Читать книгу Движение, время, энергия: Новые взгляды и понимания - Александр Васильев - Страница 5

Начнем размышления с первичной и многое определяющей в нашем мире сущности массы. Здесь мы вспомним, конечно, определение И. Ньютона, по поводу которого можно сказать, что он просто не мог дать более точное, адекватное реальности определение ввиду слабости научных познаний в тот период. Переосмысливая механическое движение с позиций современных знаний, мы можем теперь констатировать, что общенаучную физическую сущность массы надо адекватно (по всеобщим процессам) понимать как потенциал инертности и, соответственно, стационарности вещества (тела, объекта) в пространстве, – на основе фундаментального свойства пространственной стационарности вещества. То есть под величиной массы надо понимать потенциал стационарности рассматриваемого тела.

Из длительной истории развития понятия массы здесь можно привести такую фразу [14, c. 24]:

«Это утверждение в главной части своей, несомненно, справедливо. Кеплер часто утверждает, что в силу „инерции“ материя сопротивляется силе (virtas), стремящейся сдвинуть ее с места, и что происходящее в результате движение регулируется соответственно отношению между этой инерцией и движущей силой. А это в современных терминах означает, что материи приписывается числовой коэффициент, т. е. самое существенное из нашего понятия массы».

Показательно также, что в истории изучения и развития процессов сохранения, связанных с энергией в разных формах использовалось также и понятие потенциала. Например, Г. Гельмгольц использовал его применительно к электрическим и магнитным взаимодействиям [14, c. 96, 97], но не перенес его на механические взаимодействия, – очевидно потому, что понятие силы, «закон сохранения сил» и все связанные с ним понятия уже прочно устоялись в физическом сообществе.

Теперь, исходя из «потенциального» определения массы и рассматривая механическое взаимодействие, мы хорошо видим, что взаимодействующие тела «стремятся» сохранять свое стационарное состояние в пространстве. И в результате взаимодействия (без посторонних возмущений), как известно, изменение относительного движения тел, – по направлению действия «импульса силы», происходит обратно пропорционально их массе, при сохранении общего (суммарного), так называемого «количества движения», – по Ньютону (который представлял массу количеством «корпускул» определенной плотности). Теперь слово «количество» вообще научно не соответствует определению движения, – оно понимается, причем издавна и философски обобщенно (ещё от Энгельса) как процесс (последовательность) изменений. Тем не менее, термин «количество движения» сохраняется в механике (?). В то же время и термин импульс явно не соответствует реальности, то есть наиболее научным видится все же потенциал движения.

Вся «механика» как наука исторически развивалась под определяющим влиянием, можно сказать, чувственного понимания взаимодействий через термины сила, и работа – установленные в научном мышлении естественным образом, через опыты и ощущения «сил» человеком (а в действительности потенциалов движения и стационарности). Исходя из определения массы, мы видим, что «сила» возникает при взаимодействии тел и характеризует их «сопротивляемость» изменению стационарного состояния. Человек чувствует, например, – в общих восприятиях, «силу тяжести» тела, удерживая его в руке, а в действительности – с одной стороны, действие гравитации на тело (устремляющее его к движению в гравитационном поле), и с другой – «сопротивляемость» руки изменению её стационарного состояния в пространстве.

Рассматривая наиболее наглядное кинетическое взаимодействие, – например, на бильярдном столе, можно видеть, что вместо «сил» научно адекватно, думается, использовать термин потенциал движения, как произведение потенциала массы тела на его скорость. Хорошо видно как этот потенциал предстает в процессах преодоления сопротивлений потенциалом действия. То есть эти термины отражают величину потенции движущегося тела действовать на другие тела. Надо заметить, что «сила» – это лишь чувственное восприятие человеком реального потенциала действия.

