Брайан Клегг - Вселенная внутри вас

Как это происходит? Энергия сама по себе не совершает работы. Работа – это трансформация энергии из одного состояния в другое. Например, когда мы передвигаем предметы, работа измеряется количеством прилагаемых усилий, умноженным на расстояние.

Когда-то под работой понимался только физический труд. В наши дни работа многих людей не связана с физическими усилиями, но даже умственный труд требует трансформации энергии, и зачастую необходимо сначала поработать головой и только потом руками. Например, чтобы написать книгу, надо сначала придумать оригинальную идею.

Процесс обдумывания не связан с физическими усилиями. Они понадобятся позже, в процессе печатания рукописи и издания книги. В общих чертах можно сказать, что задача тела заключается в преобразовании химической энергии в работу.

Работа и энергия измеряются в джоулях. В повседневной жизни мы все еще пользуемся устаревшей единицей измерения – калорией, которая составляет чуть больше четырех джоулей. Энергетическую ценность продуктов питания мы измеряем в тысячах калорий (килокалориях). Американские диетологи посчитали, что приставка «кило» будет вводить публику в заблуждение, поэтому в обиходе заменяют, к примеру, 129 килокалорий на 129 калорий (что явно неправильно) или 129 Калорий (написание с заглавной буквы в данном случае формально верно, но приводит к путанице).

Каждый раз, совершая движение, вы используете энергию, запасенную организмом. Это совершенно очевидно. Однако некоторые животные, похоже, расходуют на движение больше энергии, чем получают ее с пищей. Получается, что они берут энергию как бы ниоткуда. Самым известным примером является шмель. Возможно, вам уже приходилось слышать: «Это просто загадка какая-то. Никто не понимает, почему шмель способен летать. У науки нет ответа». Зачастую подобные высказывания приводятся в качестве доказательства, что Бог способен создать то, чего не может объяснить наука.

В действительности так называемый парадокс шмеля – это не более чем заблуждение. Да, на первый взгляд кажется странным, что такое большое тело удерживается в воздухе с помощью маленьких и хрупких крылышек. Но шмель имеет на удивление низкий вес, а его крылья совсем не похожи на крылья птиц, и их подъемная сила создается за счет иных явлений. Они напоминают вертолетный винт, создающий вертикально направленные вращающиеся потоки воздуха, которые обладают большей подъемной силой, чем потоки воздуха, обтекающие крыло обычного самолета. Таким образом, здесь нет никакой проблемы. Шмелю не приходится тратить больше энергии, чем он потребляет.

Есть еще один представитель животного мира, который в определенном смысле расходует больше энергии, чем получает. Это кенгуру. Если сложить всю энергию, которая нужна ему для прыжков в течение дня, то она явно окажется выше, чем та, что он потребляет с пищей. Создается впечатление, что он производит энергию из ничего.

Однако при выполнении этих расчетов биологи упустили из виду, что мышцы ног кенгуру устроены наподобие резинового мяча. Если уронить мяч, то при ударе об пол он сжимается, накапливая энергию, а затем за счет упругости восстанавливает форму. При этом высвобождается энергия, отталкивающая его от пола. Точно так же энергия накапливается в пружине и растягиваемой резиновой ленте. Никакой дополнительной энергии извне в систему не поступает, но мяч подпрыгивает в воздух за счет энергии, запасенной при деформации от удара об пол.

Нечто похожее происходит и с кенгуру. Его мышцы устроены таким образом, что, когда ноги ударяются о землю, в них накапливается энергия, словно при растяжении резиновой ленты. Затем она высвобождается и используется для следующего прыжка. Таким образом, кенгуру для движения нуждается в меньшем количестве пищи. Если бы не эта специфическая конструкция мышц, то вся энергия при приземлении превращалась бы в звук и тепло. Однако, как мы видим, часть ее запасается для повторного использования. Точно так же электрический транспорт использует процесс торможения для пополнения заряда аккумуляторов, который будет расходоваться при последующем разгоне.

Рассматривая движение энергии в своем теле и в теле кенгуру, мы имеем дело с термодинамикой. Если разложить это слово на составные части, получается «движение тепла». Так оно и есть, если вспомнить, что тепло является одной из форм энергии. Тепло – это кинетическая энергия движущихся молекул вещества. Нагрейте любой предмет – и его молекулы начнут двигаться быстрее. Термодинамика приобрела особое значение в XIX веке, так как позволила объяснить принцип работы паровых двигателей. С тех пор она стала фундаментальной частью науки.