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
Zapoznaj się z audiodeskrypcją samouczka.
1
Polecenie 1

Wymień jeden pominięty w filmiku efekt, zwykle zaniedbywany w opisie ziemskiego ciążenia, i - podobnie jak siła Coriolisa - wywołany dobowym ruchem Ziemi.

uzupełnij treść
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 .

uzupełnij treść
Dla zainteresowanych
  1. Siła Coriolisa często przytaczana bywa na lekcjach geografii jako odpowiedzialna za typowe kierunki ruchu powietrza przy równiku i nie tylko.

  2. 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.

  3. 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).

  4. 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).

  5. Obserwacje meteorów pokazują, że przy dużych prędkościach założenie nienaruszalności spadającego ciała (a więc stałości jego masy!) jest niespełnione.

  6. 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).

  7. 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.

  8. 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?

RGGY1Ja1sxKud
sleszsleszcplusplus haszincludemniejszecmathwiększy haszincludemniejszeiostreamwiększy int mainnawias otwartynawias zamknięty nawias klamrowy otwarty sleszslesz główne zmienne: położenieprzecinek przyspieszenieprzecinek prędkośćprzecinek sleszslesz prędkość średniaprzecinek prędkość początkowaprzecinek końcowaprzecinek czaskropka double rprzecinek aprzecinek vprzecinek vsrprzecinek vpprzecinek vkprzecinek tśrednik sleszslesz krok czasowy: const double dt równy 0kropka001średnik sleszslesz przyspieszenie na wyskropka Początkowej const double a0 równy 500kropkaśrednik sleszsleszwarunki początkowe: v równy 0kropkaśrednik t równy 0kropkaśrednik fornawias otwartyr równy 10kropkaśrednik r większyrówny 5kropkaśredniknawias zamknięty nawias klamrowy otwarty a równy - a0slesznawias otwartyrrazyrnawias zamkniętyśrednik vp równy vśrednik v równy v plus arazydtśrednik vk równy vśrednik vsr równy nawias otwartyvk plus vpnawias zamkniętyslesz2kropkaśrednik r równy r plus vsrrazydtśrednik t plusrówny dtśrednik std::coutmniejszemniejszetmniejszemniejszecudzysłów cudzysłówmniejszemniejszermniejszemniejszecudzysłów cudzysłówmniejszemniejszevmniejszemniejszecudzysłów cudzysłówmniejszemniejszeamniejszemniejszecudzysłówback sleszncudzysłówśrednik nawias klamrowy zamknięty return 0średnik nawias klamrowy zamknięty
R16xrazZTZcP5
apostrofapostrofapostrofpythonapostrofapostrofapostrof dt równy 0kropka001 a0 równy 500kropka v równy 0kropka t równy 0kropka r równy 10kropka printnawias otwartycudzysłówt rnawias otwartytnawias zamknięty vnawias otwartytnawias zamknięty anawias otwartytnawias zamkniętycudzysłównawias zamknięty while r większy 5kropka0 dwukropek t plusrówny dt a równy minus a0slesznawias otwartyrrazyrnawias zamknięty vp równy v v równy v plus arazydt vk równy v vs równy nawias otwartyvp plus vknawias zamkniętyslesz2kropka r równy r plus vsrrazydt printnawias otwartyt,endrównyapostrof apostrofnawias zamknięty printnawias otwartyr,endrównyapostrof apostrofnawias zamknięty printnawias otwartyv,endrównyapostrof apostrofnawias zamknięty printnawias otwartyanawias zamknięty
RgHmNlQqPMLxl
