piątek, 23 października 2009

Mentalność fizyka

Przeglądając w internecie reakcje fizyków na zderzak Łągiewki (i nie tylko) dochodzę do wniosku, że mieliby poważny problem ze zrozumieniem działania czajnika z dzióbkiem.
Dla każdego chyba prócz naukowców jest oczywiste, że czajnik traci energię, kiedy dzióbek gwiżdże. Dla fizyka takie myślenie jest niedopuszczalne, bo przeczy zasadzie zachowania energii.

Nie żartuję, właśnie pokłóciłem się o to na grupie dyskusyjnej fizyki. Uśmiali się na sugestię, że jakieś urządzenie nie musi przestrzegać zasady zachowania pędu, wynikającej z zasady zachowania energii kinetycznej. Bo energia nie może sobie zniknąć.
Zgodnie z ich rozumieniem, kiedy zderzą się dwa jajka, to wymienią prędkościami i każde odleci w swoją stronę. Inaczej złamałoby to zasadę zachowania pędu.

Przecież zderzak kinetyczny jest podobnym układem otwartym, który traci energię. Najpierw energię z miejsca uderzenia (a skądby indziej, przecież uszkodzenia pojazdów podczas kolizji zaczynają się od miejsca uderzenia) akumuluje w wirującym elemencie (by rozpędzić wirnik o określonej masie i średnicy do określonej prędkości trzeba doprowadzić weń określoną energię), później traci - wirnik wskutek tarcia na łożyskach będzie zwalniał i stopniowo wydzielał nagromadzoną energię w postaci ciepła.
Skoro energia uderzenia została pochłonięta, nie działa na pojazd siła. Jeśli nie działa siła, nie ma przyspieszenia (przeciążeń).
Trochę tylko wydaje się dziwaczne odczucie osób siedzących w pojeździe, gdyż świat za oknem nagle się zatrzymuje i nie odczuwają uderzenia. Lecz gdyby zamalować szyby, wtedy wszystko się zgadza. Przesuwanie się pojazdu względem powierzchni ziemi nie ma znaczenia, bo ta powierzchnia w tym przypadku nie jest żadnym układem odniesienia (dla pojazdu i wszystkiego co w nim się znajduje, dla elementu zderzaka już jest, jeśli przeszkoda jest przytwierdzona do podłoża, ale zderzak to nie pojazd, tylko mechanizm oddzielający pojazd od przeszkody).
Jeśli to nie do końca jest jasne, można sobie wyobrazić przeciwna sytuację - to pojazd stoi nieruchomy, natomiast rozpędzona przeszkoda uderza w niego. Dla pasażerów skutki takiego uderzenia są identyczne. Jeśli pomiędzy pojazdem a przeszkodą znajdzie się "coś", co absorbuje całą energię uderzenia, to pojazd pozostanie nieuszkodzony, nie wystąpią w nim także przeciążenia.
W obydwu przypadkach (pojazd uderzający w przeszkodę i przeszkoda uderzająca w pojazd) działające siły są identyczne!

Nie wiem, z czym naukowcy mieli problem przez tyle lat, bo nawet przedszkolak by to zrozumiał.

Fizycy popełnili następujące szkolne błędy:
1) Traktowanie pojazdu jakby to był punkt materialny lub bryła doskonale sztywna.
2) Uważanie elementu zderzaka uderzającego w przeszkodę jako stanowiącego część karoserii.
3) Stosowanie zasady zachowania pędu do układu otwartego, który traci energię.
4) Przyjęcie podłoża jako układu odniesienia, choć w tym przypadku nim nie jest, nie ma żadnego wpływu na działające podczas kolizji siły.
5) Traktowanie energii kinetycznej jakby to była właściwość przypisana sama przez się do poruszającego się pojazdu, tylko z racji jego poruszania się (podobny błąd został popełniony przy formułowaniu Teorii Względności, ale to inny temat:).
Energię kinetyczną możemy co prawda obliczyć ze wzoru ek=(m*V*V):2, lecz prędkość V w tym wzorze to nie jest żadna prędkość absolutna (coś takiego nie istnieje), lecz prędkość względna, pojazdu względem przeszkody.

Należałoby przypomnieć, czym jest energia, to nie jest jakieś nie wiadomo co, posiadane przez ciało materialne i "pozbywane się" podczas uderzenia, które lezie sobie gdzieś. Energia, z definicji, to zdolność wykonania pracy.

