Dla kogo i kiedy "pozorne" jest rzeczywiste ?

Fizyka to nauka, w której ścisłość i jednoznaczność opisu zjawisk badanych jest absolutnym wymogiem. Wymóg ten jest spełniony, gdy zastosujemy formalizm matematyczny (układy równań, operacyjne definicje pojęć), ale powrót do semantyki czyli do znaczeń terminów wywodzących się z eksperymentów nad rzeczywistością – jest także bezwzględny i wymuszony charakterem tej nauki, fizyka bowiem jest nauką o rzeczywistości istniejącej poza umysłem podmiotu poznającego. I tutaj, to znaczy w miejscu gdy zaczynamy mówić o rzeczywistości zewnętrznej w stosunku do poznającego umysłu, zaczynają się “schody” lub otwieramy “puszkę Pandorry”. Oto na przykład ,w fizyce bardzo często występuje opozycja: pozorny-rzeczywisty. Przełamanie łyżeczki wstawionej do szklanki z herbatą(przy pewnych kątach widzenia) jest pozorne, gdyż po wyciągnięciu jej z cieczy, nawet bez specjalnych badań, stwierdzamy ,że łyżeczka nie jest złamana. Prawie zawsze wydaje się nam, że to stacja kolejowa poruszyła się do tyłu, a nie my do przodu, jeśli tylko pociąg, w którym znajdujemy się rusza bardzo powoli ,bez wstrząsów i hałasu. Czyli ruch stacji był pozorny. Jednak opozycja “pozorny-rzeczywisty” znalazła dosyć zaskakujące rozwiązanie w fizyce nowożytnej. Opis zjawisk fizycznych zależy od układu odniesienia, w którym znajduje się obserwator.

Zlekceważenie tego odkrycia, lub zapomnienie o nim, było przyczyną lekkiego zamętu pojęciowego podczas interpretacji znanych zjawisk siły odśrodkowej i dośrodkowej ,zamętu który wystąpił w tekście komentarza na blogu:

http://www.erg.samowzbudnik.salon24.pl/379429.html#comment312343

Najpierw autor komentarza stwierdził, iż: “zasadniczo poprawnym pojęciem w fizyce jest siła dośrodkowa”. Czyżby? Dlaczego wyróżniać musimy tylko jeden układ odniesienia? A co na to teoria względności? Następnie siłę odśrodkową zaliczył do: “rodziny tzw. sił pozornych” lub zamiennie do : “pseudo-sił ” Ulubiona tradycja anglosaska używania zwrotu ”pozorne” w odniesieniu do sił, które pojawią się w układach nieinercjalnych. Coś jednak autora tych kluczeń logicznych musiało tknąć, gdyż równocześnie zapewnił czytelnika, że: “siła odśrodkowa jak najbardziej istnieje”. Czyli mamy sytuację istnienia siły pozornej rzeczywistej ! A na koniec zaapelował , by tego rodzaju sił (jak odśrodkowa-przypis E) “nie mieszać z siłami, które są rzeczywiste tzn. biorą się z oddziaływania między ciałami” , zapominając wyjaśnić kto miesza, kiedy miesza i jaki jest sens owego słowa “mieszać” Dlaczego mamy tutaj do czynienia z lekkim zamętem pojęciowym? Moim zdaniem dlatego, że autor (bądź co bądź fizyk !) zapomniał doszczętnie o zasadzie względności, które wymaga klarownej odpowiedzi na pytanie: ze stanowiska jakiego układu odniesienia dokonujemy opisu zjawiska?!

Otrzymane bowiem różne opisy zjawisk przez obserwatorów związanych z różnymi układami odniesienia, są epistemologicznie równoważne!

Siły odśrodkowe są tak samo realne, jak siły dośrodkowe ! Są różnymi zjawiskami, ale rzeczywistymi dla każdego z różnych obserwatorów. Obydwa ,różne opisy, są poprawne w sensie fizyki i równoważne.

Powtórzę: możliwe, że zadziałała w tym momencie (mowa o przytoczonych zdaniach ze wspomnianego komentarza) tradycja anglosaska, w której preferuje się ulubiony przez Newtona opis zjawisk ze stanowiska układu inercjalnego, a który to opis prowadzi do uznawania za realne jedynie sił typu newtonowskiego (siły występujące podczas kontaktu co najmniej dwóch ciał), lub wyczuwalna u tego fizyka dominacja postawy “doświadczalnika”.