В Механику естественным образом вошел и термин работа, связывающий результаты механических взаимодействий в естественной природе с человеческими процессами воздействий на неё, с целенаправленными преобразованиями. Он отражает, в сущности, процессы механических преобразований в природе, в человеческой деятельности и обществе, с определенными потенциалами действий и противодействий. Но в общественной жизнедеятельности, в связи с историческим развитием и расширением деятельностей (движений) работой стали называть и все прочие преобразования, на основе общего фактора – наличия сопротивлений на пути преобразований как целенаправленных движений (действий и деятельностей). Различные «работы» в естественной природе, в тех или иных структурах научно рассматривались и рассматриваются (всё более глубоко) с целями количественного изучения, сопоставления и выработки тех или иных закономерностей, общих законов и технологической организации наиболее эффективных преобразований. Что касается слова-термина сила, то его, согласно чувственному восприятию, научно адекватнее использовать лишь в соответствующих литературных описаниях препятствий, сопротивлений движению, чувственных восприятий в преодолении различных препятствий. Читая литературу по истории «механики», особенно Е. Дюринга [10], хорошо видно, какую путаницу и заблуждения внесли чувственные термины «сила» и «живая сила».

То есть в научном плане адекватнее (правильнее) исходить из того, что сохраняются и действуют в нашем мире именно указанные выше потенциалы. Потенциал движения и действия сохраняется и действует, передается другим телам, совершая таким образом «работу» (по аналогии с человеческими целенаправленными движениями) и его можно считать поэтому, в процессе действия, потенциалом мощности, как свойства совершения работы в единицу времени.

Здесь надо вспомнить происхождение термина мощность и осознать общественную практику, в которой все движители характеризуются определенной мощностью. Этот термин появился как производный от работы, от интенсивности ее реализации, то есть выражает количество работы в единицу времени. В тоже время он отражает и способность (свойство) всех движителей (естественных и искусственных) совершать конкретную по величине работу в единицу времени, то есть понятным образом связывает практику общественной жизни с закономерностями естественной механики. Это и обусловило, кстати, широкое использование с некоторых пор «лошадиной силы» в качестве меры мощности. Но выработка «закона сохранения энергии» происходила не на основе научного выражения способности производства работы, передачи действия в единицу времени (понятие мощности в механике ещё отсутствовало), а на основе «сил» и «живых сил», их понимания. К тому же и понимание энергии было и остается, судя по публикациям, чрезмерно широким и, соответственно противоречивым, что совершенно неуместно для науки. Таким образом, видится научно и даже общественно полезным (что будет пояснено ниже) начать новое осознание «законов сохранения» начиная, допустим, от «мощности действия» и переходя к энергии как общей мере интегральной (полной) работы. В действительности существуют и передаются разные движущие потенциалы, импульсы действия, интегрально составляющие работу, а не «формы энергии». То есть, энергию следует понимать однозначно – как интегральную величину в единицах общей меры работы, – как математическую величину, а не физическую. Передача движущих потенциалов (импульсов) действия характеризуется скоростью (интенсивностью), которая определяется мощностью действия, то есть мощностью самого движения тела, действующего на «сопротивляющееся тело». Как уже известно, она определится произведением массы тела на скорость (в современной терминологии «импульсом», – который сразу же видится научно неадекватным в сравнении с мощностью, – при соответствующей ей размерности импульса). Таким образом, при кинетическом взаимодействии действует кинетическая мощность, при тепловом действии – тепловая (соответственно поверхности, среде в передаче тепла), при электромеханическом – электрическая и электромагнитная мощности движителя.

