Helyes Newton negyedik törvényének alábbi értelmezése?

Hát igen .... ez a baj a Wikivel. Mi szerkesztjük, és elég sok az anyag ahhoz, hogy egyenként mindet lektorálja valaki. Véleményem szerint az idézett megfogalmazás félrevezető, de nem is finomkodok. Egyszerűen ez az állítás nem is igaz.

maci

Megpróbálok egy konkrét kísérleti elrendezést mondani, mit is jelent szerintem Newton IV. törvénye.

Játék léghajókat árulnak sorozatgyártásban, mindegyik példány tökéletesen ugyanolyan (tömege, töltése gyárilag egységes). A léghajót a beépített játékmotor 4 N erővel képes előrehajtani (vízszintesen előre). A levegő felhajtóerje pedig 3 N erővel emeli felfelé a ballon révén.

Veszek három léghajót.

Az egyiket lehúzom a padló szintjére, az ablakkal szemközti fal mellé álítom, orrát az ablak felé fordítom, bekapcsolom, és elengedem az ablak felé. A léghajó rézsútosan száll előre az ablak felé és felfelé, egyre gyorsulva.

A szoba plafonján lévő világítótestek merőlegesen a pladlóra vetítik a léghajó árnyékat, az árnyék mindig pontosan a léghajó alatt van, és ahogy száll a léghajó gyorsulva rézsútosan fölfelé és előre, úgy kúszik alatta is az árnyék gyorsulva előre.

Alkonyat van, a lenyugvó nap sugarai az ablakon besütve pont ,,orrba kapják'' az ablak felé irányzott léghajót, és merőlegesen a szemközti falra vetítik a léghajó másik árnyékát. A falon emelkedő árnyék csak emelkedik, oldalirányba nem mozog, hiszen a napfény pont egyenesen ,,orrba kapja'' elölről a léghajót.

Ahogy mozog a léghajóm, úgy tudom figyelni mindkét árnyékát,

* azt is, amit a lámpa vetít le, és a léghajó alatt kúszik előre,

* és azt is, ami a falon kúszik felfelé.

Most elengedek a szobában a két másik ugyanilyen léghajót is, ugyanolyan helyzetből és ugyanúgy beirányozva, mint az elsőt. De sajnos mindkét másik űrhajóban van egy kis hiba:

- A második hajónak kimerült az eleme, így nem jár a motorja. Őt tehát csak a gáz már említett 3 N nagyságú felhajtóereje emeli felfelé. A motor 4 N-os előrehúzó ereje ezúttal hiányzik, a léhajó tehát pontosan függőlegesen emelkedik fel, akár egy kéményben vagy lépcsőházban is fel lehetne bocsátani. Olyan, mint egy lift, liftként is lehet használni a játékban.

- A harmadik hajót véletlenül kilyukasztottam, és elszökött a gáza. Jobb híján háztartási gázzal pótoltam a gázt, és megragasztottam a ballont, és azt is gondosan kimértem, hogy a léghajó tömege egyanolyan maradjon, mint a gyári szabványé. Sajnos, a háztartási gáz nem olyan jó, mint a hidrogén: a meghackelt léghajó immár nem emelkedik, hanem csak lebeg. A motor szerencsére sértetlen, és gyári szabványnak megfelelő előrehajtó erőt tudja biztosítani. Megfabrikált léghajóm sértetlen motorral halad előre, de nem emelkedik, így pályája nem rézsútosan emelkedő lesz, hanem épp vízszintes. Ha a padlószinttől engedem el, akkor a padló szintjén marad lebegve a paldó fölott pár milliméterrel, és úgy siklik előrefelé. Lényegében, afféle ,,légpárnás hajóként'' lehet használni a játékban.

Szóval három hajóm van: egy sértetlen (a ,,léghajó''), egy kimerült elemű (a ,,lift''), és egy sérült ballonú (a ,,légpárnás hajó'').

No most jön a lényeg. Engedjük el egyszerre mindhárom játékot szorosan egymás mellől indulva, a padló szintjéről, az ablakkal szemközti fal mellől, mindhármat orral ugyanabba az irányba (az ablak felé) beállítva.

