Warto przeczytać

Układem fizycznym nazywamy zbiór ciał oddziałujących na siebie, które tworzą pewną wyodrębnioną całość. Jeżeli ciała wchodzące w skład układu nie oddziałują z otoczeniem - nie działają na nie siły zewnętrzne lub siły zewnętrzne równoważą się - to taki układ nazywamy izolowanym układem ciał.

Zwróćmy uwagę na to, że ciała wchodzące w skład układu fizycznego mogą oddziaływać w różny sposób. Rozpatrywane siły mogą być przejawem różnego rodzaju oddziaływań. Model izolowanego układu ciał zakłada brak jakiegokolwiek oddziaływania elementów układu z otoczeniem. Nie wymienia on zatem z otoczeniem masy, ładunku i energii. Jest on równoznaczny z tym, że siły zewnętrzne nie mają wpływu na elementy układu.

Przykładem izolowanego układu ciał może być zbiór cząsteczek mających ładunek elektryczny, które umieszczone zostały w zewnętrznym polu elektrycznym, niwelującym wpływ oddziaływania elektrostatycznego z otoczeniem. Takie rozwiązanie stosowane jest na przykład w wielkim zderzaczu hadronówHadronyhadronów LHC (ang. Large Hadron Collider), będącym największym na świecie akceleratorem cząstek, należącym do Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN (fr. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire).

RzLRoKuGoIKfl

Rys. 1. Rysunek przedstawia zdjęcie fragmentu toru Wielkiego Zderzacza Hadronów. Wygląda on jak bardzo długa ustawiona poziomo nad podłogą rura poprowadzona w tunelu znajdującym się głęboko pod ziemią.

W LHC wiązki naładowanych cząstek zderzają się. W chwili zderzenia układ może być traktowany jako izolowany układ ciał. Spełniona jest w nim zasada zachowania pędu, energii, ładunku oraz momentu pędu.

Innym przykładem izolowanego układu ciał jest układ izolowany termodynamicznie. Nie wymienia on z otoczeniem masy, ładunku oraz energii. Urządzeniem spełniającym to kryterium jest kalorymetr, służący do pomiarów ciepła właściwego substancji lub ciepła topnienia. Aby zrozumieć, jak działa i jak jest zbudowane takie urządzenie, wyobraźmy sobie zamknięty termos, wewnątrz którego możemy zmierzyć temperaturę.

R1c3I7xAsJoPo

Rys. 2. Rysunek przedstawia kalorymetr składający się z dwóch aluminiowych kubków, włożonych jeden w drugi, między którymi umieszczono izolacyjną warstwę styropianu. Na wierzch nałożono przezroczystą pokrywkę. W pokrywce umieszczono dwa złącza elektryczne doprowadzające prąd do grzałki znajdującej się w wewnętrznym kubku oraz mieszadło aluminiowe i korek, przez który do wewnętrznego kubka wprowadzamy termometr.

Termos zbudowany jest najczęściej z dwóch aluminiowych ścianek, zewnętrznej oraz wewnętrznej, pomiędzy którymi znajduje się warstwa powietrza. Zamknięcie termosu zapobiega wymianie materii oraz energii z otoczeniem. Substancje znajdujące się w nim nie wymieniają energii z otoczeniem, ponieważ warstwa powietrza pomiędzy ściankami izoluje wnętrze termosu. Zwróćmy uwagę na to, że substancje znajdujące się w kalorymetrze mogą oddziaływać z wewnętrznymi ściankami termosu oraz znajdującym się w nim termometrem. A zatem elementy te również stanowią część układu izolowanego termodynamicznie (zamkniętego układu termodynamicznego).

Przykładem izolowanego układu ciał jest również tor powietrzny, na którym umieszczone są wózki.

R8qVAuF7he2eb

Rys. 3. Rysunek przedstawia zasadę działania toru powietrznego. Tor ten przedstawiono w postaci przekroju. Składa się on z długiej poziomej rurki, w której od góry nawiercono dużą ilość otworów, przez które w górę wylatuje powietrze przedstawione w postaci powyginanych czarnych strzałek. Nad nią umieszczono dwa prostokątne, niebieskie wózki, o tej samej masie oznaczonej dużą czarną literą M, utrzymywane ponad rurą siłą podmuchu powietrza wywiewanego przez otwory w rurce. Siła ta, oznaczona pionowym, czerwonym wektorem skierowanym w górę oraz dużą czerwoną literą F z indeksem dolnym p i znaczkiem wektora ponad nią, równoważy siłę grawitacji, oznaczoną pionowym, zielonym wektorem skierowanym w dół oraz dużą zieloną literą F z indeksem dolnym g i znaczkiem wektora ponad nią. Lewy wózek porusza się w prawo z prędkością oznaczoną czarnym poziomym wektorem oraz małą czarną literą v z indeksem dolnym jeden i znaczkiem wektora ponad nią. Prawy wózek porusza się w lewo z prędkością oznaczoną czarnym poziomym wektorem oraz małą czarną literą v z indeksem dolnym dwa i znaczkiem wektora ponad nią.

Siła grawitacji działająca na wózki jest równoważona przez siłę podmuchu powietrza wydobywającego się z dysz umieszczonych wewnątrz toru. Wózki unoszą się nad torem, a zatem w analizowanym przykładzie nie występuje siła tarcia. Ruch wózków oraz oddziaływanie pomiędzy nimi może odbywać się jedynie w kierunku poziomym. Wózki mogą oddziaływać ze sobą zderzając się - sprężyście lub niesprężyście.

Innym przykładem izolowanego układu ciał mogą być pułapki magnetyczne lub elektromagnetyczne, służące do przechowywania naładowanych cząstek. Cząstki znajdują się w obszarze wewnątrz pułapki, gdzie wytworzona jest próżnia. Mogą się poruszać i zderzać. Nie mogą natomiast wylecieć poza obszar, ponieważ nie pozwala na to zewnętrzne pole elektryczne i magnetyczne. Przykładem takiego urządzenia jest pułapka PenningaPułapka Penningapułapka Penninga.

RjOeqeTCOgMEo

Rys. 4. Rysunek przedstawia zdjęcie pułapki Penninga. Urządzenie składa się z wielu metalowych części elektrycznych, w tym z cewek wytwarzających silne jednorodne pole elektryczne wewnątrz urządzenia oraz okładek wytwarzających wewnątrz pułapki elektryczne pole kwadrupolowe. Wspólne oddziaływanie tych pól na naładowaną cząstkę powoduje jej uwięzienie we wnętrzu urządzenia bez dotykania do ścianek obudowy. Jest to szczególnie ważne przy przechowywaniu antymaterii.

Słowniczek