Вселенная внутри вас

Проводя эксперименты с препарированными лягушками, Гальвани случайно коснулся проводом под напряжением мышцы лягушачьей ноги, и та дернулась, словно лягушка была еще жива. Хотя многое в этом явлении в то время интерпретировалось неверно (в том числе и миссис Годвин), это было началом понимания того, какую роль электричество играет в организме животных и каким образом с его помощью передаются сигналы.

Как совершается работа

До сих пор я говорил об энергии как о хорошо понятной всем концепции, однако все же следует пояснить, о чем идет речь. Мы уже видели, что энергия и материя – разные проявления одной и той же сущности, однако для того, чтобы превратить материю в энергию, необходим особый процесс, например термоядерный синтез или аннигиляция материи и антиматерии. В организме человека химическая энергия, запасенная в электронных связях, которые обеспечивают соединение атомов в молекулах, высвобождается и превращается в механическую энергию мышц.

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).

Великая загадка шмеля

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.

Кенгуру на пружинах

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.