Een geïdealiseerd model in de natuurkunde

Ik hoorde ooit een acroniem voor de beste stukjes natuurkundig advies die ik ooit kreeg: Keep It Simple, Stupid (KISS). In de natuurkunde hebben we meestal te maken met een systeem dat in werkelijkheid zeer complex is. Laten we bijvoorbeeld een van de gemakkelijkste fysieke systemen overwegen om te analyseren: een bal gooien.

Geïdealiseerd model van het gooien van een tennisbal

Je gooit een tennisbal in de lucht en hij komt terug en je wilt zijn beweging analyseren. Hoe complex is dit?

De bal is bijvoorbeeld niet perfect rond; het heeft dat rare vage spul erop. Hoe beïnvloedt dat zijn beweging? Hoe winderig is het? Heb je een beetje spin op de bal gezet toen je hem gooide? Bijna zeker. Al deze dingen kunnen een impact hebben op de beweging van de bal door de lucht.

En dat zijn de voor de hand liggende! Naarmate het omhoog gaat, verandert zijn gewicht eigenlijk iets, gebaseerd op zijn afstand tot het centrum van de aarde. En de aarde draait, dus misschien zal dat enige invloed hebben op de relatieve beweging van de bal. Als de zon uit is, dan is er licht dat de bal raakt, wat energiereacties kan hebben. Zowel de zon als de maan hebben zwaartekrachteffecten op de tennisbal, dus moet daar rekening mee worden gehouden? Hoe zit het met Venus?

We zien dit snel uit de hand lopen. Er is gewoon teveel gaande in de wereld om uit te zoeken hoe dit allemaal van invloed is op het gooien van de tennisbal? Wat kunnen we doen?

Gebruik in de natuurkunde

In de natuurkunde, een model (of geïdealiseerd model) is een vereenvoudigde versie van het fysieke systeem dat onnodige aspecten van de situatie wegneemt.

Een ding waar we ons meestal geen zorgen over maken is de fysieke grootte van het object, noch de structuur ervan. In het voorbeeld van een tennisbal behandelen we het als een eenvoudig puntobject en negeren we de wazigheid. Tenzij het iets is waar we specifiek in geïnteresseerd zijn, zullen we ook het feit negeren dat het draait. Luchtweerstand wordt vaak genegeerd, net als wind. De zwaartekrachtinvloeden van de zon, de maan en andere hemellichamen worden genegeerd, evenals de invloed van licht op het oppervlak van de bal.

Zodra al deze onnodige afleidingen zijn verwijderd, kunt u zich gaan richten op de exacte kwaliteiten van de situatie die u wilt onderzoeken. Om de beweging van een tennisbal te analyseren, zijn dat meestal de verplaatsingen, snelheden en zwaartekrachten.

Zorg gebruiken met geïdealiseerde modellen

Het belangrijkste bij het werken met een geïdealiseerd model is zorg ervoor dat de dingen die je weghaalt dingen zijn die zijn niet noodzakelijk voor uw analyse. De functies die nodig zijn, worden bepaald door de hypothese die u overweegt. 

Als je hoekmomentum bestudeert, is de spin van een object essentieel; als je tweedimensionale kinematica bestudeert, kan het deze misschien negeren. Als je vanuit een vliegtuig op grote hoogte een tennisbal gooit, wil je misschien rekening houden met windweerstand, om te zien of de bal een eindsnelheid raakt en stopt met versnellen. Als alternatief kunt u de variabiliteit van de zwaartekracht in een dergelijke situatie analyseren, afhankelijk van de mate van precisie die u nodig hebt.

Zorg er bij het maken van een geïdealiseerd model voor dat de dingen die u elimineert, eigenschappen zijn die u eigenlijk uit uw model wilt verwijderen. Het achteloos negeren van een belangrijk element is geen model; het is een fout.

Uitgegeven door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.