Возьмем хотя бы порох, применяющийся с незапамятных времен: дымный, черный порох. В нем смешаны уголь, селитра и сера. Горючим здесь является уголь. В селитре содержится кислород. А сера введена для того, чтобы порох легче зажегся; кроме того, сера служит скрепляющим веществом, она соединяет уголь с селитрой. При взрыве этот порох далеко не весь обращается в газы. Большая часть сгоревшего пороха, в виде мельчайших твердых частиц, осаждается на стенках канала ствола (нагар) и в виде дыма выбрасывается в воздух. Поэтому такой порох и называется дымным. В современных орудиях применяется обычно бездымный, пироксилиновый порох. Его изготовляют из сильного взрывчатого вещества – пироксилина, обработанного смесью спирта и эфира. А пироксилин, в свою очередь, получают из хлопка, обработанного смесью азотной и серной кислот. В пироксилиновом порохе, так же как и в дымном, содержится кислород. Этот кислород выделяется при взрывчатом превращении, и за его счет происходит сгорание пороха. Пироксилиновый порох при горении весь превращается в газы, не дает дыма. Итак, порох сравнивать с бензином нельзя: в порохе есть все, что нужно для его горения, а в бензине нет кислорода. На открытом воздухе и бензин, и порох горят не очень медленно, но и не очень быстро. Они горят, но не взрываются. Тут особой разницы между бензином и порохом нет. Но совсем по-разному будут вести себя бензин и порох, если их поместить в замкнутом, закрытом со всех сторон пространстве, лишенном притока воздуха, например, в стволе орудия. Бензин в этом случае гореть не будет: для его горения нужен приток воздуха, приток кислорода. Порох же в закрытом пространстве сгорит очень быстро: он взорвется и обратится в газы. Горение пороха в закрытом пространстве – явление очень сложное, своеобразное, совсем не похожее на обычное горение. В науке подобные явления называют «взрывчатым разложением» или «взрывчатым превращением», лишь условно сохраняя за ним более привычное название «горение». Почему же порох горит и даже взрывается без доступа воздуха? Потому что в самом порохе содержится кислород, за счет которого и происходит горение. В замкнутом пространстве порох сгорает чрезвычайно быстро, газов выделяется очень много, и температура их очень высока. В этом сущность взрыва; в этом отличие взрыва от обыкновенного горения. Итак, чтобы получить взрыв, нужно зажечь порох непременно в замкнутом пространстве. Пламя тогда очень быстро, почти мгновенно, распространится по поверхности пороха, – произойдет его воспламенение. А затем порох сгорит и превратится в газы. Так протекает взрыв. Он возможен только при наличии кислорода в самом взрывчатом веществе. В этом именно и состоит особенность пороха и почти всех других взрывчатых веществ: в них самих имеется кислород, и они не нуждаются в притоке кислорода извне.
Нет. Не может. Потенциальная энергия – это вовсе не всё, что угодно – что "берётся относительно какого-то уровня".
[1] Чтобы понять ответ на ваш вопрос (а он хороший и глубокий), нужно понять саму философию введения понятия потенциальной энергии. Отправная точка в рассуждениях – название (!) этого понятия. "Потенциальная" – т.е. что-то, что имеется в потенциале, но ещё не реализовано.
Например – мяч лежит на балконе какого-то этажа в совершеннейшем покое, но если он упадёт на землю с балкона – он наберёт какую-то кинетическую энергию. И вот это-то значение кинетической энергии в гипотетическом (потенциальном) будущем – и называется потенциальной энергией мяча в тот момент, когда он ещё никуда не упал, а только имеет такую гипотетическую (потенциальную) возможность...
Если мяч упадёт не на землю, а в котлован, т.е. на более низкий уровень – то он наберёт бóльшую кинетическую энергию, а значит, его потенциальная энергия, рассчитанная относительно дна котлована должна быть больше. Но это – частный случай, не имеющий отношения к пружине. О пружине – смотрите пункт [6].
[2] Потенциальная энергия в консервативном гравитационном поле, рассчитываемая по формуле mgh – действительно зависит от точки отсчёта и можно точку отсчёта выбрать так (выше балкона), что потенциальная энергия мяча на балконе в гравитационном поле станет меньше нуля.
С точки зрения самого понятия потенциальной энергии – это будет несколько странно, тогда получается, что при падении на нулевой уровень мяч набрал бы отрицательную кинетическую энергию, но кинетическая энергия не может быть отрицательной! Но это просто означает то, что мяч с более низкой точки в более высокую точку и не полетит.
[3] Важно понимать, что потенциальная энергия это не "формула" mgh, а физическое понятие, описанное выше в формулировке [1]. В самом широком спектре разделов физики и в самых разных задачах возникает необходимость введения понятия потенциальной энергии, и в разных ситуациях – для потенциальной энергии используются различные формулы.
Да, собственно, и гравитационная потенциальная энергия должна рассчитываться по формуле U = -GM/R, как она и рассчитывается при вычислении орбит спутников, движении планет и звёзд. Выражение mgh для потенциальной энергии гравитационного поля – это приближённая формула, которой можно пользоваться только у поверхности Земли.
