Наука – часть общечеловеческой культуры

Введение

Инновации –

это перенос фундаментального знания

посредством прикладных технологий

в технологии производственные.

С. Витте

Дисциплина «Научные основы инновационных технологий» (НОИТ) входит в цикл математических и естественнонаучных дисциплин, изучаемых студентами направления «Менеджмент», профиль подготовки «Производственный менеджмент».

Основной целью изучения данной дисциплины является содействие становлению профессиональной компетентности бакалавра.

Задачи изучения дисциплины:

1. Формирование общекультурных компетенций, развитие культуры мышления, становление научного мировоззрения.

2. Изучение основных явлений и идей фундаментальных наук, овладение основными понятиями, законами и теориями классической и современной физики; химии и биологии.

3. Формирование профессиональных компетенций путем изучения методологии современного естествознания, ознакомления с перспективными инновационными технологиями и их запросами.

В результате изучения дисциплины студент должен

Знать: естественнонаучные основы современных технологий: научные методы познания природы, основные принципы механики, законы сохранения, физические поля, электрические и магнитные свойства веществ, оптические явления, колебания и волны, строение атома и атомного ядра, элементы современной химии и биотехнологии, равновесной и неравновесной термодинамики, синергетики;

Уметь: сопоставлять современные научные знания с запросами перспективных инновационных технологий;

Владеть: базовыми научными знаниями, необходимыми для практического применения в области современных инновационных технологий.

На первый взгляд может показаться, что естествознание, лежащее в основе современных наукоемких технологий, – ненужный груз для специалистов управления, экономики, руководителей предприятий и других подобного рода специалистов. Однако в настоящее время наука и, в первую очередь, естествознание, стало непосредственной производительной силой, а производство приобрело наукоемкий характер. Естественнонаучные разработки, внедренные в производство, приносят большую прибыль и становятся фактором конкуренции. Знания материальной сущности товаров, новейших технологий становятся неотъемлемой частью средств управления и деловой активности.

В наши дни поток нововведений резко возрос, продолжительность жизненного цикла массовой продукции сократилась до нескольких лет и даже месяцев. Скорость внедрения научных разработок становится определяющей силой конкуренции. Однако зачастую менеджеры недостаточно глубоко понимают естественнонаучные идеи и методы, на которых базируются новшества. Это тормозит внедрение инноваций, лишает руководителя возможности смело и эффективно управлять производством. Знание общих, наиболее фундаментальных законов, которым подчиняется окружающий нас мир, понимание связей между явлениями и законами, их описывающими, формирует у людей широкий кругозор, способность адаптироваться к любой ситуации. Чтобы вести активную трудовую деятельность в первой половине XXI века, отвечать на вызовы формирующихся новых общественных потребностей, быть успешным, выпускник вуза должен обладать достаточными естественнонаучными знаниями.

В 2006 году лидеры стран восьмерки подписали в Санкт-Петербурге документ «Образование для инновационных обществ XXI века». В нем объявлена совместная цель ведущих стран – формирование глобального инновационного общества. Главный приоритет – инновационная активность и деятельность от осознания потребности до продвижения полезных нововведений (инноваций) на рынок. Инновационное общество должно готовить граждан жить в условиях быстрых перемен и соответствовать потребностям глобальной экономики, основанной на знаниях. В документе говорится: «Мы будем добиваться внедрения высоких стандартов образования в области математики, естественных наук и инженерии, которые должны стать прочной основой глобального инновационного общества».

В экономике этого «общества знаний» главным капиталом становится человеческий капитал – объем знаний и уровень образования. Способность учиться становится определяющим фактором конкурентоспособности индивидуума и организаций. Изучение основ естествознания как нельзя лучше способствует развитию познавательной активности личности. Знакомство с методологией современного естествознания формирует главную компетенцию любого специалиста: способность к системному мышлению.

Необходимость знакомства с современными технологиями и их теоретической основой – естествознанием обусловлена и экологической целесообразностью. Активное вмешательство человека в природу, интенсивное техногенное развитие может привести человечество к экологическому кризису, поставить его на грань катастрофы. Эффективная охрана природы и рациональное природопользование возможно только на естественнонаучной основе.

