Саме це змушує випущену з лука стрілу летіти в повітрі, перетворюючи потенціальну енергію, яка зростає, коли ви напинаєте тятиву, на кінетичну енергію, що рухає стрілу вперед. У вогнепальній зброї хімічна енергія пороху перетворюється в кінетичну енергію швидко розширюваного газу, який виштовхує кулю зі ствола. А коли ви їдете на велосипеді, енергія, що змушує крутитися педалі, зароджується як хімічна енергія вашого сніданку або обіду, яку ваше тіло перетворює на іншу форму хімічної енергії (АТФ). Потім ваші м’язи використовують її, перетворюючи частину її на механічну енергію, щоб скорочуватися й розслаблятися, і завдяки цьому ви крутите педалі. Коли ви повертаєте в машині ключ запалювання, хімічна енергія, що міститься в акумуляторі, перетворюється на електричну. Частина її потрапляє в циліндри, де запалює суміш бензину, і внаслідок його згоряння вивільняється хімічна енергія, яка потім перетворюється на тепло, що збільшує тиск газу в циліндрі, який, своєю чергою, виштовхує поршні. Вони обертають колінчастий вал, і трансмісія передає енергію колесам, змушуючи їх крутитися. Завдяки цьому цікавому процесу хімічна енергія бензину дозволяє нам пересуватися в автомобілях.
У гібридних автомобілях частково цей процес відбувається в протилежному напрямку. Коли ви тиснете на гальма, частина кінетичної енергії машини трансформується в електричну, що зберігається в акумуляторі й може живити електродвигун. У печі на рідкому паливі хімічна енергія нафти перетворюється на тепло, що нагріває в опалювальній системі воду, яка за допомогою насосів надходить у радіатори. У неонових лампах кінетична енергія електричних зарядів, що рухаються через наповнену газом трубку, перетворюється на видиме світло.
Здається, цьому переліку немає кінця. В атомних реакторах ядерна енергія, що міститься в ядрах урану чи плутонію, переходить у тепло; воно перетворює воду на пару, яка обертає турбіни, що виробляють електроенергію. Хімічна енергія, що наявна у викопному паливі — не лише в нафті й бензині, а й у вугіллі і природному газі, — перетворюється на тепло і, якщо говорити про електростанцію, врешті-решт на електроенергію.
Ви можете на власні очі спостерігати дива перетворення енергії, виготовивши акумулятор. Їх існує сила-силенна: від тих, що встановлені у вашому традиційному або гібридному авто, до тих, які живлять вашу бездротову мишку або мобільний телефон. Неймовірно, але батарейку можна зробити із картоплини, мідної монети, оцинкованого цвяха і двох шматків мідного дроту (кожен завдовжки приблизно 15 сантиметрів, з обох кінців потрібно зняти ізоляцію десь на сантиметр). З одного боку картоплини встроміть цвях майже до кінця, а з другого боку зробіть надріз і вставте монету. Притуліть кінець одного дроту до цвяха (чи обмотайте навколо його головки), а кінець другого дроту — до монети або заведіть його в розріз так, щоб він дотикався до неї. Потім торкніться вільними кінцями дротів до виводів контакту ялинкової гірлянди. Вона має заблимати. Мої вітання! На YouTube можна побачити демонстрації десятків таких пристроїв — чом би не спробувати?
Безперечно, процеси перетворення енергії відбуваються навколо нас постійно, але деякі з них очевидні, а деякі — ні. Найнеочевиднішим є перетворення гравітаційної потенціальної енергії. Ми зазвичай вважаємо, що нерухомі тіла не мають енергії, але насправді це не так. У деяких випадках ця енергія є досить значною. Сила тяжіння постійно діє на тіла, притягуючи їх до центра Землі, тому будь-яке тіло, яке ви кинете з певної висоти, летітиме із прискоренням. У процесі воно втрачатиме гравітаційну потенціальну енергію, але набуватиме кінетичної — енергія нікуди не зникає й не з’являється нізвідки; це гра з нульовою сумою! Якщо тіло масою m падає вертикально вниз із висоти h, його потенціальна енергія зменшується на величину mgh (g — це прискорення вільного падіння, що приблизно дорівнює 9,8 метра на секунду у квадраті), але на стільки само зростає його кінетична енергія. Якщо ви піднімете тіло вгору по вертикалі на висоту h, його потенціальна енергія зросте на величину mgh, і цю енергію доведеться створити вам (інакше кажучи, виконати роботу).
