Jak modelować wybrane zjawiska za pomocą modeli fizycznych?
Stosowanie modeli w fizyce jest nieuniknione. Starając się opisać badane zjawisko, należy umieć pokazać, że uprawnione jest zastosowanie pewnych uproszczeń lub przybliżeń. Wyjście poza zakres stosowalności modelu może skutkować pojawieniem się pewnych przewidywań, które okazują się absurdalne - czy to w eksperymencie myślowym, czy rzeczywistym.
Rpm9qA6l2oCRJ
1
Polecenie 1
Wymień jeden pominięty w filmiku efekt, zwykle zaniedbywany w opisie ziemskiego ciążenia, i - podobnie jak siła Coriolisa - wywołany dobowym ruchem Ziemi.
Jaka siła bezwładności kojarzy Ci się z ruchem obrotowym?
Chodzi o siłę odśrodkową. Na biegunach wynosi ona zero, najsilniejszy efekt występuje oczywiście na równiku - najdalej od osi obrotu. Przy czym o ile wpływ tej siły na spadek swobodny jest zerowy, o tyle pochodząca od niej „poprawka” do ciężaru ciał na powierzchni Ziemi - daje się oszacować. „Przyspieszenie bezwładności” wynosi , gdzie dla Ziemi , a to odległość powierzchni Ziemi od równika na danej szerokości geograficznej , tradycyjnie liczonej od równika. Na równiku otrzymujemy .
1
Polecenie 2
Punkt leży na równiku Ziemi, punkt na wysokości nad . Z punktu upuszczamy z zerową prędkością początkową ciało, które wskutek ruchu obrotowego Ziemi trafia w punkt . Oszacuj odległość .
Różnica w prędkościach liniowych w ruchu dobowym Ziemi dla punktów i to . Czas spadania to . Ruch przez ten czas z zadaną różnicą prędkości liniowych odpowiada przemieszczeniu wzdłuż równika o odległość Dla naszych danych jest to wartość rzędu centymetrów, więc w rzeczywistym doświadczeniu raczej nie do zmierzenia.
Dla zainteresowanych
Siła Coriolisa często przytaczana bywa na lekcjach geografii jako odpowiedzialna za typowe kierunki ruchu powietrza przy równiku i nie tylko.
Bardziej efektowną demonstracją wpływu siły Coriolisa na ruch ciał w ziemskim polu grawitacyjnym jest tzw. wahadło Foucaulta, w warunkach szkolnych czy domowych raczej nie do przeprowadzenia.
Nieco niebezpieczne może być osobiste badanie siły Coriolisa na placu zabaw, jeśli jest na nim płaska karuzela w kształcie dysku. Próba przejścia wzdłuż promienia obracającego się dysku jest wyjątkowo trudna (wersja jeszcze trudniejsza: przejście od obwodu do środka - trzeba przeciwdziałać także sile odśrodkowej).
Typowo pomijanym elementem w uproszczonym opisie spadku (już nie swobodnego!) w ziemskim polu ciążenia są oczywiście opory powietrza. Nawet przy dobrej znajomości hydrodynamiki ich ścisły opis jest bardzo trudny, a dla dużych prędkości i skomplikowanych kształtów poruszającego się ciała do dziś nie wiadomo, czy rozwiązania pewnych równań opisujących tę sytuację istnieją, a jeśli tak - nie są znane ich własności. Fizycy i inżynierowie skazani są tu na analizę numeryczną i doświadczenia, matematycy preferują podejście jakościowe - żmudną analizę równań i zależności hipotetycznych rozwiązań od warunków początkowych, oraz dowodzenie, że rozwiązania o takich czy innych własnościach istnieją (albo nie).
Obserwacje meteorów pokazują, że przy dużych prędkościach założenie nienaruszalności spadającego ciała (a więc stałości jego masy!) jest niespełnione.
Jeszcze wyższą szkołą jazdy byłoby uwzględnienie tak dużych odległości od Ziemi i tak dużych prędkości początkowych ciała próbnego, że problem „spadku” rozdzieliłby się na trzy klasy rozwiązań problemu Keplera - ciało orbitowałoby wokół Ziemi albo od niej uciekało (po orbicie parabolicznej albo hiperbolicznej).