Попытаемся же и далее смело расшатывать консерватизм (инвариантность) сложившегося понимания оснований механики, – с целью согласования ее понятий с практикой человеческой и общественной жизнедеятельности. В этом плане можно привести такой пример из практики общественного производства – пример взаимодействия кузнечного молота и наковальни в процессе ковки какого-либо изделия. В данном примере имеется механическая система, в которую движитель молота (допустим электрический) передает потенциалы движения ему для ударных воздействий на предмет ковки. Эти потенциалы передаются изделию с преодолением его сопротивления (от наковальни) и изменением его формы, с ничтожными изменениями состояния наковальни благодаря её массе. При этом все тепло, от предварительно нагретого изделия и полученное от ударов молота рассеивается во внешнюю среду. То есть мощность движителя молота передаваемая в систему «молот-наковальня» за время совершения работы будет вызывать приращение общей мощности молекулярного движения молота, изделия и наковальни, но с одновременным рассеиванием ее как тепла в окружающую среду. То есть, чем интенсивнее будет ковка, тем меньше будет потеря тепла изделием и быстрее будет достигнута требуемая его форма, не потребуется тратить время и тепло отдельного нагревателя изделия (его тепловую мощность). Но это потребует большего потребления мощности от движителя, то есть от энергосистемы. Таким образом, имеет место оптимизационная задача. Измерение электрической мощности движителя в процессе совершения работы позволит определить суммарную мощность (кВт-час), полученную от энергосистемы, сопоставить ее с мощностью нагревателя изделия и оптимизировать процесс ковки (а отдельно и саму конструкцию ковочного комплекса) таким образом, чтобы минимизировать потребление электроэнергии (как говорится, – а в действительности – мощности от генератора) при допустимом (заданном) времени ковки. Этот пример показывает научно-практическое значение понятий мощности, механического потенциала и тепловой мощности, которые наиболее понятным образом связывают практические задачи оптимизации всех технологических и естественных процессов в обществе с теоретической механикой и прочими разделами науки (по сущности процессов), – без «форм энергии» и их «превращений».

.Вспоминая и когнитивно сжимая великий исторический переход в физике от «сил» к «энергии» и ее «превращениям» с сохранением величины, – связанный, кстати, с необходимостью перехода от векторов сил к скалярным величинам (с целью количественных измерений), он видится теперь «слабо адекватным» реальности (см. «живые силы» Лейбница и пр.) [5; 7]. Научно адекватным был бы, очевидно, первоначальный переход от «сил» к «потенциалу движения», к потенциалу и мощности действия. Но, в тот период устоялось уже понятие «количество движения», а вместо понятия мощность (которое появилось много позже) господствовало в мышлении понятие «живой силы», которое быстро перешло в понятие энергии, – просто по предложению Т. Юнга назвать эту «живую силу» энергией. Соответственно, всем движущимся телам стали приписывать «обладание энергией», в то время как «обладание потенциалом действия», «мощностью» (как свойством, способностью совершать работу) было и остается в понятийном плане (когнитивно) адекватным реальности. Более того, оно соответствует, как теперь хорошо понятно, и математическому выражению работы и энергии – интегралом мощности по времени. Кстати, уже в ту пору «появления энергии» в мышлении о физической реальности употреблялось, иногда, слово «мощь» в количественной оценке движения (оценке массы и скорости ее движения). Современный справочник по физике рассматривает, кстати, только «мощность силы» (?), – в то время как источником «силы» всегда является ее «носитель». То есть понятие мощности научно правильнее связывать не с «силой», а с конкретным действующим объектом (телом) или процессом (тепловым, полевым). Представленные соображения вызывают также вопрос о научной адекватности в механике термина «импульс». Понятно, что он появился на основе анализа ударных взаимодействий и теплового движения, однако научно правильнее, по всей видимости, говорить о действии (с определенной мощностью) потенциала движения, о сохранении общего потенциала в замкнутой системе, а не «импульса».

Хорошими примерами, убеждающими в использовании понятия мощность в качестве общенаучного, являются электрические и электромагнитные процессы, в которых понятие мощности используется изначально. Например, рабочие процессы преобразования электрического тока в тепло или механическое движение (через электромагнитную мощность), работа трансформатора с передачей мощности и прочие процессы. То есть видится научно правильным (адекватным реальности) говорить о видах действий и их мощности, а не о «формах энергии».

