Закон сохранения импульса, закон сохранения момента импульса, закон сохранения заряда, закон сохранения энергии. Фундаментальный характер законов сохранения

Законы сохранения, физические закономерности, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определенном классе процессов, являющиеся отражением симметрий материального мира, играют основополагающую роль в современной научной картине мира.

По современным представлениям, в природе невозможны процессы, приводящие к нарушению законов сохранения. Открытие процессов, в которых нарушается какой-либо из этих законов, приводит к дальнейшему установлению комбинированных законов сохранения, устанавливающих взаимосвязь сохраняющихся величин.

Важнейшими законами сохранения, справедливыми для любых изолированных систем, являются законы сохранения энергии, количества движения (импульса), момента количества движения и электрического заряда.

Импульс (P)– величина, характеризующая количество движения, которая выражается как произведение инертной массы на скорость:P = mv.Закон сохранения импульса гласит, что в изолированной системе суммарный импульс остается неизменным. При этом как массы, так и скорости отдельных элементов системы могут меняться, но так, что сумма их импульсов остается постоянной. Примером проявления этого закона может служить взаимодействие двух бильярдных шаров одинаковой массы: если один из них после столкновения остановится, второй, покоившийся до столкновения, покатится со скоростью первого шара. При реактивном движении импульс топлива, вырывающегося из сопла ракеты, противоположен импульсу ракеты, и при любой скорости в сумме они равны нулю. Этот закон в полной мере проявляется и во взаимодействиях элементарных частиц.

Момент импульса (М), или момент количества движения, угловой момент, характеризует системы, в которых осуществляется вращательное движение. Он равен произведению импульса тела на расстояние до оси вращения:М = mvr. Закон сохранения момента импульса гласит, что в изолированной системе суммарный момент импульса остается неизменным. Внутренние силы не могут изменить момент импульса системы, но момент импульса отдельных частей системы или угловые скорости под действием этих сил могут изменяться. Например, у вращающегося вокруг вертикальной оси фигуриста (или балерины) величина момента импульса будет постоянной, но, изменяя положение рук или ног относительно оси, он может изменять угловую скорость. Моментом импульса обладают также электромагнитное, гравитационное и другие физические поля. Большинству элементарных частиц присущ собственный, внутренний, момент импульса – спин. Он также сохраняется при взаимодействии элементарных частиц.

Энергия – важнейшая физическая величина, всеобщая мера движения материи. Согласно закону сохранения энергии, в изолированной системе энергия может только перераспределяться между компонентами системы или превращаться из одной формы в другую, но ее количество остается постоянным.Закон сохранениямеханической энергиибыл установлен Лейбницем в1686 г., азакон сохранения энергии для немеханических явлений – Майером в1845 г., Джоулем в1843–50 гг. и Гельмгольцем в 1847 г. В термодинамике закон сохранения энергии носит названиепервого начала термодинамики. Этому закону подчиняются все без исключения известные процессы в природе. Если система не изолирована, то ее энергия может измениться либо при одновременном изменении энергии окружающих систему тел на такую же величину, либо за счет изменения энергии взаимодействия системы с окружающими телами. При переходе системы из одного состояния в другое изменение энергии не зависит от того, каким способом (в результате каких взаимодействий) осуществляется переход.

До создания А. Эйнштейном специальной теории относительности законы сохранения массы и энергии существовали как два независимых закона. В теории относительности они были слиты воедино, и с современных позиций следует говорить о законе сохранения массы и энергии. Так, при радиоактивном распаде атомов “возникает” энергия. Но при этом не нарушается указанный закон, так как количество излучаемой энергии эквивалентно уменьшению массы продуктов распада по сравнению с исходной массой. Другими словами, излучение энергии происходит за счет дефекта массы.