Można spytać, przeczytawszy 6., co ma wspólnego orbitowanie ze spadkiem swobodnym. O ile nazewnictwo może się wydawać dziwne - ma, ale aby to docenić, należy przejść przez podstawy kursu ogólnej teorii względności. W ramach geometrycznego opisu grawitacji wszystkie ciała próbne w zadanej geometrii poruszają się swobodnie. A że jedne orbitują np. po okręgu, a drugie rzeczywiście „spadają” - w zasadzie nie ma znaczenia dla tego ujęcia. Jednak o ile teoria grawitacji Einsteina została sprawdzona w paru kluczowych przypadkach (w roku 2017 za potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych przyznano nagrodę Nobla z fizyki), ma swoje podstawowe problemy. W szczególności, poza modelami polegającymi na sukcesywnym dodawaniu relatywistycznych „poprawek” do teorii Newtona i szczególnej teorii względności, do dziś nie udało się w ramach OTW ściśle sformułować problemu dwóch ciał, tj. relatywistycznej wersji problemu Keplera. Niemniej, modele „post‑Newtonowskie” są bardzo dobrze zbadane i rachunki na nich oparte dają bardzo dobrą zgodność z doświadczeniem.
Jednym z podstawowych koncepcyjnych ograniczeń teorii Newtona w porównaniu z ogólną teorią względności jest natychmiastowe rozchodzenie się zmian pola grawitacyjnego w przestrzeni. W przypadku słabych pól i prędkości ciał niewielkich w porównaniu z prędkością światła w próżni jest to pomijalne niedociągnięcie, ale tak czy inaczej niedopuszczalne, jeśli serio traktować problem przyczynowości. Jak dotąd, wszystkie znane doświadczenia sugerują, że prędkość światła w próżni jest górnym ograniczeniem na prędkość rozchodzenia się oddziaływań.
Dla zainteresowanych
W filmiku pokazaliśmy trzy wykresy pokazujące ruch ciała spadającego pionowo na Ziemię z wysokości . Rozwiązanie równania ruchu, tj.
w postaci zamkniętej („jawnej” - poprzez znane w szkole funkcje) nie jest możliwe. Jednym z wyjść jest potraktowanie problemu numerycznie. Zmiennymi są tu czas, położenie, prędkość i przyspieszenie. Należy zwiększać czas o tzw. krok (niewielki w porównaniu ze spodziewanym czasem trwania ruchu). Na podstawie znajomości siły od położenia wyliczać przyspieszenie, później „poprawiać” prędkość o iloczyn przyspieszenia przez krok czasowy, a na końcu położenie o iloczyn prędkości przez krok czasowy (i ew. poprawkę z przyspieszeniem i kwadratem kroku czasowego). I powtarzać te czynności do chwili (albo położenia), kiedy decydujemy się przerwać obliczenia.
Problem 1
Czy umiesz przeprowadzić taką symulację?
Zamieszczamy realizację tego typu symulacji w kilku językach, w stanie bardzo surowym. Dane początkowe i stałe wzięte są „z sufitu” i dla jakościowego wglądu w zjawisko (np. narysowania wyżej wspomnianych wykresów pozbawionych skali) wystarczają. Jedyne, co znamy „dokładnie”, to zakres zmian przyspieszenia. Jeśli chcesz danych ilościowych - np. oszacowania rzeczywistego czasu spadania z zadanej wysokości - dokonaj niezbędnych usprawnień i obejrzyj wypisywane przez program dane, czy to na konsoli, czy umieszczając je na wykresie, np. z poprzez import do arkusza kalkulacyjnego albo w specjalnym programie, takim jak gnuplot. Można dodać siłę oporu, wyjść poza ruch po linii prostej, tj. dodać składową poziomą prędkości początkowej itp. Uwaga: W naszym przypadku metoda ta wydaje się dawać spójne wyniki, ale nie należy się dziwić błędom przy okazji tego typu symulacji. W szczególności, w przypadku ruchu z niezerową i niepionową prędkością początkową, orbita - w teorii - np. ściśle eliptyczna może się okazać „ruchoma”. W trudnych przypadkach albo niestabilnej metodzie obliczeniowej ciało - bez żadnych przyczyn czysto fizycznych - może „uciec” z orbity. Dobrym pomysłem jest wtedy kontrolowanie stałości energii całkowitej w każdym kroku czasowym i dokonywanie niezbędnych poprawek. Wobec modeli w fizyce, w tym metod numerycznych, powinna obowiązywać tzw. zasada ograniczonego zaufania.