W świecie rzeczywistym, z którym fizycy czasem tracą kontakt, uderzenie samochodu wygląda mniej więcej tak:
1) Poruszający się WZGLĘDEM PRZESZKODY pojazd uderza w tą przeszkodę.
2) Przeszkoda oddziałuje na pojazd W MIEJSCU UDERZENIA siłą F, której wartość jest zależna m.in. od masy pojazdu oraz prędkości z p.1 (pomijam w rozważaniach masę przeszkody i siły jej tarcia o podłoże). Stan przed działaniem siły nie ma znaczenia, ważne są tylko parametry samej siły (punkt przyłożenia, wielkość, kierunek itd.).
3) Siła rozchodzi się po karoserii w postaci fal naprężeń w materiale (blacha zachowuje się jak membrana głośnika, stąd huk podczas kolizji). Powodują one odkształcenia materiału, tym większe, im bliżej do miejsca uderzenia (działania siły), ponieważ osłabiają tą siłę. Siła powoduje również pojawienie się przyspieszenia (przeciążenia) w miejscach jej działania, zgodnie ze wzorem a=F/m.

Oprócz punktów 2 i 3 nic innego się nie dzieje w układzie, nie powstają żadne inne siły, prędkości czy przyspieszenia! Nie trzeba stosować żadnych innych obliczeń. Choć obliczenia byłyby bardzo skomplikowane, gdyż wymagają stosowania wzorów z zakresu wytrzymałości materiałów (trzeba przekształcić energię w siłę). Do przeprowadzania symulacji w rozsądnym czasie zderzeń pojazdów używa się superkomputerów o ogromnych mocach obliczeniowych. Z wzoru na pęd kulek się nie da:)
Specjalnie nie wspominam o podłożu, ponieważ w tym przykładzie nie ma ono żadnego znaczenia dla działających sił(!).

Nie trudno sobie wyobrazić co się stanie, jak coś w miejscu uderzenia pochłonie całą siłę albo przynajmniej ją osłabi do niewielkiej wartości. Obliczenia znacznie się upraszczają. Właściwie to nie ma żadnych obliczeń przy zerowej sile.

Poniżej wniosek patentowy, ukazujący budowę zderzaka kinetycznego:
Lucjan Łągiewka (US Pat. 2007/0007780 A1)

Awantura o coś tak prostego. I po co było wrzeszczeć o łamaniu praw fizyki?
Ciekawi mnie reakcja amerykańskich urzędników patentowych. Miejmy nadzieję, że ich fizycy też się ośmieszą...
(może lepiej nie, bo jeszcze odmówią udzielenia patentu z racji rzekomego wykorzystania sił nadprzyrodzonych)

--- dodano 24 października 2009 ---
Dzisiaj pogadałem sobie o zderzaku kinetycznym z innymi studentami z Politechniki Warszawskiej. Nie słyszeli o nim. Ale faktycznie, skutki działania na pozór wydają się niecodzienne, choć wyjaśnienie zasady działania nie stanowiło dla nikogo problemu, nie ma w tym nic tajemniczego. Przekształcanie energii kinetycznej w inne formy odbywa się od dawna w wielu urządzeniach mechanicznych, to żadne nietypowe zjawisko. Zderzak kinetyczny jest mechanizmem, prostym zresztą, więc trzeba go przeanalizować przy pomocy dziedziny nauki zwanej "mechaniką ogólną", natomiast sprężyny bada "mechanika techniczna" (a konkretnie jeden z jej działów - "wytrzymałość materiałów"). Najwyraźniej fizyka nie dysponuje aparatem pojęciowym i matematycznym do analizowania mechanizmów, zresztą technika to nie jej działka.
Ważna uwaga - z samą przeszkodą nie może się stykać żaden element karoserii samochodu.

--- dodano 25 października 2009 ---
Podczas "normalnego" uderzenia samochodu, siła z miejsca uderzenia rozchodzi się po samochodzie, więc ta siła (a przynajmniej jej część, która po drodze nie została pochłonięta/zamieniona w inne formy) działa na fotele kierowcy i pasażerów, jakby "wyrywając" je spod ich zadków. Czyli to nie ludzie siedzący w samochodzie lecą do przodu, tylko samochód wraz z fotelami spod nich ucieka.
Tak to wygląda z punktu widzenia działających sił, a to właśnie przebieg sił śledzi się analizując mechanizmy techniczne.
To, że z punktu widzenia świata zewnętrznego, wszystko wydaje się lecieć do przodu, nie ma znaczenia, gdyż żadne siły ze świata zewnętrznego nie oddziałują bezpośrednio na wnętrze pojazdu.