Учебное пособие по курсу «Научные основы инновационных технологий» предназначено для студентов очной и заочной форм обучения. Пособие призвано помочь студенту усвоить основные положения современного естествознания, познакомиться с его методологией и позиционировать естествознание как основу инновационных технологий. Освоение дисциплины НОИТ способствует формированию следующих общекультурных (ОК) и профессиональных компетенций (ПК) бакалавра:

§ знание и понимание законов развития природы, общества и мышления и умение оперировать этими знаниями в профессиональной деятельности (ОК-2);

§ владение методами количественного анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-15);

§ готовность участвовать во внедрении технологических и продуктовых инноваций (ПК-21).

 

 

Модуль 1 Научные методы познания природы

Характерные черты современной науки.

Развитие естествознания и технологий

 

Научные революции

Научное знание не является раз и навсегда данным феноменом, объем и содержание его постоянно меняются, происходит появление новых гипотез, теорий и отказ от старых. Каков механизм развития научного знания, как соотносятся в науке старое и новое, какие существуют модели развития науки?

Долгое время господствующей моделью развития научного знания была кумулятивистская, тесно связанная с философией позитивизма. Эта модель строится на идее, что каждый последующий шаг в науке можно сделать, лишь опираясь на предыдущие достижения, поэтому новое научное знание всегда лучше и совершеннее старого, более точно отражает действительность. Предшествующее развитие науки является лишь подготовкой ее современного состояния. Значение имеют только те элементы научного знания, которые соответствуют современным теориям; отвергнутые идеи, признаваясь ошибочными, являются не более чем недоразумениями, заблуждениями, отклонениями от магистрального пути развития науки.

В связи с общим кризисом позитивизма в середине XX века в науку проникают идеи прерывности развития, особенности, уникальности отдельных периодов в развитии научного знания. Эти идеи четко формулируются в модели научных революций. Согласно этой модели научного познания развитие естествознания не является монотонным процессом количественного накопления знаний об окружающем мире. В развитии науки имеются переломные этапы, кризисы, выход на качественно новый уровень знаний, радикально меняющий прежнее видение мира. Эти переломные этапы получили название научных революций. Представление о научной революции имело место и у сторонников эволюционизма, но они понимали научную революцию лишь как ускоренное эволюционное развитие. Новая трактовка научной революции основывается на идее абсолютной прерывности хода развития научного знания. В знаменитой работе “Структура научных революций” Т. Кун ввел понятие парадигмы. Парадигма – признанные всеми научные достижения, способ организации научного знания, которые в течение определенного времени дают научному сообществу определенное видение мира, модель постановки проблем и их решения. Переход от одной парадигмы к другой происходит в ходе научных революций. В ходе революции парадигма возникает сразу как целое, в своей завершенной и совершенной форме, она не требует сколько-нибудь существенной доработки, идет лишь уточнение понятий, совершенствование техники эксперимента. К новому изменению парадигмы приведут только те аномалии, которые являются свидетельством действительного кризиса науки. При этом недостаточно осознания кризисной ситуации, исчерпания всех средств, представленных старой парадигмой. Отказ от нее происходит, только если у нее есть альтернатива.

Идея научных революций представляет развитие научного знания как абсолютно прерывистое. Вся прошлая история рассматривается как постепенное, прогрессивное движение в сторону современной теории, являющейся на сегодняшний день кульминацией, вершиной всей предыдущей истории. Наступает революция, возникает новая фундаментальная теория и происходит новая радикальная ломка прошлого, которое перестраивается как предыстория новой теории. Каждая научная теория влечет за собой разрушение прошлого и построение истории заново.

Таким образом, научная революция – это специфическое явление, возникающее только в определенные периоды развития науки как средство разрешения ее внутренних противоречий, изменения ее содержания.

В историческом развитии научного познания можно выделить несколько типов научных революций: частная – микрореволюция, затрагивающая одну область знания; комплексная – революция, затрагивающая ряд областей знания; глобальная – всеобщая революция, радикально меняющая основания науки.

