Ошибочность термина потенциальная энергия

Продолжаю изложение своих результатов. В прошлой статье «Мы вступаем в новый мир» я привел пример кажущегося нарушения закона сохранения энергии при движении воды в вертикально поставленной трубе. Не сумев объяснить этот парадокс в рамках общепринятых положений потенциальной и кинетической энергии, я стал искать другие похожие аномалии. И к своему удивлению, нашел достаточно много странных феноменов, противоречащих всем законам и даже правилам логики. Просто на эти аномалии никто не обрашал внимание. Уже понимая, что с понятиями потенциальной и кинетической энергии что-то не совсем в порядке, я стал искать первоисточник этих идей. И вот что выяснил.

Понятие потенциальной энергии выдвинул Галилей, когда он сбрасывал различные предметы с наклонной Пизанской башни и задался вопросом, откуда падаюший предмет черпает свою энергию. Галилей заметил, что прежде чем сбросить предмет с башни, он должен предмет вначале на башню затащить и выполнить при этом определенную работу. Поэтому Галилей закономерно предположил, что поднимая предмет на башню, он совершает над ним работу и передает ему свою мускульную энергию в какой-то скрытой форме, а при дальнейшем падении предмета скрытая форма энергии переходит в явную кинетическую. Эта скрытая форма энергии в дальнейшем получила название потенциальной. Но Галилей ошибся (сразу должен обратить внимание на тот факт, что термин "энергия" во времена Галилея был еще не известен, и Галилей оперировал термином "живая сила", но смысл у этого термина был чисто энергетический).

Другую ошибку совершил Ньютон, дав неверный вывод формулы потенциальной энергии в своей книге «Математические начала натуральной философии». Он рассуждал следуюшим образом: «Пусть на моей ладони лежит некий предмет. Буду поднимать ладонь медленно и равномерно так, чтобы сила веса предмета F1 полностью уравновешивалась бы силой реакции ладони F2, а кинетическая энергия практически отсутствовала из-за малой скорости. При подъеме предмета над ним совершается работа A = INT(F1 dh) = mgh. Куда она исчезает? Она преобразуется в скрытую потенциальную энергию предмета, которая может перейти в явную кинетическую энергию, если позволить предмету свободно падать».

Ошибка такого вывода состоит вот в чем. Если на предмет действуют разные силы F1, F2, F3 и так далее, то при вычислении суммарной работы, совершаемой всеми силами вместе, нужно под знак интеграла ставить силу результирующую, но не частную. А Ньютон подставил частную силу веса. Так как в рассмотренном случае результирующая сила равна нулю (сила F1 уравновешивается реакцией ладони F2), итоговый результат будет нулевым. Это означает, что работа над поднимаемым предметом не совершается и его энергия не меняется. Если она была нулевой в начальной точке старта, то останется нулевой не зависимо от высоты подъема. Иными словами, потенциальная энергия у предмета отсутствует.

Этот вывод может показаться ошибочным, так как из практики мы знаем, что при подъеме любого тяжелого предмета мы совершаем работу и тратим нашу мускульную энергию. Правильно, работу совершаем и энергию тратим, вот только над чем именно мы совершаем работу и на что тратим свою энергию? На предмет? Нет. Мы совершаем работу над гравитационным полем и увеличиваем его энергию своей мускульной энергией.

Чтобы понять, почему происходит именно так, давайте заменим гравитацию пружиной и снова потянем за предмет с пружинной связью между ним и основанием. Видя, как деформируется пружина под действием нашего усилия, мы понимаем что совершаем работу над пружиной, но не над предметом. Зато гравитационное поле мы глазами не видим, и не видим как оно деформируется в процессе подъема предмета. Мы видим только то, что предмет поднимается. И делаем неверный вывод о том, над чем именно совершается работа и куда уходит потраченная энергия. При этом количество энергии, затраченной на деформацию поля, будет полностью совпадать с формулой потенциальной энергии: dE = mg dh.