[4] Вообще говоря, потенциальная энергия – это не что иное, как учёт работы в системе полей или сил. В примере с мячом из пунктов [1] и [2], например, его начальная кинетическая энергия была равна нулю, а когда он подлетал к земле – она имела некоторое приличное значение. Откуда взялась эта кинетическая энергия?
Она взялась из-за работы силы тяготения. Можно считать работу силы тяжести, а можно просто ввести новое понятие – ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ, и больше не подсчитывать каждый раз такую работу, а пользоваться однотипной формулой, в которой уже всё учтено. Из того же примера с мячом, который лежит на балконе видно, что в формулу потенциальной энергии обязательно должна входить координата, поскольку именно положение тела определяет его потенциальную энергию в той или иной ситуации.
[5] Итак, на примере с мячом в гравитационном поле, мы выяснили, что для мяча найдутся координаты, в которых он имеет положительную потенциальную энергию – вследствие чего он "потенциально" может упасть на землю и "реализовать эту потенциальную энергию", переведя её в форму кинетической. Так же понятно, что если у мяча потенциальная энергия равна нулю – т.е. он лежит на земле, то он и не может набрать никакой кинетической энергии.
Если же мяч лежит в котловане (в яме), то упав на землю (!) – он не может набрать никакой кинетической энергии, потому что это вообще бессмысленная постановка вопроса – мяч из ямы не может упасть на поверхность земли – это абсурд. Именно в этой ситуации потенциальная энергия в поле гравитации – отрицательна.
[6] В случае с пружиной всё совсем не так. Если пружина не деформирована, то её потенциальная энергия равна нулю, это означает, что если грузик на пружине в состоянии равновесия предоставить самому себе – он не наберёт никакую скорость и никакую кинетическую энергию. Если же пружина деформирована, то при отпускании грузика на такой пружине – грузик устремится к равновесию и наберёт в точке равновесия определённую скорость и будет иметь кинетическую энергию, которая перейдёт в эту форму из потенциальной.
Причем, важно понимать (!), что безразлично как деформирована пружина, сжимаем мы её или растягиваем – грузик на пружине всё равно будет устремляться к точке равновесия и набирать скорость, а значит и кинетическую энергию, которая будет появляться из потенциальной энергии деформации пружины. Т.е. потенциальная энергия пружины при любом деформации: и при сжатии, и при растяжении – положительна!
По поводу бесконечности движения шариков по орбите можно поспорить, потому что земная атмосфера не имеет грани, поэтому станция и шарики в ней обязательно упадут на Землю Почему шарики двигаются по круговой орбите вместе со станцией? потому что на шарики как и на станцию действует сила притяжения Земли, которая сообщает шарикам центростремительное ускорение Сила тяжести направлена перпендикулярно скорости станции и шариков, поэтому эта сила меняет только направление скорости шариков и станции и не меняет величину скорости шариков и станции
В современных орудиях применяется обычно бездымный, пироксилиновый порох. Его изготовляют из сильного взрывчатого вещества – пироксилина, обработанного смесью спирта и эфира. А пироксилин, в свою очередь, получают из хлопка, обработанного смесью азотной и серной кислот.
В пироксилиновом порохе, так же как и в дымном, содержится кислород. Этот кислород выделяется при взрывчатом превращении, и за его счет происходит сгорание пороха.
Пироксилиновый порох при горении весь превращается в газы, не дает дыма.
Итак, порох сравнивать с бензином нельзя: в порохе есть все, что нужно для его горения, а в бензине нет кислорода.
На открытом воздухе и бензин, и порох горят не очень медленно, но и не очень быстро. Они горят, но не взрываются. Тут особой разницы между бензином и порохом нет.
Но совсем по-разному будут вести себя бензин и порох, если их поместить в замкнутом, закрытом со всех сторон пространстве, лишенном притока воздуха, например, в стволе орудия. Бензин в этом случае гореть не будет: для его горения нужен приток воздуха, приток кислорода.
Порох же в закрытом пространстве сгорит очень быстро: он взорвется и обратится в газы.
Горение пороха в закрытом пространстве – явление очень сложное, своеобразное, совсем не похожее на обычное горение. В науке подобные явления называют «взрывчатым разложением» или «взрывчатым превращением», лишь условно сохраняя за ним более привычное название «горение».
Почему же порох горит и даже взрывается без доступа воздуха?
Потому что в самом порохе содержится кислород, за счет которого и происходит горение.
В замкнутом пространстве порох сгорает чрезвычайно быстро, газов выделяется очень много, и температура их очень высока. В этом сущность взрыва; в этом отличие взрыва от обыкновенного горения.
Итак, чтобы получить взрыв, нужно зажечь порох непременно в замкнутом пространстве. Пламя тогда очень быстро, почти мгновенно, распространится по поверхности пороха, – произойдет его воспламенение. А затем порох сгорит и превратится в газы.
Так протекает взрыв. Он возможен только при наличии кислорода в самом взрывчатом веществе.
В этом именно и состоит особенность пороха и почти всех других взрывчатых веществ: в них самих имеется кислород, и они не нуждаются в притоке кислорода извне.