Первую научную революцию обычно относят к XV-XVI вв. – эпохе, оставившей глубокий след в культурной истории человечества. Этот период ознаменовал переход от Средневековья к Новому времени и назван эпохой Возрождения. Характерными приметами этого времени были возрождение культурных ценностей античности, расцвет искусства, утверждение идей гуманизма. Радикальное изменение миропонимания, произошедшее в эпоху Возрождения, связано в первую очередь с появлением гелиоцентрической системы мира Николая Коперника и учением о множественности миров Джордано Бруно.

Вторая научная революция пришлась на XVII-XVIII вв. и связана с именами Г. Галилея, И. Кеплера, И. Ньютона, Р. Декарта и др. Основы нового механистического естествознания были заложены в трудах Галилея, сформулировавшего принцип инерции, исследовавшего свободное падение тел и оценившего высокую значимость опытного знания. Важную роль в истории естествознания сыграл немецкий математик и астроном И. Кеплер, установивший на основании обобщения астрономических наблюдений три закона движения планет Солнечной системы. Величайший ученый всех времен И. Ньютон обессмертил свое имя открытиями в различных областях знания и, в первую очередь, открытием и математическим описанием законов механического движения и всемирного тяготения. Была создана механистическая картина мира, согласно которой Вселенная была вечной и неизменной, а все явления сводились к перемещению тел в пространстве и во времени и были жестко детерминированы законами механики.

В середине XIX в. произошло несколько комплексных научных революций одновременно. Особое значение имели открытия закона сохранения и превращения энергии (Ю.Р. Майер и Дж.П. Джоуль), клеточного строения живой материи (М.Я. Шлейден и Т. Шванн), периодической системы химических элементов (Д.И. Менделеев), создание эволюционного учения (Ч. Дарвин) и электромагнитной теории света (Дж.К. Максвелл). Сущность этих революций заключалась в диалектизации естествознания, т.е. рассмотрении предметов и явлений в процессе развития и во взаимной связи.

Глобальная научная революция начала XX века связана с пересмотром исходных представлений о пространстве и времени и созданием специальной и общей теории относительности, крушением механистической модели мира и созданием квантовой механики.

К середине XX в. относят начало глобальной научно-технической революции, знаменующей коренное, качественное преобразование производительных сил общества и небывалое ускорение научно-технического прогресса на основе быстрой реализации достижений науки во всех сферах человеческой деятельности. Сама научная деятельность в настоящее время тесно связана с революцией в средствах хранения и получения информации. Объектами современного научного познания становятся уникальные системы, характеризующиеся открытостью и самоорганизацией.

 

Естествознание и технологии

Под технологиями понимаются совокупности методов, способов и приемов получения, обработки или переработки сырья с целью приготовления продукции. В то же время технология – научная дисциплина, изучающая различные связи и закономерности, действующие в технологических процессах. Технологией называются также сами операции добычи, обработки, транспортировки, хранения, контроля, являющиеся частью общего производственного процесса.

Основой технологий является естественнонаучное знание. Уже с самых древних времен люди стремились познать законы окружающего мира и обратить их понимание для своей пользы в различных видах деятельности. Много тысяч лет назад в Египте было сделано одно из важнейших изобретений человечества – колесо. Древние египтяне уже многое умели – они строили величественные храмы, огромные пирамиды, занимались ирригационными сооружениями, землеустройством, сельским хозяйством, умели строить большие папирусные лодки для плавания по Нилу и Средиземному морю. Египетские жрецы занимались астрономией, умели предсказывать солнечные затмения. Примерно в третьем веке до нашей эры были канонизированы семь чудес света – великие памятники искусства, архитектуры, строительства. Чудеса света – великолепные инженерные сооружения, при их создании применялись технологии, о сущности которых ученые спорят до сих пор.

Естествознание и технологии всегда находились в тесной взаимосвязи, но характер их влияния друг друга периодически менялся.

Многие века научные результаты вытекали из потребностей общества и развития техники, создание и усовершенствование орудий труда и техники стимулировали развитие науки. В XIX–XX веках положение изменилось: интенсивное развитие науки стимулировало создание новых отраслей техники. Примерно полтора столетия (1850-1990) наука опережала развитие промышленности. В этот период развитие шло по схеме технологического толчка «научное открытие – технология – новый товар».