Почему Ньютон совершил столь грубую ошибку при выводе формулы? Точный ответ мне не известен. Есть только предположение. И состоит оно в следующем. Во времена Ньютона были известны только пять видов энергии, так или иначе связанные с веществом: энергия сгорающих дров, энергия сгорающего угля, энергия дующего ветра, энергия текущей воды, энергия работающего человека. Все эти виды энергии так или иначе связаны с веществом. Но гравитационное поле - не вещество. И, скорее всего, Ньютон был просто не готов к принятию факта, что нечто не вещественное и эфемерное может иметь некую энергию. Возможно, он думал вернуться к решению этой проблемы позже, но не успел. И так допущенная им ошибка стала классикой науки.

Скептики могут заявить, мол нет никакой разницы как назвать энергию — потенциальной или гравитационной — если формулы одинаковы. На самом деле разность очень большая. Пока мы оперируем понятием потенциальной энергии, мы не сможем объяснить многие физические эффекты или будет объяснять их не правильно. Ну вот хотя бы нарушение закона сохранения энергии при течении воды в вертикально поставленной трубе, о котором я писал в первой статье. А заменив потенциальную энергию на энергию гравитационного поля, мы сможем объяснить все феномены правильно (по крайней мере, у меня пока все объясняется без проблем).

Кроме того, тут есть еще и практический интерес. Когда мы заменяем энергию предмета на энергию поля, сразу встает вопрос, а насколько велика энергия поля и можно ли энергию из поля извлечь? Сразу отвечаю: энергия поля громадна, извлекать ее можно. Объясняю, как надо получать формулу гравитационной энергии.

Мысленно разбиваем космический объект на ряд сферических оболочек и удаляем каждую оболочку в бесконечность, записывая выполняемую работу. Суммируя отдельные работы, получаем полную энергию гравитационного поля E = AGMM/R (G — гравитационная постоянная, A = 0.6-0.792 — параметр, характеризующий неравномерность распределения массы объекта). Чтобы рассчитать плотность гравитационной энергии (то есть содержание энергии в единице объема), выполняем такую последовательность операций: 1) записываем выше приведенную формулу для радиуса R1; 2) записываем эту же формулу для немного иного радиуса R2; 3) отнимаем энергию Е1 от энергии Е2, получая содержание энергии в тонком сферическом слое, ограниченном радиусами R1 и R2; 4) делим разность энергий Е1 — Е2 на объем слоя и получаем формулу плотности гравитационной энергии E/V = Agg/(4piG). Для Земли полная энергия гравитационного поля составляет 2.5х10(32) дж, а плотность гравитационной энергии равна 0.786х10(11)дж/куб.метр. Для сравнения привожу такие данные: на сегодняшний день энергетический потенциал всех разведанных запасов углеводородного топлива (уголь, нефть, газ, торф, сланцы и др.) оценивается величиной 10(22)дж, а при сжигании одного кубометра угля выделится энергия примерно в три раза меньше того, что содержится в одном кубическом метре пустого пространства в форме гравитационного поля. О том, как можно получать энергию из гравитационного поля и какие аппараты уже имеются, я буду писать в следующих статьях.

Ну и последнее в данной статье - это то, как я объясняю этот феномен с кажущимся нарушением закона сохранения энергии при течении воды в вертикально поставленной трубе под действием собственной силы тяжести. Все дело в том, что для реакции гравитационного поля на движение предмета очень важным является также движение фазовых границ раздела данного предмета. Такое мое утверждение может показаться несколько странным, но в рассмотренном случае движения воды внутри вертикальной трубы оно играет ключевую роль. Если разбить весь водяной столб на отдельные элементарные объемы и проследить их совокупное движение вниз, то окажется, что в каждый последующий момент времени каждый верхний объем занимает то место, которое ранее занимал более нижний объем. Но все объемы одинаковы. У них одинаковые размеры и плотность. А гравитационное поле реагирует на плотность. И вследствие того, что в каждой точке внутреннего пространства трубы плотность остается постоянной во времени, гравитационное поле не "замечает" движение воды в трубе. Оно воспринимает водяной столб как неподвижный и энергией с ним не обменивается (отсутствуют фазовые границы раздела между отдельными объемами). А если энергией не обменивается, то и кинетическая энергия воды в трубе остается постоянной.