Kirjoitukset avainsanalla voima

Fysiikan kauneus piilee yksinkertaisuudessa. Otetaan esimerkiksi Newtonin laki F=dp/dt, joka kertoo että voima on liikemäärän muutosnopeus. Yksinkertaisuudestaan huolimatta tämä pikku yhtälö ennustaa luvuttoman kirjon erilaisia ilmiöitä hyvin yleisesti, monimutkaisista yksityiskohdistaan riippumatta.

Kuvitellaan vaikkapa pitkän ketjun päähän kiinnitettyä painoa eli moukaria, jota heitetään maasta suoraan ylös. Mitä Newtonin laki sanoo moukarin liikkeestä?

Aluksi paino ja ketju makaavat maassa paikallaan. Sitten painolle annetaan kohtisuora nopeus ylöspäin, vaikkapa 10 metriä sekunnissa. Jokainen esineitä viskellyt toki tietää, että se mikä menee ylös tulee myös alas. Mutta vain fysiikan teoria ennustaa tarkasti, kuinka korkealla paino käy kunnes putoaa.

Jos ketju on olemattoman kevyt, Newtonin teoria ennustaa että 10 m/s vauhdilla heitetty paino käy 5 metrin korkeudessa. Kuten oikeasti käykin. Korkeus on sama, olipa heitetty kappale minkä painoinen hyvänsä ja koostuipa se mistä aineesta hyvänsä. Newtonin teoria ennustaa oikein myös sen, että moukari törmää maahan samalla 10 m/s vauhdilla jolla se heitettiin ylös, eli että liike-energia säilyy (kun heitetään tyhjiössä tai ilmanvastus voidaan muuten unohtaa.)

Kun ketju painaa huomattavan osan koko moukarin painosta, tilanne muuttuu vielä mielenkiintoisemmaksi. Nimittäin tällöin Newtonin teoria ennustaa nousukorkeuden lisäksi, että moukarin energiasta tietty osa hukkuu väistämättä lämmöksi. 

Jos painon massa on 10 kg ja ketjun massa 1 kg per metri, 10 m/s vauhdilla heitetty paino nousee 3,6 metrin korkeuteen. Tämä on 86% siitä (4,2 m) korkeudesta, jolle moukari ketjuineen nousisi mikäli sen energia säilyisi. Moukarin liike-energiasta 14% hukkuu siis lämmöksi, mikä näkyy myös siinä että se törmää maahan huomattavasti pienemmällä nopeudella kuin millä se heitettiin ylös. Yllättävintä ennusteessa on se, että lämmöksi muuttuva osa ei riipu painoon kiinnitetyn ketjun, vaijerin, köyden tai narun materiaalista tai muodosta. Ilman teoriaahan voisi luulla, että sulavasti liikkuva naru aiheuttaisi vähemmän energiahävikkiä kuin kankea ketju.

Laskussa on ratkaisevaa käyttää Newtonin lain oikeaa muotoa F=dp/dt, eikä koulussa opetettavaa muotoa F=ma, joka pätee ainoastaan rajatummissa tapauksissa, jossa massa on vakio. Moukarissa liikkuvan osan massahan muuttuu sen mukaan, kuinka suuri osa ketjusta liikkuu painon mukana ja kuinka suuri osa lepää maassa. Toinen esimerkki muuttuvasta massasta on suihkumoottorilla toimiva raketti, jonka liikkeen koulusta tuttu F=ma ennustaa täysin väärin.

Fysiikan kauneus on yksinkertaisuudessa, voima ennustuskyvyssä. Fysiikassa yksinkertainen ennustaa monimutkaista. Fysiikassa voima ja kauneus ovat yhtä.

Kommentit (3)

Eusa
Liittynyt16.2.2011
Viestejä15578

Mistä päättelit, että massavirtaversiossa energiaa muuttuisi nimenomaan lämmöksi?

Työtähän tekee maan puskuvoima, ei painovoima. Aika suhteessa massaan on erilainen, kun kappale heitetään kokonaan vapaaseen pudotukseen kuin jos se siirtyy asteittain vapaaseen pudotukseen.

Rakettiyhtälössä raketti on massavirran suhteen maanpinnan asemassa (ketjun analogia) - siinä tietysti osa energiasta muuttuu silminnähtävästi lämmöksi.