В настоящее время ситуация изменилась, человечество возвращается к изначально действовавшей схеме вызова спроса «потребность общества – необходимые знания – технология – новый товар». Поворот экономики в последние десятилетия к инновациям, основанным на интегрирующем использовании накопленных человечеством знаний, является реакцией на предельно насущные конкретные потребности общества, а не на потребность применения («внедрения») новых научных открытий.

В наши дни, с накоплением знаний и необходимостью хозяйствования в условиях ограниченных ресурсов, происходит переход к определению потребностей общества и возникновению принципиально нового сегмента современного хозяйства – инновационной системы, генерирующей возрастающий поток инноваций, отвечающих динамично меняющимся общественным потребностям, и формирующих их.

Современная многообразная техника – плод естествознания. Каждый из нас может привести примеры рожденных естествознанием технологий и пользуется ими. Современные технологии базируются в основном на научных открытиях, сделанных в XX веке. При изучении дисциплины «Научные основы инновационных технологий» большое внимание будет уделяться связи конкретных технологий с естественнонаучными явлениями и законами, лежащими в их основе.

Контрольные вопросы

1 Дайте определение понятию «научная революция». Какие научные революции Вы знаете?

2 Дайте определение понятию «парадигма». Приведите примеры смены парадигм.

2 Охарактеризуйте основные черты современной научной картины мира.

3 Опишите глобальную научно-техническую революцию, начало которой относят к середине прошлого столетия.

4 В чем заключается сущность закономерности экспоненциального развития науки? Почему такое развитие не может продолжаться бесконечно?

5 Почему ХХ век многие ученые называют веком физики? Какие открытия в области физики были сделаны в ХХ веке?

6 Почему ХХI век, возможно, будет веком биологии? На какие открытия в области биологии и медицины может надеяться человечество в ближайшем будущем?

7 Дайте пояснение понятию «технология».

8 Как связаны научные открытия и технологии? Как менялся характер взаимоотношений естествознания и технологий?

9 Приведите примеры известных Вам технологий и явлений, лежащих в их основе.

10 Опишите 7 чудес света как инженерные сооружения. Какие технологии использовались при их создании?

 

Модуль 2 Физические основы инновационных технологий

Механическое движение

Поступательное движение

Рассмотрим движение материальной точки вдоль произвольной кривой (рисунок 2).

Траектория – линия, описываемая материальной точкой при движении в пространстве от точки (1) до точки (2). В зависимости от формы траектории движение бывает прямолинейным или криволинейным.

Рисунок 2 – Определение пути и перемещения

Перемещение – вектор, соединяющий начальную (1) и конечную (2) точки траектории, по которой двигалась материальная точка некоторый промежуток времени.

Путь – сумма длин отрезков траектории от точки (1) до точки (2).

При прямолинейном движении вектор перемещения совпадает с соответствующим участком траектории и модуль перемещения равен пройденному пути Δ s.

Для характеристики движения материальной точки вводится векторная величина – скорость, которая определяет быстроту и направление движения. Модуль скорости равен производной пути по времени:

. (2.1.1)

 

Мгновенная скорость направлена по касательной к траектории. В системе СИ скорость измеряется в м/с.

Физической величиной, характеризующей быстроту изменения скорости по модулю и направлению, является ускорение:

(2.1.2)

 

В системе СИ ускорение измеряется в м/с².

Скорость тела может изменяться как по величине (модулю), так и по направлению. Вектор ускорения принято представлять в виде двух составляющих: тангенциальной и нормальной (рисунок 3).

Тангенциальная составляющая ускорения характеризует быстроту изменения скорости по модулю:

 

. (2.1.3)

 

Тангенциальное ускорение направлено по касательной к траектории параллельно вектору скорости в случае ускоренного движения и в противоположную сторону в случае замедленного.

Нормальная составляющая ускорения характеризует быстроту изменения скорости по направлению. Нормальное ускорение направлено к центру кривизны траектории и численно равно

, (2.1.4)

 

где R - радиус кривизны траектории в данной точке.