A kimerült elemű hajó (a ,,lift'') azonnal emelkedni kezd a padlótól, de motorja nem lévén, nem indul meg az ablak felé, hanem mindvégig szorosan a szemközti fal mellett emelkedik függőlegesen és falmentén, egyre gyorsulva.

A sérült ballonú hajó (a ,,légpárnás hajó'') nem emelkedik fel a padlótól, hanem a padló fölött pár milliméterrel lebegve silkik vízszintesen előre az ablak felé, gyorsulva.

A sértetlen hajó (,,léghajó'' rézsútosan gyorsul egyszerre előre (az ablak felé) és egyúttal felfelé is.

* Pontosan alatta a lámpa vetítette padlóárnyék kúszik előrefele a padlón, vagyis éppen hasonlóan halad, mint a ,,légpárnás hajó'' (a sérült ballonú hajó).

* Említettük, a hogy nyugvó nap pontosan ,,orrba kapja'' a sértetlen léghajót , így az falárnyékot is vet az ablakkal szemközti falra. Ez a falárnyék pontosan a léghajó mögött emelkedik felfelé a falon függőlegesen, vagyis olyasféleképp mozog, mint a ,,lift'' (a kimerült elemű hajó).

Mire volt jó ez az egész? Megfigyelhető-e valami érdekes, ami említésre méltó?

Az az érdekes, hogy a sértetlen léghajó árnyékai mintha pontosan ,,rátapadnának'' a másik két hajóra. A falárnyék nemcsak ,,hasonlóan'' mozog, mint a list, hanem úgy rátapad, mintha össze lennének ragasztva. A padlóárnyék pedig a ,,légpárnás hajóra'' tapad rá szintén úgy, mintha valami rejtélyes dolog ragasztaná össze őket.

Nyilván az árnyék nem ,,tapad'', hiszen anyagtalan, tehát nem valami ,,árnyékragasztásról'' van szó, hanem ,,csak'' valami előrehangolásról, afféle előreidőzítésről, egybeesésről. Az, hogy ez az egybeesés a hajók mozgása során mindvégig megmarad, éppen Newton IV. torvényének érvényét szemlélteti, sőt, épp ez jogosított fel bennünket arra, hogy a törvényt kimondjuk. Ez a Természet egy érdekes összefüggése, ami ,,lehetne akár'' máshogy is (?), de hát így van, ezt mutatja a megfigyelés és a tapasztalat.

Szerintem Newton IV. törvénye azt jelenti, hogy egy összetett(nek tekintett) erő által előidézett gyorsulás megegyezik azzal, mintha az összetett erő egyes komponenseivel külön végezném el a kísérletet (ugyanazon a testen), és az így megfigyelt két-két gyorsulásból papíron (számítással vagy szerkesztésel) következteném ki az eredő gyorsulást. Mivel az erő mérési utasítása a gyorsulás (és a tömeg) mérésén alapul, ezért ezt úgy is megfogalmazhatom, hogy Newton IV. törvénye az erők vektoriális összegezhetőségét mondja ki.

Egyébként szerintem is nehezen érthető Newton IV. törvénye. Azonban, különös módon, nem azért nehéz megérteni, mintha olyan nehézkes alakú volna, hanm éppen fordítva, szerintem azért nehéz, mert annyira természetesnek vesszük, mint hal a vizet, és eleinte nem is látszik, mit kell ezen egyáltalán kimondani. Természetesnek vesszük, hogy az erők vektoriélisan összegeződnek, pedig ez nem is annyira magától értetődő.

Épp az a lényeg a megértéshez, hogy tudhassuk értékelni: valójában Newton IV. törvénye egyáltalán mem afféle papírrágás, szóval nem valami unalmas, magától értetődő dolog, hanem érdekes csoda. Hiszen az erő fizikai fogalom, nem pedig matematikai, szóval megfigyelés révén vonatkoztattuk el a valóságból, nem pedig matematikusok találták ki íróasztalnál. Tehát az erőnek elvileg ,,nem lenne kötelessége'' direkt úgy viselkednie, hogy Mi Felségünk kényelmesen számolhasson vele. Viselkedhetne másképp is mint a vektorok, lehetne sokkal boonyolultabb is, és akkor a mérnökök nem papíron szerkesztgetnének, hogy előre megjósolják, hogy az épület vagy a repülő hogyan is viselkedik majd. Egy számítógépes játék ,,virtuális fizikájában'' lehetséges lenne olyan erőfogalom is, ami ronda, nehezen számítható, nehezen szerkeszthető. Szerencsére, a Természet ebből a szempontból vajszívű volt hozzánk, és olyan világot hack-elt össze nekünk, amiben egyszerű matemetikai törvényekkel is tudunk jó bejóslásokat végezni, ténylegesen teljesülő előrejelzéseket, következtetéseket tenni.

