Model wyidealizowany w fizyce

Kiedyś słyszałem akronim najlepszych porad fizyki, jakie kiedykolwiek dostałem: Keep It Simple, Stupid (KISS). W fizyce zazwyczaj mamy do czynienia z układem, który w rzeczywistości jest bardzo złożony. Na przykład rozważmy jeden z najłatwiejszych systemów fizycznych do analizy: rzucanie piłki.

Rzucasz piłką tenisową w powietrze, a ona wraca i chcesz przeanalizować jej ruch. Jak to jest skomplikowane?

Po pierwsze, piłka nie jest idealnie okrągła; ma na sobie te dziwne, niewyraźne rzeczy. Jak to wpływa na jego ruch? Jak wieje wiatr Czy rzuciłeś piłkę trochę, gdy ją rzuciłeś? Prawie na pewno. Wszystkie te rzeczy mogą mieć wpływ na ruch piłki w powietrzu.

A to są oczywiste! Wraz ze wzrostem jego waga zmienia się nieznacznie w zależności od odległości od centrum Ziemi. Ziemia się obraca, więc być może będzie to miało wpływ na względny ruch kuli. Jeśli Słońce nie świeci, światło uderza w piłkę, co może mieć konsekwencje energetyczne. Zarówno Słońce, jak i Księżyc działają grawitacyjnie na piłkę tenisową, więc czy należy je wziąć pod uwagę? Co z Wenus?

Szybko widzimy, że ta spirala wymyka się spod kontroli. Na świecie dzieje się po prostu zbyt wiele, abym mógł zrozumieć, jak to wszystko wpływa na rzucanie piłką tenisową? Co możemy zrobić?

W fizyce model (lub wyidealizowany model) to uproszczona wersja systemu fizycznego, która usuwa zbędne aspekty sytuacji.

Jedną z rzeczy, o które zwykle nie martwimy się, jest fizyczny rozmiar obiektu, a tak naprawdę jego struktura. W przykładzie piłki tenisowej traktujemy go jako prosty obiekt punktowy i ignorujemy nieostrość. O ile nie jesteśmy tym szczególnie zainteresowani, zignorujemy również fakt, że się kręci. Opór powietrza jest często ignorowany, podobnie jak wiatr. The powaga wpływy Słońca, Księżyca i innych ciał niebieskich są ignorowane, podobnie jak wpływ światła na powierzchnię kuli.

Po usunięciu wszystkich tych niepotrzebnych rozrywek możesz zacząć skupiać się na dokładnych cechach sytuacji, którą chcesz zbadać. Aby przeanalizować ruch piłki tenisowej, zwykle są to przemieszczenia, prędkościi zaangażowane siły grawitacji.

Najważniejszą rzeczą w pracy z wyidealizowanym modelem jest upewnij się, że rzeczy, które usuwasz, to rzeczy, które są nie niezbędne do analizy. Niezbędne funkcje zostaną określone przez hipoteza które rozważasz.

Jeśli się uczysz moment pędu, spin obiektu jest niezbędny; jeśli się uczysz 2-wymiarowa kinematyka, może to być w stanie zignorować. Jeśli rzucasz piłkę tenisową z samolotu na dużej wysokości, możesz wziąć pod uwagę opór wiatru, aby sprawdzić, czy piłka uderza w końcową prędkość i przestaje przyspieszać. Alternatywnie możesz przeanalizować zmienność grawitacji w takiej sytuacji, w zależności od wymaganego poziomu precyzji.

Tworząc wyidealizowany model, upewnij się, że to, co eliminujesz, to cechy, które faktycznie chcesz wyeliminować ze swojego modelu. Nieostrożne ignorowanie ważnego elementu nie jest modelem; to pomyłka.

Edytowany przez Dr Anne Marie Helmenstine