En idealisert modell i fysikk

En idealisert modell representerer alle de viktige egenskapene til et fenomen, samtidig som den fjerner distraksjoner. Westend61, Getty Images

Jeg hørte en gang et akronym for de beste fysikkrådene jeg noen gang har fått: Keep It Simple, Stupid (KISS). I fysikk har vi typisk å gjøre med et system som i virkeligheten er veldig komplekst. For et eksempel, la oss vurdere et av de enkleste fysiske systemene å analysere: å kaste en ball.

Idealisert modell for å kaste en tennisball

Du kaster en tennisball i luften og den kommer tilbake, og du vil analysere bevegelsen. Hvor komplisert er dette?

Ballen er ikke helt rund, for en ting; den har rare uklare ting på seg. Hvordan påvirker det bevegelsen? Hvor mye vind er det? Fikk du litt spinn på ballen da du kastet den? Nesten sikkert. Alle disse tingene kan ha en innvirkning på ballens bevegelse gjennom luften.

Og det er de åpenbare! Når den går opp, endres faktisk vekten litt, basert på avstanden fra jordens sentrum. Og jorden roterer, så kanskje det vil ha noen betydning for den relative bevegelsen til ballen. Hvis solen er ute, er det lys som treffer ballen, noe som kan ha energimessige konsekvenser. Både solen og månen har gravitasjonseffekter på tennisballen, så bør de tas med i betraktningen? Hva med Venus?

Vi ser raskt at dette kommer ut av kontroll. Det skjer for mye i verden til at jeg kan finne ut hvordan alt det påvirker meg når jeg kaster tennisballen? Hva kan vi gjøre?

Bruk i fysikk

I fysikk, en modell (eller idealisert modell ) er en forenklet versjon av det fysiske systemet som fjerner unødvendige aspekter av situasjonen.

En ting som vi vanligvis ikke bekymrer oss for er den fysiske størrelsen på objektet, og heller ikke egentlig strukturen. I tennisballeksemplet behandler vi den som et enkelt punktobjekt og ignorerer uklarheten. Med mindre det er noe vi er spesielt interessert i, vil vi også ignorere det faktum at det snurrer. Luftmotstand blir ofte ignorert, det samme er vind. De gravitasjon påvirkninger fra solen, månen og andre himmellegemer ignoreres, og det samme gjør lysets innvirkning på ballens overflate.

Når alle disse unødvendige distraksjonene er fjernet, kan du begynne å fokusere på de nøyaktige egenskapene til situasjonen du er interessert i å undersøke. For å analysere bevegelsen til en tennisball, vil det typisk være forskyvningene, hastigheter , og gravitasjonskrefter involvert.

Bruk forsiktighet med idealiserte modeller

Det viktigste i arbeidet med en idealisert modell er å sørg for at tingene du fjerner er ting som er ikke nødvendig for din analyse . Funksjonene som er nødvendige vil bli bestemt av hypotese som du vurderer.

Hvis du studerer vinkelmomentum , spinn av et objekt er viktig; hvis du studerer 2-dimensjonal kinematikk , kan den kanskje ignorere det. Hvis du kaster en tennisball fra et fly i stor høyde, kan det være lurt å ta hensyn til vindmotstand, for å se om ballen treffer en terminal hastighet og slutter å akselerere. Alternativt kan det være lurt å analysere tyngdekraftens variasjon i en slik situasjon, avhengig av presisjonsnivået du trenger.

Når du lager en idealisert modell, sørg for at tingene du eliminerer er egenskaper du faktisk ønsker å eliminere fra modellen din. Å skjødesløst ignorere et viktig element er ikke en modell; Det er en feil.

Redigert avAnne Marie Helmenstine, Ph.D.