Под каким углом к земле нужно бросить мяч, чтобы он улетел дальше всего? Если бросим его слишком круто вверх, то он красиво взлетит к небесам, но упадет не так уж далеко. Если запустить мяч над самой землей, он довольно скоро начнет снижаться и тоже улетит не так далеко, как хотелось бы. Если точка старта и точка приземления лежат на одной высоте, то лучшие результаты даст угол около 45°.
Спортсмены–прыгуны, а также атлеты, которые заняты метанием диска или копья, пытаются добиться наибольшей скорости в начале движения. От этого зависит дальность полета. Медлительный человек не может стать чемпионом в этих видах спорта, если только не обладает необыкновенной силой. Именно для того, чтобы достичь наибольшей начальной скорости, удар бейсбольной битой или клюшкой для гольфа делают с разворота.
Прыжки в высоту требуют другого угла. Если их выполнять с места, то прыгать придется почти вертикально, а для того чтобы успешно прыгнуть с разгона, нужно стартовать под углом около 70°. Ракета, которая стартует в космос, начинает полет строго вертикально.
Работа
Понятия «работа», «мощность» и «энергия» сходны. Попытаемся разобраться, что к чему. Мыть пол, сидеть в школе, убирать снег — это работа, но и играть в футбол — это тоже работа. Держать над головой тяжелую штангу, конечно, нелегко, но с точки зрения физики — это не работа. Даже если нам удастся простоять довольно долго, работой это занятие для физика не станет.
Для физиков работа — это приложение силы на каком–то пути, а не за какое–то время. Достаточно нам сделать шаг вперед со штангой над головой, как физики смогут с уверенностью сказать, что мы совершили работу. То же самое произойдет, если мы немного опустим или приподнимем штангу, потому что при этом она изменит свое положение, следовательно, пройдет какой–то путь.
Неважно, сколько времени будет дворник чистить от снега каток — два часа или два дня. Сколько бы он ни потратил времени, он сделает одну и ту же работу, ведь он уберет то же количество снега. Но дворник, как известно, дворнику рознь, и один управляется быстрее другого. Здесь работа уже связана со временем — мощность дворника, который работает быстрее, больше.
Долгое время угольные шахты Англии затапливались водой, и для откачки воды использовались лошади. Так продолжалось до тех пор, пока англичанин Джеймс Уатт не приспособил паровую машину для того же дела. После этого он, довольный результатом своей деятельности, стал рассуждать, сколько лошадей заменила одна его машина. С этого расчета в мире появилась традиция измерять мощность в лошадиных силах. Двигатель автомобиля имеет мощность от нескольких десятков до нескольких сотен лошадиных сил, а тепловоз — несколько тысяч. Человек среднего веса, который хочет, чтобы о нем сказали, что его мощность равна одной лошадиной силе, должен научиться залезать по канату на три метра за три секунды.
Энергия тяжелого предмета, упавшего нам на ногу, такова, что может получиться очень больно, и сломается нога или предмет. Если все время кидать камень на одно и то же место, получиться ямка. Предмет, падающий на ногу, или камень, брошенный на землю, пролетают какое–то расстояние и, упав, оказывают воздействие на нас или почву. Энергия — это способность совершать работу. Чем с большей высоты брошен камень, тем глубже ямка, которую он оставит.
Какая бывает энергия?
Некоторые тела могут быть готовы совершить работу. Человек, лежащий на диване, готов отправиться на работу, хотя он лежит неподвижно. Вода в пруду, сдерживаемая плотиной, готова ринуться вниз и смыть огороды ниже по течению, но пока плотина цела, вода лишь готова совершить работу, но, к счастью, ее не совершает. Значит, вода обладает энергией, которая может быть использована. Такая энергия называется потенциальной. Согнутый, готовый к выстрелу лук, сжатая пружина, сжатый в баллоне газ готовы совершить работу, если им будет позволено прийти в движение.
Если мяч летит, машина едет, корабль плывет, — они совершают работу. Мяч, лежащий в верхней точке горки, обладает потенциальной энергией: он готов скатиться вниз. Когда он катится, его потенциальная энергия расходуется и переходит в движение.