--- dodano 26 października 2009 ---
Fizyk stoi sobie na chodniku i widzi uderzający w coś samochód. Jego naukowy abstrakcyjnie matematyczny umysł od razu policzy, że kierowca samochodu w chwili uderzenia posiada pęd p=m*V.
Błąd tkwi w założeniu fizyka, iż jest pępkiem świata. W rzeczywistości nie dochodzi do żadnego bezpośredniego przekazywania siły pomiędzy fizykiem a kierowcą, więc ten wzór nie ma zastosowania, gdyż prędkość V to nie bardzo wiadomo wobec czego liczyć. Wobec przeszkody też nie, gdyż samochód nie jest bryła sztywną, jego konstruktorzy postarali się o to, by siła uderzenie nie trafiła bezpośrednio w kierowcę.
Miałby zastosowanie tylko i wyłącznie w przypadku, kiedy zaskoczony umysł fizyka nieświadomie wytworzy jakąś siłę psychokinetyczną, która działa na kierowcę.

Jeśli kierowca nie zetknie się bezpośrednio z przeszkodą, to liczenie jego pędu względem tejże przeszkody jest równie sensowne co względem Księżyca lub komety Halleya.

--- dodano 27 października 2009 ---
Niezrozumiałe okazało się stwierdzenie, że to siedzenie ucieka do tyłu spod kierowcy. Kiedy obserwujemy uderzenie samochodu, mamy wrażenie, że to samochód się zatrzymuje, a kierowca leci do przodu. Przypominam, że chodzi nam o obserwację sił działających na kierowcę. Wyobraźmy sobie, że przesuwamy kamerę wzdłuż trasy samochodu, aby kierowca był w kadrze. Nagle samochód, który uderza w przeszkodę, odskakuje do tyłu, kierowca nadal jest kadrze. Siła działa na samochód. Gdyby działała jakaś siła wyrzucająca kierowcę do przodu, to odczułby uderzenie w plecy siłą, która go wyrzuca. Czyli samochód w coś uderza przodem, a kierowca odczuwa uderzenie z tyłu. Rzecz jasna nic takiego się nie dzieje przy kolizjach.
Kolejny argument, że niby kierowca powinien poruszać się ze stałą prędkością względem podłoża. O ile wiem, nie ma żadnego prawa fizyki nakazującego utrzymywanie stałej prędkości wobec powierzchni, z którą nie łączą żadne siły. Miałoby coś takiego miejsce tylko w jednym przypadku, gdyby karoseria pojazdu uderzającego o przeszkodę przytwierdzoną do podłoża była bardzo sztywna. Jeśli zawiera jakieś elementy pochłaniające energię, to w obiektywie kamery poruszającej się ze stała prędkością względem podłoża zauważymy, że podczas uderzenia samochodu o przeszkodę kierowca cofa się razem z pojazdem względem ruchu obiektywu. Natomiast kierowca w tym momencie nie odczułby niczego, żadnego przeciążenia, gdyż nie działa na niego siła.
Trochę to wydaje się nieintuicyjne, dlatego ważne jest prześledzenie działających sił, gdyż inaczej można łatwo się pogubić w poszczególnych stopniach złożonego mechanizmu. Intuicja może zawodzić, bo nie odzwierciedla jakiejś obiektywnej rzeczywistości, tylko model oparty na naszych codziennych doświadczeniach (dlatego kiedyś uważano, że Ziemia jest płaska, a Słońce mniejsze od portu w Atenach, intuicja tak podpowiadała).
Sam parokrotnie padłem ofiarą pewnej iluzji - siedzę w samochodzie stojącym na czerwonym świetle, nagle widzę, że samochód się zaczyna toczyć w tył, niemal to czuję, więc wciskam z całej siły hamulec. Okazywało się, że to nie mój samochód się poruszał, cały czas stał w miejscu, to tylko samochód stojący obok lekko się poruszył do przodu.