 

 

Рисунок 3 – Определение составляющих ускорения

(ускоренное движение)

 

Вектор нормального ускорения и вектор тангенциального ускорения направлены перпендикулярно друг другу. Вектор полного ускорения

 

, , (2.1.5)

Вращательное движение

При вращательном движении твердого тела вокруг неподвижной оси все точки тела описывают окружности разных радиусов, центры которых находятся на оси вращения. Все точки тела движутся с разными линейными скоростями и ускорениями и проходят за одно и то же время разные пути. При этом у гол поворота, угловая скорость и угловое ускорение для всех точек тела оказываются одинаковыми (рисунок 4).

 

 

Рисунок 4 – Вращение тела вокруг неподвижной оси

 

Угловой скоростью называется векторная величина, равная первой производной угла поворота тела по времени:

 

(2.1.6)

 

где j - угол поворота. Направление угловой скорости определяется по правилу правого винта: если направление вращения тела совпадает с направлением вращения правого винта (буравчика), то направление поступательного движения винта совпадает с направление вектора угловой скорости. В СИ угловая скорость измеряется в рад/с.

Угловым ускорением называется векторная величина, равная первой производной угловой скорости по времени:

 

(2.1.7)

 

В системе СИ угловое ускорение измеряется в рад/с².

Направление вектора углового ускорения определяется по следующему правилу: при ускоренном движении направление углового ускорения совпадает по направлению с направлением угловой скорости, а при замедленном движении направление угловой скорости антипараллельно направлению углового ускорения.

 

В определении материи существенны два положения: материя существует объективно, т.е. вне зависимости от чьего бы то ни было сознания или ощущений; материя копируется, отображается нашими ощущениями, следовательно, она познаваема. Материя находится в непрерывном движении, под которым в философии понимается всякое изменение вообще. Движение представляет собой неотъемлемое свойство материи, оно несотворимо и неуничтожимо, как и сама материя. Материя существует и движется в пространстве и во времени, которые являются формами бытия материи.

Свойства пространства

1 Однородност ь – все точки пространства обладают одинаковыми свойствами, нет выделенных точек пространства, параллельный перенос системы координат не изменяет законов природы. Однородность пространства приводит к закону сохранения импульса.

2 Изотропност ь – все направления в пространстве обладают одинаковыми свойствами, нет выделенных направлений; поворот системы координат на любой угол сохраняет неизменными законы природы. Изотропность пространства приводит к закону сохранения момента импульса.

3 Непрерывност ь – между двумя различными точками в пространстве, как бы близко они не находились, всегда есть третья.

4 Трехмерность – каждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел (координат). П. Эренфест доказал теорему, согласно которой сила взаимодействия обратно пропорциональна расстоянию между массами или зарядами в степени (n– 1), где n – размерность пространства. Поэтому для трехмерного пространства справедлив закон обратных квадратов.

5 Евклидовость – свойства пространства вблизи Земли описываются геометрией Евклида. Эйнштейн показал, что кривизна пространства обуславливается гравитирующей массой, геометрия реального пространства-времени всегда неевклидова.

Свойства времени

1. Однородность – любые явления, происходящие в одних и тех же условиях, но в разное время, протекают одинаково. Однородность времени приводит к закону сохранения энергии.

2. Непрерывность – между двумя различными моментами времени, как бы близко они не находились, всегда можно выделить третий.

3. Одномерность времени проявляется в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой. Если для определения положения точки в пространстве необходимо задать три координаты (пространство трехмерно), то для определения времени достаточно одной.

4. Необратимость – однонаправленное изменение от прошлого к настоящему и от настоящего к будущему, но никогда наоборот. Необратимость времени обычно рассматривают как следствие второго закона термодинамики (закона возрастания энтропии и увеличения беспорядка в замкнутых системах).

 

Закон сохранения импульса

Напомним, что импульсом материальной точки называется векторная величина, равная произведению массы этой точки на ее скорость .

Импульсом системы материальных точек или тел (далее – система) называется векторная величина, равная векторной сумме импульсов всех материальных точек, составляющих систему или произведению массы системы на скорость ее центра масс

 

(2.3.1)

Замкнутой системой называется система, на которую не действуют внешние силы. Наименьшей замкнутой системой можно считать Солнечную систему в целом.

Однородность пространства (сдвиговая симметрия пространства) приводит к закону сохранения импульса: импульс замкнутой системы с течением времени не изменяется.