Dla pocieszenia dodam iż mały zamęt w odniesieniu do sił odśrodkowa –dośrodkowa trwa nie od dzisiaj, z różnym nasileniem, a pogłębił go w latach 60-tych ubiegłego wieku R.Feynman w swym podręczniku fizyki ,świetnym tylko w połowie: tej, która dotyczy fizyki ,a druga połowa tekstu ,teoriopoznawcza interpretacja praw i pojęć fizyki ma charakter wyprawy “z motyką na Słońce”.

Przejdę do przykładu, ilustrującego poprawne rozumienie kwestii, a na ewentualne pytanie tichego :"czy to rozumienie jest einego"?, odpowiadam uspokajająco: nie .

Niech będzie pozioma ,kołowa podłoga z osią obrotu w jej środku geometrycznym (obrotowa platforma, tarcza)i na niej człowiek w pobliżu obwodu. Mamy dwóch obserwatorów: jeden nieruchomy(inercjalny) poza podłogą ( w laboratorium ), oraz drugi siedzący na fotelu sztywno przymocowanym do podłogi blisko osi, czyli obserwator uczestniczący w ruchu obrotowym podłogi(obserwator nieinercjalny).

Podłogę wprawiamy powoli w ruch obrotowy napędem odpowiedniego silnika i otrzymujemy dwa raporty z obserwacji.