Теперь видно, что понятие мощности, будучи связанное со всевозможными движителями, хорошо согласуется (понятным физическим образом) как с естественной механикой, – в которой сохраняется именно движение и его основы, – потенциалы действия, так и с практикой общественной жизнедеятельности, с общественным производством. Но исторический энергетизм в современной Механике, в учебно-просветительской литературе сохраняет постоянно возникающий в анализе взаимодействий вопрос – почему следует считать (по установленному закону сохранения), что тело передало «энергию» другому телу, если то получило в действительности потенциал движения как свойство совершать внешнюю работу, – свойство «движителя», и сохраняет его до следующего взаимодействия. Поэтому в плане просветительства надо рекомендовать всем изучение истории возникновения и развития понятий, определивших законы «сохранения сил» («живых и косных») и «сохранения энергии» [14]. Из этой истории видно, что в действительности ученые выясняли закон сохранения интегрального действия. Выясняли путем измерений работы скрытого теплового или иного (электрического) движения, обладающего мощностью как свойством совершать работу и переходящего от одного тела к другому (от одной механической системы к другой). Надо обратить внимание и на то, что все современные искусственные движители (двигатели, моторы) характеризуются по своему назначению величиной мощности. Эта характеристика имеет место и для генераторов электроэнергии, – как принято говорить, а в действительности, из физики электрического тока и его действия посредством преобразования в механическое действие мы видим, что в действительности генерируется мощность электрического тока, то есть имеет место обратное преобразование – мощности механического действия в мощность электрического действия.

Таким образом, рассмотренные выше понятия, являющиеся вполне обоснованными и научно целесообразными, позволяют оставить, наконец, «формы энергии» и «превращения» их в историческом прошлом, и рассматривать понятия наиболее адекватные реальности, а главное связывающие естественные процессы физической реальности с общественными процессами, со всем множеством преобразующих процессов называемых в совокупности «общественным производством». Они распространяют и легко трансформируют наши представления о сущности механических взаимодействий во все прочие сферы движения, не только в биофизические (организменные), но и в социальные, социотехнические. При этом, изучая историю использования понятий сил, сохранения сил и энергии, становится хорошо видно, что сохраняется в физической реальности (в замкнутой системе) общий потенциал движения, действия и мощности, – а энергия «сохраняется» не как физическая субстанция (в «различных формах»), а «сохраняется» как интегральная (математическая) величина в «энергетическом» описании замкнутой системы, – как возможная полная работа её на другие системы. Интегральное действие того или иного вида, той или иной формы воспринимается, конечно, человеком количественно теми или иными органами (системами), поэтому, очевидно, и возникает иллюзия реального существования энергии, невидимой человеком в ее сущности. То есть надо ещё раз отметить, что исторический переход в механике от «сохранения сил» сразу же к «сохранению энергии» видится теперь, можно сказать, основой последующих в истории заблуждений, – обусловленных, кроме прочего, и многозначностью слова энергия. В тот период очень быстро возникло понимание её именно в качестве какой-то скрытой ранее субстанции. Оно сохраняется, к сожалению и удивлению (при современном общенаучном развитии), до сих пор.

Каким же образом определить её все-таки обобщенно, с понятийной пользой для общества, для повышения, прежде всего, его энергетической организованности (уменьшения энтропии)? Этот вопрос является, на взгляд автора, актуальным ввиду большой энерговооруженности современного общества, актуальным для всего научно-философского сообщества. В этом плане можно предложить пока сделанные выше и следующие краткие соображения.

Во-первых, понятие энергии в обществе должно основываться на реальной его механике, то есть на реальных процессах механических преобразований во всеобщем созидающем, сохраняющем и развивающем движении.

Во-вторых, оно должно быть хорошо понятным через практику жизни каждого человека, через общественную практику и её историю, то есть общественно целесообразным для общего образования молодых поколений.

И в-третьих, должно обеспечивать наиболее эффективный и производительный во времени и относительно затрат ресурсов целенаправленный труд, как всеобщее комплексное движение в формах деятельности по скорейшему достижению высших целей общества и надежному сохранению достигнутых параметров состояния относительно окружающего мира.

Такое определение может быть сделано, думается, только на основе глубокого и широкого понимания мощности, отражающей количественные моменты всех видов (форм) движения и взаимодействий в нашем мире, и следовательно понимания «места энергии» во всем естествознании. Переход к научному анализу движений (как процессов изменений) и взаимодействий через общенаучные понятия потенциала, потенциала движения, – действия и мощности уже не составляет, в принципе, большого труда, поскольку необходимые научно-практические основы уже имеются. Думается, отсутствие мощности в Механике (кроме краткого рассмотрения «мощности силы» в справочнике) и во многих других разделах Физики, в естествознании обусловлено господством «сил» и энергии в формировании и становлении Механики, и ее научно-политической консервацией, господством «марксистско-ленинской диалектики» в СССР.

