Из собственного опыта мы знаем, что способность человека выполнять физическую работу ограничена. Почему? Потому, что ограничен запас энергии, за счет которой живет и действует любой живой организм.
Энергия — это то «таинственное» качество живого организма, которое позволяет ему выполнять механическую работу. Но ведь механическую работу может производить машина! Значит, она тоже обладает таким «таинственным» качеством?!
Энергия — привычное теперь слово. Однако если вы без специальной подготовки попробуете объяснить, что оно означает, то вам это удастся сделать только очень приблизительно, по-общежитейски. Но даже для первой прогулки в мир автоматов такого интуитивного приблизительного знания недостаточно. Ведь вся история техники, прошлая и настоящая, — это в значительной мере история борьбы за энергию, многие машины — результат этой борьбы.
Хочешь не хочешь, придется нашу прогулку начать «от печки», с повторения того, что большинством из вас прочно забыто.
Так что ж такое энергия? Откуда и как ее черпают живые существа и машины?
Средневековый воин, согнувшись под тяжестью камня, тащит его на верхушку башни, чтобы в подходящий момент сбросить на головы непрошеных гостей. Чтобы поднять камень наверх, надо затратить энергию. Но вот камень уже наверху, положен на край парапета башни, и человек отошел в сторону. Куда исчезла та энергия, которую он израсходовал, неся вверх тяжелую глыбу? Она никуда не исчезла, она только скрылась, изменила спою форму и уже готова к новым измерениям. Величина этой скрытой, или, как ее называют, потенциальной, энергии увеличивалась по мере того, как человек вносил камень по лестнице башни. Каждый килограммометр энергии, который он тратил на подъем, невидимкой оседал в форме накапливающейся в камне потенциальной энергии. Подножие башни и ее верхушка находятся на разных уровнях, и в точном соответствии с изменением уровня изменяется потенциальная энергия камня. А теперь столкнем камень с парапета. Он падает, и накопленная в нем энергия постепенно начинает принимать новое обличье.
Любое движущееся тело, живое или неживое, обладает энергией тем большей, чем больше скорость его движения. Эту энергию — энергию движения — называют кинетической энергией. По мере того как камень падает вниз с башни, скорость его растет. Потенциальная энергия камня убывает, зато возрастает его кинетическая энергия.
Нет ни одной машины, которая в процессе работы не двигалась бы целиком или не имела бы движущихся частей. Все действия, которые мы совершаем, работая, разговаривая, даже дыша и размышляя, сопровождаются движениями. Чтобы машина или живое существо могли двигаться, совершать работу, им нужна энергия движения — механическая энергия.
Мы сами и весь мир вокруг нас состоим из мельчайших частиц — атомов различных химических элементов. Атом каждого элемента состоит из ядра, окруженного тем или иным количеством электронов. Они вращаются вокруг ядра примерно так же, как планеты вращаются вокруг Солнца.
Много примеров придумывают, чтобы дать представление о размерах атома. Вот еще один. Вообразите себе самую малую песчинку. Если атомы, из которых она состоит, разделить поровну между 8 миллионами москвичей, то, чтобы сосчитать свою долю, каждому из них придется затратить 50 лет, занимаясь счетом круглые сутки.
Самое удивительное, что, как ни мал атом, он больше похож на «ничто», чем на «что-то». Если мысленно увеличить атом до размеров, например, Большого театра, то ядро будет выглядеть не больше, чем песчинка, а электроны вообще не будут видны. И вместе с тем движутся электроны по своим орбитам с гигантской скоростью, достигающей 35 тысяч километров в секунду. В миллионные доли секунды они успевают миллиарды раз обернуться вокруг ядра.
Между ядром и электронами постоянно действуют электрические силы, которые притягивают каждый из электронов к ядру. Электрон, находящийся под действием этой силы, как камень, находящийся под действием силы тяжести, обладает некоторым запасом скрытой энергии. И величина этой энергии, так же как величина потенциальной энергии камня, зависит от положения, которое занимает электрон.
Различным положениям электрона соответствуют различные уровни энергии, и, когда он переходит с более высокого уровня на более низкий, часть энергии освобождается.
Примерно такую картину можно себе представить, когда, например, атомы углерода угля или дерева начинают взаимодействовать с атомами кислорода воздуха. Процесс такого взаимодействия называют горением, а освобождающаяся при этом процессе энергия принимает форму тепла, или тепловой энергии. А скрытую энергию, которой обладали электроны до того, как начался процесс горения, называют химической энергией. Значит, любой горючий материал: уголь, дрова, нефть, бензин — является резервуаром химической энергии.