В незамкнутых системах импульс сохраняется в следующих случаях:

1 Импульс системы сохраняется, если векторная сумма внешних сил равна нулю.

2 Проекция импульса на некоторое направление сохраняется, если проекция векторной суммы внешних сил на это направление равна нулю.

3 Импульс системы сохраняется, если время действия внешних сил мало.

Закон сохранения импульса является фундаментальным законом природы, выполняющимся при любых взаимодействиях в мега-, макро- и микромире. Законом сохранения импульса объясняются, в частности, отдача пушки или ружья при выстреле, реактивное движение, особенности распада ядер и элементарных частиц и др.

 

Работа, мощность, энергия

Изменение механического движения тела вызывается силами, действующими на него со стороны других тел. Чтобы количественно характеризовать процесс обмена энергией между взаимодействующими телами, в механике вводится понятие работы силы.

Механическая работа – это скалярная величина, равная скалярному произведению вектора силы на вектор перемещения точки

Работа переменной силы на пути S

 

(2.3.6)

В частном случае постоянной силы, действующей под неизменным углом a к перемещению,

(2.3.7)

 

В системе СИ работа измеряется в джоулях (Дж). Работа может быть положительной (α < π/2) и отрицательной (α > π/2). Работа силы, перпендикулярной перемещению (например, силы притяжения Земли к Солнцу), равна нулю.

Мощностью называется величина, определяемая работой, совершаемой в единицу времени:

(2.3.8)

 

В случае постоянной мощности

 

N = А/t, (2.3.9)

 

где А - работа, совершаемая за время t. В системе СИ мощность измеряется в ваттах (Вт).

Энергия – это единая количественная мера различных форм движения и взаимодействия всех видов материи. Под движением в широком смысле слова понимают любое изменение материи. Различным формам движения соответствуют разные формы энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная и т.д. Внутренней (тепловой) энергией называется сумма кинетической энергии теплового движения атомов и молекул тела и потенциальной энергии их взаимодействия. Электромагнитное поле является носителем электромагнитной энергии. Частным видом электромагнитной энергии является энергия электрического тока, широко используемая человеком. Ядерная энергия связана с взаимодействием протонов и нейтронов в ядре и может высвобождаться, например, при реакциях деления тяжелых ядер или при синтезе легких.

Механическая энергия – энергия тел при их механическом движении. Она характеризует способность тела совершать механическую работу. Механическая энергия подразделяется на кинетическую (Т _.) и потенциальную (П _.). Полная механическая энергия тела Е _м складывается из кинетической и потенциальной энергии

 

Е _м= Т + П (2.3.10)

Кинетическая энергия – это энергия, которой обладает движущееся тело. Кинетическая энергия тела, движущегося поступательно со скоростью V

(2.3.11)

 

Кинетическая энергия зависит от системы отсчета и в этом смысле является относительной величиной. Так, сидящий человек массой 60 кг не имеет кинетической энергии в СО, связанной с земной поверхностью, но в системе отсчета, связанной с Солнцем, обладает кинетической энергией Т ≈33 МДж.

Кинетическая энергия системы материальных точек равна сумме кинетических энергией отдельных точек системы.

Кинетическая энергия тела с моментом инерции I, вращающегося вокруг неподвижной оси с угловой скоростью ω, определяется по формуле:

(2.3.12)

 

В общем случае тело может участвовать как в поступательном, так и во вращательном движении (колесо велосипеда). Тогда кинетическая энергия этого тела складывается из кинетической энергии поступательного движения и кинетической энергии вращения.

Потенциальная энергия – часть механической энергии системы, связанная с взаимным расположением частей системы и определяемая характером сил, действующих между ними. Для каждого вида взаимодействия существует своя формула потенциальной энергии. Потенциальной энергией обладает тело, поднятое над поверхностью Земли, деформированная пружина и т.д.

Потенциальная энергия тела массы m, поднятого на высоту h над поверхностью Земли, находится по формуле

 

П = mgh, (2.3.13)

 

где g – ускорение свободного падения.

Потенциальная энергия упруго деформированного тела рассчитывается по формуле

(2.3.14)

 

где x – величина деформации, k – коэффициент упругости.

