v poslednej dobe dostávam do svoje e-mailovej schránky cufr@centrum.sk od facebooku zoznamy mien ľudí, ktorí by azda chceli so mnou komunikovať cez facebook. Za všetky ponuky na tento kontakt vám srdečne ďakujem, no (predbežne) zo - subjektívnych dôvodov - nechcem pobývať na facebooku, aj keď ponúka možnosť chatu. Preto každého, kto má záujem o nejaké doplňujúce informácie k mojim myšlienkam, alebo dokonca záujem o nejakú (aj jednorázovú) formu spolupráce so mnou, nateraz odkazujem na uvedený e-mailový kontakt. Dúfam, že vás to neurazí ani neodradí od vašich zámerov v súvislosti so mnou. Ďakujem vám za porozumenie.

Páčil sa Vám tento článok? Pridajte si blogera medzi obľúbených a my Vám pošleme email keď napíše ďalší článok
Pridaj k obľúbeným

Hlavné správy

DOMOV

Majiteľ Slotovej vily robí pre Siekela

Siekel býva v byte Nosáľa, ktorý mu predtým sám predal.

Dobré ráno

Dobré ráno: Slovensko príde o 100 miliónov eur, prečo sa tak stalo

Ministerstvo školstva čelí obvineniu.

DOMOV

Kočnerovi navrhnú sprísniť väzbu, vraj ovplyvňuje vyšetrovanie

Utajený svedok predložil dôkazy proti Kočnerovi.


Už ste čítali?