Скажімо, на висоті 2 метри від підлоги на полиці стоїть книжка масою 1 кілограм. Коли вона впаде, її потенціальна енергія зменшиться на 1 · 9,8 · 2 = 19,6 джоуля, але її кінетична енергія буде 19,6 джоуля на момент приземлення.
Мені дуже подобається термін гравітаційна потенціальна енергія. Погляньмо на це так. Якщо я підніму книжку з підлоги й поставлю на полицю, то витрачу на це 19,6 джоуля своєї енергії. Чи втрачається ця енергія? Ні! Тепер, коли книжка знову на висоті 2 метри над підлогою, вона має «потенціал» для повернення цієї енергії мені у вигляді кінетичної енергії в будь-який момент, коли я знову скину її на підлогу, чи то завтра, чи наступного року! Що вище над рівнем підлоги перебуватиме книжка, то більший у неї «потенціал» енергії, але, звісно, щоб покласти книжку вище, мені доведеться внести додаткову енергію.
Аналогічно, щоб вистрілити з лука, потрібно натягнути тятиву. Ця енергія міститься в луку й «потенційно» може бути використана в будь-який момент, коли ми вирішимо перетворити потенціальну енергію на кінетичну, яка і надасть стрілі швидкості.
А тепер погляньте на простеньке рівняння, за допомогою якого я продемонструю вам одну дивовижну річ. Якщо вам вистачить снаги здійснити кілька обчислень, то ви побачите, чому був вдалим найвідоміший (не)експеримент Галілея. Як ви пам’ятаєте, він начебто скидав із Пізанської вежі кулі різної маси (а отже, різної ваги), щоб показати, що швидкість їхнього падіння не залежить від маси. Із законів Ньютона випливає, що кінетична енергія (Ек) рухомого тіла пропорційна його масі та квадрату швидкості. Це можна записати так: Ек = ½mυ2. І оскільки ми знаємо, що гравітаційна потенціальна енергія тіла перетворюється на кінетичну, то можемо сказати, що mgh дорівнює ½mυ2, і ми отримуємо таке рівняння: mgh = ½mυ2. Якщо поділити обидві частини рівняння на m, то ця змінна зникне з рівняння, і в нас залишиться gh = ½υ2. Потім, щоб позбутися дробу, помножимо обидві частини рівняння на 2, й отримаємо 2gh = υ2. Це означає, що швидкість υ, яка й цікавила Галілея, дорівнює квадратному кореню з 2gh16. Зверніть увагу, маса взагалі зникла із формули! Отже, швидкість не залежить від маси. Наведу конкретний приклад. Якщо кинути камінь (будь-якої маси) з висоти 100 метрів, за відсутності опору повітря його швидкість на момент приземлення становитиме приблизно 45 метрів за секунду, або 160 кілометрів за годину.
Уявіть камінь (будь-якої маси), що падає на Землю з висоти кілька сотень тисяч кілометрів. На якій швидкості він увійде в земну атмосферу? На жаль, ми не можемо в цьому випадку скористатися нашим простеньким рівнянням, за яким швидкість становить квадратний корінь з 2gh, тому що прискорення вільного падіння сильно залежить від відстані до Землі. На відстані як до Місяця (приблизно 384 400 кілометрів) прискорення вільного падіння, спричинене впливом Землі, приблизно в 3600 разів менше, ніж біля земної поверхні. Я не наводитиму тут складних розрахунків, просто повірте на слово, що швидкість каменя буде приблизно 40 000 кілометрів за годину!
Тепер ви, можливо, зрозуміли, яке значення в астрономії має гравітаційна потенціальна енергія. Як я розповідатиму в розділі 13, матерія, що падає з великої відстані на нейтронну зорю, врізається в неї на швидкості орієнтовно 160 000 кілометрів за секунду, так, за секунду! Кінетична енергія каменя масою лише 1 кілограм становила б приблизно 13 квадрильйонів (13 ∙ 1015) джоулів, що відповідає енергії, яку велика електростанція (1000 МВт) виробляє за півроку.
Уже сам факт, що різні види енергії можуть переходити один в одного, а потім знову повертатися до початкового стану, викликає подив. Але ще більше захоплює те, що загалом енергія ніколи не втрачається. Ніколи. Дивовижно! Саме тому важка куля ще досі мене не вбила.
