Скажем, что происходит, когда мы берем с земли камень, поднимаем его вверх на определенную высоту, а потом ударяем камнем о другой камень?
В этом процессе рука (первое тело) взаимодействует с другим телом (камень) и приводит его в движение (ускоренное), потому что вначале камень находился в состоянии покоя (его скорость была равна нулю), а затем приобрел конечную скорость. Из физики известно, что в состояние ускоренного движения тела приводятся в результате действия силы (влияния другого тела).
В системе СИ сила измеряется в ньютонах (1 ньютон – это сила, которая придает телу массой 1 кг ускорение 1 метр на секунду в квадрате).
Придавая телу ускорение, сила, одновременно, его перемещает. Мы возьмем простейший случай, когда направление действия силы совпадает с направлением движения. Перемещая тело по прямолинейной траектории (по нашему условию), сила совершает работу, которая (как и следовало ожидать) измеряется в ньютонах, умноженных на метр (в метрах измеряют расстояние, на которое сила переместила тело). Таким образом, можно образно сказать, что работа – это расход силы на перемещение тела. Единица работы – джоуль. Джоулем называют работу, которую совершает сила в 1 ньютон при перемещении тела массой 1 кг на расстояние 1 метра.
Представим себе теперь, что мы подняли камень на высоту 1 м над землей и держим его в таком положении. Вспомним, что на камень действует сила земного притяжения, и, если мы отпустим камень, то он начнет падать на землю с ускорением около 10 метров за секунду в квадрате (с ускорением свободного падения). Во время падения сила тяготения будет совершать работу по перемещению тела вниз. Таким образом, можно сказать, что способность совершить эту работу была сообщена телу его положением относительно земли. Эта способность называется потенциальной (возможной) энергией. Эта энергия зависит от действующей на тело силы (в данном случае, силы тяготения – если мы вспомним формулу силы, то получится, что силу тяжести надо обозначить mg, где m – масса тела, а g ускорение свободного падения). Если мы теперь умножим силу тяготения на высоту положения камня над землей, то получим выражение mgh, то есть способность камня совершить работу силы тяжести, которую он не совершает, потому что его удерживает от падения внешняя сила. Мы видим, что и численно и по размерности потенциальная энергия равна работе, которая будет произведена. Следовательно, мы имеем право измерить потенциальную энергию в джоулях.
Бросим камень с высоты на железную наковальню. Под действием силы тяжести камень с ускорением полетит вниз и долетит до наковальни с определенной скоростью. За время движения камень набирает энергию движения, которая называется кинетической энергией. Удивительно, но, если наковальня находится на уровне земли, то кинетическая энергия камня, с которой он подействует на наковальню, будет равна его потенциальной энергии, которой он обладал, находясь на высоте h от поверхности земли. Ударившись о наковальню, камень не сможет сдвинуть ее с места, но зато нагреет ее и нагреется сам (возможно на сотую долю градуса), потому что механическая энергия перейдет в тепловую. (Энгельс в «Антидюринге» описывал, что ядра датских пушек, ударяясь о корпуса прусских броненосцев, раскалялись докрасна. Это есть выражение неуничтожимости энергии, которое формулируется первым началом термодинамики – законом сохранения энергии).