Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Ewolucja fizyki 
  Indeks
Wielkie wykłady
Jak powstawała
Ewolucja fizyki

Triumfy poglądu
mechanistycznego

Wielka powieść . . .
Pierwszy trop
Wektory
Zagadka ruchu
Jeszcze jeden trop
Czy ciepło jest . . .
Kolejka w lunaparku
Stosunek zamiany
Podłoże filozoficzne
Kinetyczna teoria . . .
Streszczamy
Upadek poglądu
mechanistycznego

Pole i teoria
względności

Kwanty
  Źródło
Albert Einstein, Leopold Infeld
EWOLUCJA FIZYKI
Rozwój poglądów od najważniejszych pojęć do teorii względności i kwantów

W przekładzie Ryszarda Gajewskiego


  Kolejka w lunaparku
 
Kolejka w lunaparku
 
P
rzyjrzyjmy się ruchowi tego znanego źródła emocji, jakim jest kolejka w lunaparku. W najwyższym punkcie toru umieszczony zostaje mały wagonik. Gdy go się puści swobodnie, wagonik zaczyna się pod wpływem siły ciążenia staczać w dół, po czym pędzi to w górę, to w dół, po fantastycznie poskręcanym torze, a nagłe zmiany prędkości dostarczają pasażerom silnych wrażeń. Każda taka kolejka ma swój punkt najwyższy, z którego wyrusza. Wysokości tej nie osiągnie już ani razu przez cały czas trwania ruchu. Pełny opis ruchu byłby bardzo złożony. Z jednej strony mamy mechaniczny aspekt zagadnienia – zmiany prędkości i położenia w czasie. Z drugiej strony mamy tarcie, a więc wytwarzanie się ciepła w szynach i w kołach. Jedynym istotnym uzasadnieniem takiego podziału jest możliwość zastosowania uprzednio omówionych pojęć. Podział ten prowadzi do doświadczenia wyidealizowanego, albowiem proces fizyczny, w którym występowałby tylko aspekt mechaniczny, można sobie jedynie wyobrazić, lecz nigdy nie można go zrealizować.
       Przechodząc do wyidealizowanego doświadczenia, możemy sobie wyobrazić, że się komuś udało całkowicie wyeliminować towarzyszące zawsze ruchowi tarcie. Wynalazek swój postanawia on wykorzystać do zbudowania w lunaparku kolejki, którą musi sam zaprojektować. Wagonik ma się poruszać w dół i w górę, poczynając od punktu wzniesionego, na przykład o trzydzieści metrów nad ziemią. Metodą kolejnych prób nasz konstruktor przekona się, że trzeba postępować według prostej reguły: tor może mieć kształt zupełnie dowolny, byleby tylko żaden jego punkt nie leżał wyżej niż punkt wyjścia.
       Jeśli wagonik ma dotrzeć bez przeszkód do końca toru, może się on wznosić dowolnie wiele razy na wysokość trzydziestu metrów, ale nie wyżej.
Wagonik rzeczywistej kolejki nigdy nie osiągnie wysokości początkowej – ze względu na tarcie, ale nasz hipotetyczny inżynier nie musi się o to troszczyć.
       Przypatrzmy się ruchowi wyidealizowanego wagonika po wyidealizowanym torze, gdy zaczyna się on staczać w dół z punktu wyjściowego. W miarę zjeżdżania odległość wagonika od ziemi maleje, lecz szybkość wzrasta. Zdanie ostatnie przypomina na pierwszy rzut oka zdanie z lekcji języka obcego: „Nie mam ołówka, lecz ty masz sześć pomarańczy”. Nie jest ono jednak takie głupie. Między tym, że ja nie mam ołówka, a tym, że ty masz sześć pomarańczy, nie ma żadnego związku, ale między odległością wagonika od ziemi a jego szybkością istnieje bardzo istotna zależność. Znając wysokość, na której właśnie znajduje się wagonik, możemy obliczyć jego szybkość. Nie będziemy się tu jednak tym zajmować, gdyż rozważania takie miałyby charakter ilościowy i najłatwiej byłoby je ująć w postaci wzorów matematycznych.
       W najwyższym punkcie toru wagonik ma prędkość równą zeru i znajduje się na wysokości trzydziestu metrów nad ziemią. W najniższym możliwym punkcie nie ma żadnej odległości od ziemi, a prędkość jest największa. Fakty te można wyrazić inaczej: W swym najwyższym położeniu wagonik ma energię potencjalną, ale nie ma energii kinetycznej, czyli energii ruchu. W punkcie najniższym ma największą energię kinetyczną, a nie ma wcale energii potencjalnej. We wszystkich położeniach pośrednich, gdy występuje pewna prędkość i pewne wzniesienie, wagonik ma zarówno energię kinetyczną, jak potencjalną. Energia potencjalna rośnie ze wzrostem wysokości, podczas gdy kinetyczna wzrasta w miarę wzrostu prędkości. Do wyjaśnienia ruchu wystarczają zasady mechaniki. W opisie matematycznym występują dwa wyrażenia na energię, przy czym wartość każdego z nich zmienia się, jednakże ich suma nie ulega zmianie. Można więc w sposób matematycznie ścisły wprowadzić pojęcie zależnej od położenia energii potencjalnej oraz zależnej od prędkości energii kinetycznej. Wprowadzenie tych dwóch nazw jest oczywiście dowolne i jest podyktowane tylko wygodą. Suma obu wielkości pozostaje nie zmieniona i nazywa się stałą ruchu. Całkowitą energię, to znaczy sumę energii kinetycznej i potencjalnej, można porównać z pewną stałą sumą pieniędzy, których się nie wydaje, a tylko ciągle – według ściśle ustalonego kursu – wymienia z jednej waluty na drugą, na przykład ze złotych na dolary, i odwrotnie.
       Również w rzeczywistej kolejce, gdzie tarcie nie pozwala wagonikowi wznieść się na wysokość, z której wyruszył, występuje ciągła wymiana między energią kinetyczną a potencjalną.
Tu jednak suma nie pozostaje stała, lecz maleje. Aby powiązać mechaniczny aspekt ruchu z aspektem cieplnym, trzeba jeszcze dokonać jednego doniosłego i odważnego kroku. Bogactwo konsekwencji i uogólnień, jakie z niego wynikną, będziemy mogli ocenić później.
       Poza energią kinetyczną i potencjalną wchodzi teraz w grę coś więcej, a mianowicie wytworzone przez tarcie ciepło. Czy ciepło to odpowiada ubytkowi energii mechanicznej, to znaczy energii kinetycznej i potencjalnej? Znów trzeba zrobić przypuszczenie. Jeżeli można uważać ciepło za postać energii, to może suma wszystkich trzech energii – cieplnej, kinetycznej i potencjalnej pozostaje stała? Niezniszczalne, podobnie jak substancja, jest nie samo ciepło, ale ciepło wzięte wraz z innymi postaciami energii. To tak jakby ktoś musiał płacić sobie samemu prowizję we frankach za zamianę własnych złotych na własne dolary i zarobione w ten sposób pieniądze oszczędzał, tak że suma złotych, dolarów i franków, liczona według określonego kursu wymiany, byłaby wielkością stałą.
       Postęp nauki zburzył dawniejsze pojęcie ciepła jako substancji. Spróbujmy stworzyć nową substancję, energię, z ciepłem, jako jedną z jej postaci.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach