Однажды я услышал аббревиатуру лучших советов по физике, которые я когда-либо получал: Keep It Simple, Stupid (KISS). В физике мы обычно имеем дело с системой, которая на самом деле очень сложна. В качестве примера рассмотрим одну из самых простых физических систем для анализа: бросание мяча.
Идеализированная модель броска теннисного мяча
Вы подбрасываете теннисный мяч в воздух, и он возвращается, и вы хотите проанализировать его движение. Насколько это сложно?
Во-первых, мяч не идеально круглый; на нем есть та странная нечеткая фигня. Как это влияет на его движение? Насколько ветрено? Вы немного покрутили мяч, когда бросили его? Почти наверняка. Все это может влиять на движение мяча в воздухе.
И это очевидные вещи! По мере того, как он поднимается, его вес на самом деле немного меняется в зависимости от расстояния от центра Земли. А Земля вращается, так что, возможно, это будет иметь какое-то отношение к относительному движению шара. Если Солнце не светит, то в шар попадает свет, который может иметь энергетические последствия. И Солнце, и Луна оказывают гравитационное воздействие на теннисный мяч, так нужно ли это учитывать? А что насчет Венеры?
Мы быстро видим, как эта спираль выходит из-под контроля. В мире происходит слишком много всего, и я не могу понять, как все это влияет на то, как я бросаю теннисный мяч? Что мы можем сделать?
Использование в физике
В физике модель (или идеализированная модель ) – это упрощенная версия физической системы, которая удаляет ненужные аспекты ситуации.
Одна вещь, о которой мы обычно не беспокоимся – это физический размер объекта, а не его структура. В примере с теннисным мячом мы рассматриваем его как простой точечный объект и игнорируем размытость. Если это не то, что нас особо интересует, мы также проигнорируем тот факт, что он крутится. Сопротивление воздуха часто игнорируется, как и ветер. Влияние гравитации Солнца, Луны и других небесных тел игнорируется, как и влияние света на поверхность шара.
Когда-то все Убрав эти ненужные отвлекающие факторы, вы можете сосредоточиться на конкретных качествах ситуации, которую вы хотите изучить. Для анализа движения теннисного мяча обычно используются смещения, скорости и силы тяжести.
Осторожно с идеализированными моделями
Самая важная вещь при работе с идеализированной моделью – это убедиться, что то, что вы удаляете, – это то, что не необходимо для вашего анализа. . Необходимые функции будут определяться гипотезой, которую вы рассматриваете..
Если вы изучаете угловой момент, важно вращение объекта; если вы изучаете двухмерную кинематику, он может проигнорировать ее. Если вы бросаете теннисный мяч с самолета на большой высоте, вы можете принять во внимание сопротивление ветра, чтобы увидеть, достигнет ли мяч предельной скорости и перестанет ли ускоряться. В качестве альтернативы вы можете захотеть проанализировать изменчивость силы тяжести в такой ситуации, в зависимости от необходимого вам уровня точности.
При создании идеализированной модели сделайте убедитесь, что то, что вы исключаете, – это черты, которые вы действительно хотите исключить из своей модели. Небрежное игнорирование важного элемента – это не модель; это ошибка.
Отредактировала Энн Мари Хелменстайн, доктор философии