Если гравитация постоянна, можно ли использовать ее как бесконечный источник энергии?

Нет, гравитацию нельзя использовать как бесконечный источник энергии. На самом деле, строго говоря, сама гравитация вообще не может быть использована в качестве источника энергии. Здесь происходит путаница силы с энергией, а это очень разные вещи.

Энергия — это свойство объектов, таких как шары, атомы, световые лучи или батареи. Напротив, силы описывают взаимодействие между объектами. Силы — это способ передачи энергии от одного объекта к другому при их взаимодействии, но силы — это не сама энергия. Гравитация — это сила, поэтому она просто предоставляет объектам один из способов обмена и преобразования энергии в разные состояния.

Если человек поднимет мяч на вершину холма и отпустит его, он покатится, ускорится и, кажется, наберет энергию. Разве это не тот случай, когда гравитация передает энергию мячу?

Нет. Опять же, гравитация — это просто сила, поэтому она просто описывает, как взаимодействуют объекты. Энергия, которую мяч демонстрирует в виде падающего движения, исходила от мышц, когда человек поднимал мяч на вершину холма, а не от силы тяжести. Гравитация просто обеспечивает способ временно хранить энергию в объекте.

Энергия, которую получает объект, когда его поднимают против силы, называется «потенциальной энергией». Энергия исходит от подъемного агента, а не от силы. Сила просто обеспечивает способ передачи энергии от одного объекта (мышц) к другому объекту (потенциальная энергия поднятого мяча). Когда человек отпускает мяч, сила тяжести преобразует потенциальную энергию мяча в кинетическую энергию (энергию движения) мяча. Но мяч никогда не сможет получить больше кинетической энергии, чем полная потенциальная энергия, которую в него вложили, подняв его.

Эта концепция верна для всех сил, а не только для гравитации. Два магнита притягиваются друг к другу, ускоряясь и как бы набираясь энергии. Можно подумать, что энергия исходит от магнитной силы. По правде говоря, энергия исходит от руки, раздвигающей два магнита против силы магнитного поля. Магнитная сила просто обеспечивает способ хранения потенциальной энергии в магните (благодаря тому, что рука разъединяете их, а не только благодаря тому, что они являются магнитами), а затем преобразование потенциальной энергии в кинетическую энергию. Каждый раз, когда вы толкаете объект в новое место против силы, вы передаете ему потенциальную энергию.

Это правда, что гравитация «неограниченна» в том смысле, что она никогда не выключается. Земная гравитация никогда не исчезнет, ​​пока Земля имеет массу. Но поскольку это всего лишь сила, а не энергия, бесконечная природа гравитации не может быть использована для извлечения бесконечной энергии или вообще любой энергии, если уж на то пошло.

Подумайте о гравитации примерно как о резиновой ленте. Растяните резинку и отпустите, и она снова встанет на место. Таким образом, вы можете накапливать потенциальную энергию в резинке, растягивая ее, и эта потенциальная энергия становится кинетической, когда вы отпускаете ее. Но ненатянутая резиновая лента вообще не будет двигаться и не может создать никакой энергии.

Энергия, которую вы видите в щелчке резинки, исходит от того, что вы ее растягиваете, а не от самой резинки. Пренебрегая потерями тепла, кинетическая энергия, которая выходит из резинки, в точности равна потенциальной энергии, которую вы вкладываете в нее с помощью мышц (насколько вы ее растягиваете). Поднимать объект против силы тяжести — это то же самое, что растягивать резиновую ленту.

Смешение энергии и сил приводит к бессмысленным идеям, таким как машины со свободной энергией (вечный двигатель). Такие машины всегда выходят из строя именно потому, что силы — это не энергия, а из самой силы нельзя извлечь энергии. Например, машина «свободной энергии» может состоять из мяча, который катится с холма и ударяется о лопасть, которая вращает колесо. Проблема с этой машиной заключается в том, что мяч должен быть возвращен на вершину холма, чтобы процесс продолжался, а количество энергии, которое вы должны вложить в машину, чтобы вернуть мяч на вершину холма, равно энергия, которую вы получаете из машины.

На самом деле количество энергии, которое вы получаете от машин, всегда меньшечем энергия, которую вы вкладываете в них, потому что часть вложенной энергии тратится на тепловую энергию за счет трения. Сторонники бесплатной энергии изобретают все более изощренные способы вернуть мяч на вершину холма (или снова разъединить магниты, или снова растянуть резиновую ленту и т. д.), надеясь, что еще одна дополнительная шестеренка или колесо каким-то волшебным образом создадут энергию из ничего. Но они никогда не смогут обойти тот факт, что силы — это не энергия, и вы никогда не сможете получить из системы больше энергии, чем вложили.

А как насчет гидроэлектростанций, которые извлекают энергию из падающей воды в реках? Разве они не извлекают энергию из гравитации бесплатно?

На самом деле нет. Вода в реке ничем не отличается от мяча, который нужно тащить в гору. Вода получила свою энергию не от гравитации, а от какого-то внешнего фактора, который поместил ее высоко в горы против силы тяжести, чтобы она могла падать в русло реки.

Внешним агентом в данном случае является солнечный свет. Солнечный свет нагревает океан, заставляя воду испаряться и подниматься в небо. Энергия, содержащаяся в фотонах солнечного света, преобразуется в потенциальную энергию молекул воды, которые поднимаются высоко в небо. Затем эти молекулы воды падают на землю, образуют реки и текут обратно в океан, преобразовывая свою потенциальную энергию в кинетическую энергию, тепло, и (на гидроэлектростанции) электричество. Таким образом, в конечном итоге гидроэлектростанции извлекают солнечную энергию из воды.