PS. Przyszłym wynalazcom radziłbym pokazywać swoje dzieła inżynierom, nie fizykom. Szkoda nerwów na wojny ideologiczne. Jeśli ktoś nie ma doświadczenia w danej dziedzinie techniki, to może łatwo paść ofiarą iluzji. Znajomość podstawowych praw przyrody to za mało. Każdy fizyk wie, co to napięcie i natężenie prądu oraz rezystancja, zna prawa Kirchhoffa, ale jeśli mu dać schemat zawierający wiele oporników, oczek oraz gałęzi prądu, to się pogubi, nie da rady policzyć. A pierwszy lepszy elektryk po zasadniczej szkole nie będzie miał problemów, bo zna metody takich obliczeń. Fizyk wie, co to tranzystor, ale nie wie, jak dobrać parametry rezystorów polaryzujących go. Wie, co to przekładnia zębata, ale niby skąd ma mieć pojecie, jak powinien wyglądać ząb, ile zębów może mieć koło oraz jaką sprawność ma przekładnia ślimakowa. Działanie zderzaka Łągiewki jest dla inżyniera mechanika czymś prostym i oczywistym, fizyk nie wie nawet, co i jak liczyć. Wiele z pozoru prostych rzeczy z naszego otoczenia zawiera w sobie ogromną dawkę specjalistycznej wiedzy.

4 komentarze:

gemini pisze...

Witam,
Twierdzisz ze energie z miejsca uderzenia akumuluje wirnik wiec na pojazd nie dziala sila. Problem w tym ze energia ta nie jest odprowadzana w czsie rownym nieskonczonosci wiec na pojazd musi dzialac sila. Poniewaz ten czas jest bardzo maly wiec sila bedzie bardzo duza (zmiana pedu w czasie). Nie mozna przeciesz rozpedzic wirnika bez udzialu czasu albo w czasie rownym nieskonczosnosc. Wyobraz sobie sprezyne z zapadka zamiast wirnika, gromadzaca energie. Wedlug Twojego wyjasnienia nie powinno byc roznicy w dzialaniu. Problem w tym ze roznica jest. To wlasnie jest problem z wyjasnieniem dzialania zderzaka Lagiewki.
Pozdrawiam

MaRa pisze...

Mylisz się.
Energia kinetyczna (ruchu) jest zamieniana w energię potencjalną (naprężenia sprężyny). Przemiana następuje bardzo szybko, nie ma już kinetycznej, a raczej jest jej niewielki ułamek, gdyż układ nie ma 100% sprawności.
Te energie są całkowicie przemienne między sobą, to widać w wahadle zegara.
Energia kinetyczna nie jest odprowadzana, nie znika, tylko zamieniana na inną.
Jest akumulowana w sprężynie, a następnie rozpędza wirnik, który w końcu kiedyś zwolni i zamieni ją wskutek tarcia w energię cieplną.

Natomiast sama sprężyna z zapadką nie spełni swojego zadania z prostego powodu - jej drugi koniec musi być umocowany, czyli oddziaływać siłą na karoserię i powodować powstanie przeciążenia.
W zderzaku Łągiewki koniec sprężyny nie jest umocowany do karoserii, tylko do wirnika.

Anonimowy pisze...

Jeżeli chodzi o fizyków, którzy by zrozumieli o co chodzi MaRze to jedynie ci którzy żyli długo przed Newtonem. Aby kochany MaRa do nich dotarł musi rozpędzić się na motocyklu wyposażonym w cud-hamulec na wysięgniku i pierdolnąć w ścianę z szybkością tak c.a. 100 km/h i wtedy wszelkie formy energii zgniotą jeden głupi łeb dla dobra ludzkości i żyjących fizyków.

MaRa pisze...

Proponuję najpierw nauczyć się polskiego, dopiero później brać się za fizykę. Z wysławianiem się jest problem - powinienem wywalić z tego powodu komentarz.

---
Chodzi o zasadę Macha (każdy ruch jest względny), czyli o podstawę całej współczesnej fizyki.

Przykład motocykla uderzającego w ścianę przy 100km/h. Ta prędkość jest względem ściany, a równocześnie motocyklista porusza się ze znacznie większą prędkością wskutek ruchy obrotowego Ziemi, ruchu Ziemi po orbicie wokół Słońca, ruchu Układu Słonecznego wokół Drogi Mlecznej, ruchu Galaktyki itd.
Gdyby liczyć energię kinetyczną jakiegoś ruchu absolutnego, to prędkości byłyby naddźwiękowe, a tego nie widać podczas uderzenia.

Wyobrażanie sobie, że to motocykl się porusza, a droga/ściana są nieruchome, to pewien skrót myślowy. Nie zawsze się sprawdza, jak każdy przypadek szczególny.
Dlatego w każdym poważnym podręczniku fizyki jest wzmianka: "przy spełnieniu następujących warunków".