Nagyon köszönöm a biztatást. Sajnos a lényeget nem tudtam jól elmondani. A Newton-törvények szerintem nagyon nehezek, és sok vitát olvastam arról, miképp is lehetne jól oktatni őket.

Az egyik nehézség az, hogy nem világos:

- a Newton törvények végülis definiálják-e az erő fogalmát? (,,Azt nevezzük erőnek, amit a Newton -torvények kifejeznek, és kész'')

- Vagy pedig az erő fogalmát korábbról ismertnek tételezzük fel, és a Newton-törvények csak továbbárnyalják a már meglevő képet az erő fogalmáról? (,,Eddig is tudtuk, mi az erő, hát mostantól azt is tudjuk róla, hogy ilyen érdekes kapcsolata van más fogalmakkal -- gyorsulás, tömeg --, és hogy matematikailag is jól leírható''

Hozzám közelebb áll a második megközelítés: az ,,erő'' fogalmáról már gyerekkorunktól kezdve van egy szemléleti képünk (talán az ,,okság'' érzékelése alapján), a tapasztalat és a megfigyelés pedig ezt még azelőtt egy kiérlelt erőfogalommá szilárdítja, mielőtt még Newton-törvényekről akárcsak hallottunk is volna.

Jó okunk van feltételezni, hogy két szálból álló gumiszalag ,,,kétszer annyi hatást okoz'', mint a csak egyszeres szálból álló gumiszalag, és két vödör homok ,,kétszer jobban húz'', mintegyetlen vödör homok. Jó alappal van egy határozott sejtésünk a hatás irányáról, sőt összehasonlításszerűen a nagyságáról is.

Szóval szerintem az erő fogalmát tehát nem a Newton-törvények definiálják, hanem az korábban megvan a hétköznapi tapasztalat alapján, és a Newton-törvények csak kiegészítik, továbbárnyalják, mindenféle érdekes alakú, matematikailag tetszetős és egyszerű összefüggést mondanak ki.

Mindenesetre az angol Wikipédia cikkei, vitalapjai tele vannak ilyen vitákkal,

[link]

[link]

[link]

de a magyar wikiben is megemlítik ezeket az oktatástechnikai, sőt fizikafilozófiai vitákat,

[link]

és néha a szakkönyvek is kitérnek rá (Baranyi Károly: A fizikai gondolkodás iskolája, Akadémiai Kiadó, Bp)

Talán tényleg a negyedik törvény a legnehezebb, mert nehéz érteni benne, mi benne a pláne, miért is érdemes egyáltalán kimondani. Ha az erő fogalmát eleve vektorként definiálnám, akkor teljesen semmitmondóvá válnék az az állítás, hogy vektorként kell összegezni (egy vektort persze hogy vektorként kell összegezni). Szerintem,

a lényeg az, hogy az erőről nem tudjuk előre, hogy vektor, hanem hétköznapi tpasztalataink alapján spontánul kialakul egy erőfogalmunk, és a gondos utánajárás és kísérletezés során jövünk rá, hogy mellesleg vektorként is leírható, és még néhány egyszerű és szép matematikai összefüggés is érvényesül rá.

Egyszóval: én sem értem teljesen a Newton-törvényeket, és azért próbáltam most itt kifejteni a dolgot, hogy a magam számára is megpróbáljak rájönni. Szóval nekem is hasznom volt belőle.

A gimzáziumi anyag, úgy tudom, csak utalásszerűen említi meg a tudománytörténeti-filozófiai vitákat (feltehetőleg időhiány miatt), a nagyobb fizikakönyvek már több hátteret adnak:

Baranyai Károly: A fizikai gondolkodás iskolája

Holics László: Fizika I

a témakör azonban így is elég nehéz, legalábbis én elsőre csak részben értettem, és most is sok átgondolnivalóm van még.