I.Obserwator zwiazany z układem nieinercjalnym , będącym w ruch obrotowym (rys.1) W miarę wzrost prędkości obrotów ,człowiek stojący w pobliżu obwody podłogi zaczyna się oddalać od centrum z wzrastającą prędkością wzdłuż promienia tarczy. Stąd wniosek: zgodnie z II zasadą dynamiki Newtona działa na niego siła wzdłuż promienia ,od środka tarczy. Nazwiemy ją siłą odśrodkową. Przy dostatecznie dużej wartości prędkości obrotów, człowiek ten zostaje przez wzrastająca siłę odśrodkową wyrzucony z platformy ,wzdłuż chwilowej pozycji promienia obrotu. Jedynym ratunkiem byłoby złapanie się przez niego poręczy mojego fotela i wtedy mógłby kontynuować ruch po okręgu, gdyż siła odśrodkowa zrównoważona by była reakcją materiału poręcz fotela. Przy małych prędkościach obrotu, tarcie pomiędzy stopami nóg człowieka było wystarczające do zrównoważenia siły odśrodkowej. II. Obserwator nieruchomy(inercjalny),rys.2 Człowiek stojący na platformie ,podczas jej początkowo, powolnego ruchu obrotowego, zakreśla łuk okręgu. W ruchu krzywoliniowym występuje przyspieszenie radialne, wzdłuż promienia krzywizny . Zgodnie z II zasadą dynamiki Newtona, widocznie działa na niego siła zwrócona do środka tarczy wzdłuż promienia chwilowego, która nadaje mu to przyspieszenie zwane (dla ruchu po okręgu) dośrodkowym. Nazywam ją siłą dośrodkową. Skąd pochodzi ta siła? Jest nią tarcie pomiędzy stopami, a powierzchnią podłogi. Przy dużej prędkości obrotów podłogi siła tarcia jest za mała, by nadać mu odpowiednie przyspieszenie dośrodkowe i człowiek stojący na tarczy uzyskuje ruch styczny do obwodu podłogi i w końcu spada z niej. Te dwa opisy są różne, ale każdy jest prawdziwy wewnątrz (ze stanowiska) danego układu odniesienia. Obserwator nieinercjalny stwierdza: *siłę odśrodkową, radialną, działającą poprzez ewentualne więzy na centrum *kierunek ruchu człowieka od środka tarczy( po promieniu, radialny). Obserwator inercjalny stwierdza: *siłę dośrodkową radialną, działająca na człowieka poprzez ewentualne więzy *kierunek ruchu człowieka styczny do obwodu tarczy( do kołowego toru). Siła odśrodkowa zwana też siłą inercji(bezwładności ciała) jest tak samo realna jak sił dośrodkowa, ale pojęcie realności zjawiska nie posiada charakteru absolutnego: rzeczywistość obserwowana (mierzone wielkości w zjawiskach) zależy(zależą) od układu odniesienia. W układach odniesienia wirujących, występują siły inercji zwane siłami odśrodkowymi, dla obserwatorów związanych z tym układem. Dla tych obserwatorów nie są one siłami pozornymi, wywołują różne, realne i poważne skutki, które wykorzystujemy z powodzeniem w technologiach przemysłowych. Rzeczywistym dla tych obserwatorem toru ruchu człowieka nie jest linia styczna do obwodu, lecz radialna, wzdłuż promienia. Tak jak dla obserwatora związanego z układem nieruchomym, rzeczywistym torem ruchu -gdy zabraknie siły dośrodkowej- jest linia styczna do obwodu. Natomiast wybór opisu (układ inercjalny- układ nieinercjalny) zjawisk zależy od nas. Najczęściej wybieramy opis najprostszy. Zazwyczaj (ale nie zawsze !)jest nim opis ze stanowiska układu inercjalnego, a w tym opisie występuje wyłącznie siła dośrodkowa. Oczywiście, nie dlatego, że to ona tylko jest poprawna lub realna, rzeczywista, bo to nieprawda. Teoria Ptolemeusza jest tak samo poprawna, jak teoria Kopernika. Jedynie opis ruchów ciał układu słonecznego w ramach tego modelu jest niesłychanie zawiły, a opis w modelu Kopernika, który przeniósł układ odniesienia z Ziemi na Słońce- jest cudownie prosty, no i bardzie owocny, co do hipotez przewidujących nowe zjawiska w dynamice układu słonecznego. Analiza problematyki sił w ruchu krzywoliniowym (np. po okręgu) i rozumienie roli układu odniesienia w nauczaniu fizyki w kraju, miała swój początek w roku 1930 ,kiedy ukazał się znakomity podręcznik fizyki dla gimnazjum prof.Władysława Natansona [1].Wielu z czytelników krzyknie : jak coś, sprzed blisko 80 lat może być prawdziwe w fizyce! To będą ci , dla których głównym kryterium prawdy, jest jej data pojawienia się(sformułowania). Kontynuując historię wątku dodam, że podjął ten temat również -kilka lat później - w swej pracy doktorskiej Mieczysław Jeżewski [2],pierwszy fizyk, który zaproponował u nas termin “dydaktyka fizyki” i założył fundamenty tej nowej interdyscypliny. Rekordy subtelności i drobiazgowości, w rozpatrywaniu licznych przykładów błędów popełnianych przez poważnych fizyków przy temacie “siły w ruchu po okręgu” pobił niewątpliwie najwybitniejszy polski dydaktyk fizyki [który był zarazem znanym badaczem generatorów (maserów)spójnych wiązek mikrofal] prof.Arkadiusz Piekara w swej kapitalnej “Mechanice ogólnej [3]. Do niego nawiązali i przypomnieli jego dorobek, dwaj autorzy współcześnie najlepszego polskiego podręcznika akademickiego fizyki: Andrzej Kajetan Wróblewski i Janusz Andrzej Zakrzewski [4], który to podręcznik powinien być “biblią” dla nauczycieli fizyki, a nie jest! bo większość z nich upodobnia się do swych uczniów i nienawidzi czytania książek. Podejście do zjawisk sił odśrodkowej i dośrodkowej uwzględniające rodzaj układu odniesienia przedstawione bardzo skrótowo powyżej, zaowocowało zasadą równoważności Alberta Einsteina pola sił inercji i pola grawitacyjnego lokalnie jednorodnego, która to z kolei zasada otworzyła ścieżkę ważnych badań nad czasoprzestrzenią w sąsiedztwie kosmicznych ciał wirujących. O tym bliżej ,innym razem. Literatura [1]W. Natanson, Zasady fizyki, t. 1,Kraków,1930 [2]M. Jeżewski, Zasady nauczania fizyki,Kraków,1938 [3]A. Piekara, Mechanika ogólna,Warszawa,1961,s.163-222 [4]A.K.Wróblewski,J.A.Zakrzewski, Wstęp do fizyki, t. 1,Warszawa,1978,s.277-298.