Среди возможных состояний системы особое значение имеет состояние устойчивого равновесия – состояние, которое не изменяется при малом внешнем воздействии на систему. В состоянии устойчивого равновесия потенциальная энергия системы минимальна, многие явления природы объясняются стремлением потенциальной энергии к минимуму. Так, шарообразность массивных небесных тел (звезд, планет) объясняется тем, что этой формой достигается минимум потенциальной гравитационной энергии взаимодействия частиц этих тел.

Закон сохранения энергии

Однородность времени (сдвиговая симметрия) приводит к закону сохранения энергии: при любых процессах полная энергия изолированной системы не изменяется; энергия может только превращаться из одного вида в другой и передаваться от одного тела системы к другому. Закон сохранения энергии – фундаментальный закон природы, выполняющийся на всех структурных уровнях организации материи. Не существует явлений и процессов, для которых этот закон не имел бы места. Нарушение закона сохранения энергии свидетельствовало бы о нарушении однородности времени.

Все явления и процессы в природе – от самых простых до самых сложных – протекают с сохранением энергии. Общий запас энергии во Вселенной с момента ее образования до наших дней остается постоянным. Появление высокоупорядоченных структур (от атомов и молекул до звезд и галактик) и явление жизни связано с последовательными превращениями одних форм энергии в другие. Часть энергии обязательно переходит в самую низшую форму – теплоту.

Большое значение для практической деятельности человека имеет частный случай − закон сохранения механической энергии, выполняющийся в поле консервативных сил.

Консервативной называется сила, работа которой не зависит от траектории, а определяется начальным и конечным состояниями системы. Работа консервативной силы по замкнутой траектории равна нулю. Консервативными являются сила тяжести, упругости, сила взаимодействия электрических зарядов и др. Сила, работа которой зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, называется диссипативной. Примером диссипативной силы является сила трения; работа силы трения по любой замкнутой траектории меньше нуля. Силовые поля, в которых действуют консервативные силы (например, поле гравитационных или поле упругих сил), называются потенциальными.

Закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется (не изменяется со временем)

Е _м= Т + П =const. (2.3.15)

 

В консервативных системах происходят превращения кинетической энергии в потенциальную и наоборот, при этом полная механическая энергия остается постоянной.

В диссипативных системах механическая энергия постепенно уменьшается за счет преобразования в другие (немеханические) формы. Этот процесс называется диссипацией (или рассеянием) энергии. Так, если в механической системе есть сила трения, то механическая энергия частично превращается в тепловую.

 

Контрольные вопросы

1 Что такое симметрия? Приведите примеры операций симметрии.

2 Сформулируйте теорему Нетер. Какова связь между симметрией и законами сохранения?

3 Сформулируйте закон сохранения импульса. С каким свойством пространства связан этот закон?

4 Приведите примеры явлений, объясняющихся законом сохранения импульса.

5 Сформулируйте закон сохранения момента импульса. С каким свойством пространства связан этот закон?

6 Приведите примеры явлений, объясняющихся законом сохранения момента импульса.

7 Дайте определения энергии, мощности и работы. В чем заключается различие между понятиями энергии и работы?

8 Сформулируйте закон сохранения энергии. С каким свойством времени он связан?

9 В чем заключается закон сохранения механической энергии? В каких системах выполняется этот закон?

10 Какие силы называются консервативными? Диссипативными? Приведите примеры консервативных и диссипативных сил.

Первое начало термодинамики

Внутренняя энергия системы может изменяться за счет в основном двух различных процессов: совершения над системой работы A ¹ и сообщения ей количества теплоты D Q. Совершение над системой работы сопровождается перемещением внешних тел, воздействующих на систему. Так, например, при вдвигании поршня, закрывающего сосуд с газом, поршень, перемещаясь, совершает над газом работу A ¹. По третьему закону Ньютона газ при этом совершает над поршнем работу A = – A ¹. Сообщение системе тепла не связано с перемещением внешних тел и с совершением над системой макроскопической работы. В этом случае изменение внутренней энергии обусловлено микроскопическими процессами: отдельные молекулы более нагретого тела совершают работу над отдельными молекулами менее нагретого т