力,功,和能
為什麼我們說能量守恆定律是最有用而且影響最廣泛的物理定律?我們還需要知道一些基本的概念,比如「力」和「功」。我們生活中常把這些概念混淆,但是科學當中還是需要說清楚的。
力,指的是改變一個物體運動狀態或者形狀的物理影響。改變運動狀態,可以是改變其運動的速度或者方向。改變形狀,可能就是拉伸或者壓縮。生活中形容一個力,人們常常會說大或者小,但力的方向也很關鍵,我們要同時考慮。舉個例子,地球對於我們有引力:人站在地面,我們說引力總是豎直向下;如果從太空的遠處來看,我們要考慮引力指向地球的中心。
功,說的是一個力對一個物體做出了改變。無論這個改變多麼微小,這個也算是對這個運動的系統做了功。功的計算,等於力與其作用的尺度相乘。譬如我們用同樣大小的力推箱子,推1米肯定比推3米做的功要小。一個系統如果潛在有做功的能力,我們就說他擁有「能量」。準確地說,「能」,是指物質或輻射具有特性,顯示出它具有做功的能力。這種能力,可以是影響運動的狀態,或者是讓分子之間相互反應。
如果你要好好體驗力,做功的過程,以及能量轉換,最好的辦法就是去搬點東西。
能量一般被分成兩種類型。
第一種叫做動能。動能,指的是一個運動中的物體做功的能力。舉個例子,一個運動中的物體,撞上另一個靜止的物體,可以使另一個物體動起來。如果一個物體被做了功,他開始運動,或者停止運動,或改變方向,他的動能就被改變了。
第二種叫勢能。勢能,指的是一個物體具有做功的能力,但並非因為運動,而是因為他的位置和結構。它們看似安靜,但具有能量,這因為它們處在「能量場」之中。比如重力場讓物體具有下落的能,電場讓帶電粒子跑起來,還有分子之間的鍵能讓固態物體貼在一起。如果一個物體在他的能量場內移動了,它的勢能也會因之改變。