Подкрепим предварительный вывод дополнительными соображениями. Вспоминаются высказывания Аристотеля о том, что любая вещь имеет определенную потенцию. Теперь надо добавить – прежде всего, потенцию действия на другие (вещи, объекты, окружающие среды), величина которого отражается нами понятиями потенциала и мощности (того или иного вида), а по результату действий и понятиями работы, энергии. Слово «энергия», после введения его Т. Юнгом, стало использоваться для обозначения общей меры механического действия, стало всеобщим термином и понятием Механики [15, c. 221]: «Наряду с количеством движения Юнг пользуется понятием живой силы и именует эту величину энергией движущегося тела. Он говорит, что действие движущегося тела на преодолеваемые им препятствия… пропорционально квадрату скорости».

Но величину потенции объекта, – как свойства воздействовать на другие, рационально отражать в науке все же не энергией, а общенаучным термином потенциал (действия), что уже реализовано отчасти в некоторых разделах Физики, но не произошло в Механике, – по причине особого исторического развития её понятий, – начиная от чувственного слова-термина «сила» и научно необдуманного добавления к силам и закону их сохранения (Г. Гельмгольц) энергии (с подачи Т. Юнга), – вместо, можно сказать, научно адекватного и логичного внедрения понятий: потенциала, – движения и – действия (с «уходом от действия сил»).

Б. Г. Кузнецов отмечает также (с. 222):

«На всем протяжении развития идеи живой силы и ее сохранения, от Лейбница до д'Аламбера, продолжалась дискуссия о том, какая величина – живая сила mv² или – картезианская мера mv должна считаться мерой движения. Д'Аламбер высказал некоторые соображения о применимости обеих мер. Но вопрос не был решен. Действительное соотношение между сохранением mv и сохранением mv² в последнем счете связано с соотношением свойств пространства, – с одной стороны, и свойств времени – с другой» (? – из истории видно, что поскольку mv это векторная величина, то был осуществлен переход к скалярной величине mv² (Лейбниц), а затем к интегральной – mv²/2, – А.В.).

Таким образом, можно сделать такой вывод: понятия потенциал действия и мощность, будучи научно адекватными реальности, ограничивают употребление слова-термина энергия (так же научно адекватным образом, по этимологии) местом общей (математической) меры интегральных действий, отражаемых понятием работы и известными математическими выражениями ее для разных видов действий. Отсюда следует, что «энергию» вообще нельзя приписывать телу («тело обладает…»). То есть можно говорить лишь о возможной энергии действия тела (в единицах общей меры). Таким образом, можно сделать и такой вывод: вместе с заменой «живых сил» энергией (с подачи Т. Юнга) возникли и до сих пор сохраняются вопросы об адекватности и научности «форм энергии», их «переходов» в другие «формы», вопрос «потенциальной энергии» и главный вопрос – о самом «сохранении энергии». Что же сохраняется в действительности, если энергия выражается интегральной математической величиной так называемой работы, в единицах общей меры? Адекватными реальности, несомненно, являются «виды» и «потенциалы» действий, их «сохранение» основанное на фундаментальном законе сохранения массы, стационарности ее движения в форме вещественных тел, и на других фундаментальных законах. Надо заметить, что понятие потенциала пришло в анализ механики позже, когда «силы» и «формы энергии» прочно укрепились в ней и соответственно в мышлении исследователей.