sleszsleszChasz using Systemśrednik namespace Spadek nawias klamrowy otwarty class Program nawias klamrowy otwarty static void Mainnawias otwartynawias zamknięty nawias klamrowy otwarty const double krokCzasowy równy 0kropka001średnik const double przyspieszenieNaWys2RZ równy 500średnik double predkoscPoczatkowaśrednik double predkoscKoncowaśrednik double predkoscSredniaśrednik double predkosc równy 0średnik double czas równy 0średnik double przyspieszenieśrednik ConsolekropkaWriteLinenawias otwartycudzysłówt rnawias otwartytnawias zamknięty vnawias otwartytnawias zamknięty anawias otwartytnawias zamkniętycudzysłównawias zamkniętyśrednik for nawias otwartydouble wysokosc równy 10kropkaśrednik wysokosc większyrówny 5kropkaśrednik czas plusrówny krokCzasowynawias zamknięty nawias klamrowy otwarty przyspieszenie równy minus przyspieszenieNaWys2RZ slesz nawias otwartywysokosc razyrazy 2nawias zamkniętyśrednik predkoscPoczatkowa równy predkoscśrednik predkosc plusrówny przyspieszenie razy krokCzasowyśrednik predkoscKoncowa równy predkoscśrednik predkoscSrednia równy nawias otwartypredkoscPoczatkowa plus predkoscKoncowanawias zamkniętyslesz2średnik wysokosc równy wysokosc plus predkoscSrednia razy krokCzasowyśrednik Napisznawias otwartyczasprzecinek wysokoscprzecinek predkoscprzecinek przyspieszenienawias zamkniętyśrednik nawias klamrowy zamknięty nawias klamrowy zamknięty static void Napisznawias otwartydouble tprzecinek rprzecinek vprzecinek anawias zamknięty nawias klamrowy otwartyConsolekropkaWriteLinenawias otwartycudzysłównawias klamrowy otwarty0nawias klamrowy zamknięty nawias klamrowy otwarty1nawias klamrowy zamknięty nawias klamrowy otwarty2nawias klamrowy zamknięty nawias klamrowy otwarty3nawias klamrowy zamkniętycudzysłówprzecinek tprzecinek rprzecinek vprzecinek anawias zamkniętyśrednik nawias klamrowy zamknięty nawias klamrowy zamknięty nawias klamrowy zamknięty
RysAToiHsmi6o
sleszslesz java public class Spadek nawias klamrowy otwarty public static void mainnawias otwartyString argsnawias kwadratowy otwartynawias kwadratowy zamkniętynawias zamknięty nawias klamrowy otwarty double rprzecinek aprzecinek vprzecinek tprzecinek Rśrednik double dt równy 0kropka1średnik double a0 równy 500kropkaśrednik v równy 0kropkaśrednik t równy kropkaśrednik int step równy 0średnik fornawias otwartyr równy 10kropkaśrednik r większyrówny 5kropkaśrednik stepplusplusnawias zamknięty nawias klamrowy otwarty a równy minusa0slesznawias otwartyrrazyrnawias zamkniętyśrednik v równy v plus arazydtśrednik r równy r plus vrazydtśrednik R równy r plus 0kropka5razyarazydtrazydtśrednik t plusrówny dtśrednikSystemkropkaoutkropkaprintlnnawias otwartyt plus cudzysłów cudzysłów plus r plus cudzysłów cudzysłów plus v plus cudzysłów cudzysłów plus anawias zamkniętyśrednik nawias klamrowy zamknięty nawias klamrowy zamknięty nawias klamrowy zamknięty
R3gLycwQHuvUh
wykrzyknik fortranminus90 program spadek real dwukropekdwukropek tprzecinek rprzecinek vprzecinek vpprzecinek vkprzecinek vsrprzecinek aprzecinek dtprzecinek a0 t równy 0kropka dt równy 0kropka001 a0 równy 500kropka r równy 10kropka do whilenawias otwartyr większyrówny 5kropka0nawias zamknięty t równy t plus dt a równy minus a0slesznawias otwartyrrazyrnawias zamknięty vp równy v v równy v plus arazydt vk równy v vsr równy nawias otwartyvp plus vknawias zamkniętyslesz2 r równy r plus vsrrazydt writenawias otwarty0przecinekapostrofnawias otwartyf5kropka3przecinekcudzysłów cudzysłównawias zamkniętyapostrofprzecinekadvancerównyapostrofnoapostrofnawias zamknięty t writenawias otwarty0przecinekapostrofnawias otwartyf5kropka2przecinekcudzysłów cudzysłównawias zamkniętyapostrofprzecinekadvancerównyapostrofnoapostrofnawias zamknięty rwritenawias otwarty0przecinekapostrofnawias otwartyf5kropka2przecinekcudzysłów cudzysłównawias zamkniętyapostrofprzecinekadvancerównyapostrofnoapostrofnawias zamknięty v writenawias otwarty0przecinekapostrofnawias otwartyf5kropka2przecinekcudzysłów cudzysłównawias zamkniętyapostrofnawias zamknięty a enddo end program spadek