В этом плане полезно привести следующие фрагменты из указанного выше исследования Б. Г. Кузнецова. Он отмечает, например (с. 246, 247):

«Гельмгольц, мыслитель, стремившийся свести физические процессы к их механическому субстрату, понимавший принцип наименьшего действия в чисто механическом смысле, в 1886 г. систематически применял этот принцип к проблемам механики, термодинамики и электродинамики. Он ввел понятие кинетического потенциала, способствовавшее обобщению физической интерпретации принципа. Кинетический потенциал – это величина, из которой можно получить действие путем интегрирования по времени. Эта

величина фигурировала в различных областях физики без какой-либо механической интерпретации. В трудах Гельмгольца кинетический потенциал трактовался не как производная величина – разность между кинетической и потенциальной энергией, а как исходная величина. Это было важным шагом для перехода к немеханическому пониманию принципа наименьшего действия, так как кинетический потенциал может отличаться от механического понятия разности Т-U. Вне механики, где различие между кинетической и потенциальной энергией теряет непосредственный смысл, кинетический потенциал нельзя получить однозначным образом при заданной энергии. Поэтому самостоятельный характер понятия кинетического потенциала позволяет сделать принцип наименьшего действия универсальным принципом физики обратимых процессов, не сводя ее законы к законам механики, иными словами, позволяет трактовать указанный принцип уже не как механический» (подч. – А.В.). То есть кинетический потенциал можно понимать как потенциал возможного действия и относить его к свободному движению тела, а потенциал действия – к взаимодействию тел, к процессу переноса потенциала, к совершению работы.

Видится полезным рассмотреть и следующий фрагмент в рассмотрении Б. Г. Кузнецовым рассуждений Г. Гельмгольца (с. 246, 247):

«Потенциальная энергия равна mgx, т. е. произведению веса на высоту подъема тяжелого тела. Сумма кинетической и потенциальной энергии Е неизменна, она называется полной механической энергией тела. Неизменность этой суммы можно сформулировать как закон сохранения энергии. Если в данной системе движущихся тел отсутствуют всякие внешние воздействия и механическая энергия не превращается в другой вид энергии, то энергия системы не меняется: она всегда остается равной сумме кинетической энергии, зависящей от скоростей тел, и потенциальной энергии, зависящей от положения этих тел. Там, где между точками действуют силы притяжения и отталкивания, всякая потеря потенциальной энергии («силы напряжения») компенсируется приростом живых сил. «Во всех случаях движения свободных материальных точек под влиянием их притягательных и отталкивательных сил, интенсивность которых зависит только от расстояния, говорит Гельмгольц, – потеря в количестве силы напряжения всегда равна приращению живой силы, а приращение первой – потере второй. Следовательно, сумма всех живых сил и сил напряжения является всегда величиной постоянной» ²⁹ (²⁹ Н. Не1mhо1tz. UЬer die Erhaltung der Кraft. Leipzig, 1907, s. 14.).

Понятие силы напряжения, т. е. потенциальной энергии, – это еще один шаг эволюции предельных понятий Механики».

Здесь надо, однако, возразить Гельмгольцу (сожалея, что Б. Г. Кузнецов и другие исследователи, – «в свете современной науки», согласились с ним и продлили «существование потенциальной энергии»). Вещественные тела находятся под действием гравитационного поля Земли, как на ее поверхности, так и на некоторой высоте, причем на поверхности это действие максимальное. Опыт с маятником показывает, что тело, всегда находится под действием гравитационного тяготения (напряжения – по Гельмгольцу), пропорционального его массе (здесь, в плане напряжения, вполне уместна физическая аналогия с электрическим зарядом в электрическом поле). Так что надо говорить о потенциале тяготения (напряжения), – действующем из поля на тело груза, и кинетическом потенциале (следуя Гельмгольцу), или потенциале мощности (действия), который тело набирает при движении вниз и теряет при подъеме (кстати, Б. Г. Кузнецов в разделе о гравитационных взаимодействиях как раз и отмечает такое современное понятие как «потенциал тяготения» или «гравитационный потенциал»). Если в нижней точке маятника поставить преграду движению груза, то по результату удара можно вычислить (через какой-либо эталон) величину энергии, соответствующей потенциалу действия груза в этой точке, – а не «энергии груза».

Тема энергии, ее появления и научно-исторического развития как понятия всего естествознания, и особенно современного ее понимания, несомненно, требует отдельного рассмотрения и обсуждения в профессиональном научно-философском сообществе. Думается, сделанные автором краткие замечания и предложения вызовут определенную активацию в этом плане.