Hienorakennevakio suoraan vapausasteista: 1 / (1^0+2^1+3^2+5^3+1^0/2^1*3^2/5^3) = 1 / 137,036

Kasvisruoka2
Liittynyt29.8.2015
Viestejä4412

Teppo Mattsonille aihevinkki.

http://www.mtv.fi/lifestyle/digi/artikkeli/tutkijat-vaittavat-maailma-jo...

En tiedä miten vahvoja todisteita nyt sitten on joku taas löytänyt sille, että maailma onkin hologrammi, mutta ihan arkiajattelijana tulee pari outoutta mieleen...

1) Mitä ne hologrammit sitten ovat, jotka on meille hologrammeja tässä kaksiulotteisessa maailmassa?

2) Miksi näen hologrammin 3 ulotteisena, mutta käteni lipuu hologrammin läpi, kun taas kolmiulotteisen kappaleen myös tunnen kolmiulotteisena kappaleena?

Ruhollah.

käyttäjä-3779
Liittynyt12.5.2014
Viestejä1716

Teppo kirjoitti: Fysiikan kauneus on yksinkertaisuudessa, voima ennustuskyvyssä. Fysiikassa yksinkertainen ennustaa monimutkaista.

Joskus voi tuntua asioiden olevan toisinkin päin.  Tällainen tunne pyrkii itselleni tulemaan muistellessani Schrödingerin yhtälöitä ja varsinkin niiden ratkaisemista joissakin tapauksissa,  joissa  jokin Sch. yhtälön ratkaisu antaa tietoa ratkaisemiseen verrattuna ainakin alkeellisen kuvailun tasolla jonkin verran yksinkertaisemmasta ilmiöstä, esimerkiksi tunneloitumisesta tai Meissnerin efektistä,  näin ainakin muistelen sen olevan. Kyseisen yhtälön plus sen ratkaisujen ennustuskyky on toki valtava. Mutta kaikki yhtälöön liittyvä tuntuu kyllä maallikosta monimutkaiselta.  Tosin koko yhtälö ja sen ratkaiseminen alkavat varmaan tuntua sangen yksinkertaisilta kun  päähän on ensin päntätty melkoinen joukko matemaattista tietoa ja taitoa. Vaikea ratkaista, onko silloin yksinkertainen ennustamassa monimutkaista. 

Matematiikka sinänsä voi myös olla lumoavan kaunista siihen uppoutuneelle mielelle.  Nyt on tosi vaikea sanoa, onko oletetun kaltaisen matemaattisen avaruuden rakenteesta saatu tulos (esim. Gaussin lauseen kuvaannollinen tulkinta tulkinta) helpompi vai vaikeampi ymmärtää kuin tuloksen antava matemaattinen toimitus.

Tässä voi olla huippukiinnostava, fysiikan lakien syväolemusta selvittämään pyrkivä aihealue - varsinkin, jos ottaa kvantti-informaation professori Vlatko Vedralin ehdotuksen tosissaan ja alkaa käyttää mielikuvitusta informaatiokäsitteen laajentamiseksi..

Minulle on toistuvasti huomautettu, että en ymmärrä suhteellisuusteoriaa, koska kutsun painovoimaa voimaksi. Painovoima eli gravitaatio ei kuulemma ole voima vaan aika-avaruuden kaarevuutta.

Onpas. Painovoima on sekä voima että aika-avaruuden kaarevuutta. Selitän miksi.

Gravitaatiokentässä vapaasti putoava pistemäinen hiukkanen ei tunne painoaan. Painottomuus selittyy sillä, että hiukkasen hitaus ja painavuus ovat täsmälleen yhtä suuret, mitä kutsutaan suhteellisuusteoriassa ekvivalenssiperiaatteeksi. Einstein teki ekvivalenssiperiaatteen kuuluisaksi ajatuskokeellaan vapaasti putoavasta hissistä. Hissin sisältä käsin ei pysty mitenkään selvittämään putoaako hissi tasaiseksi idealisoidussa painovoimakentässä vai leijuuko se painottomassa avaruudessa. Tämän takia painovoimaa voi kuvata aika-avaruuden kaarevuutena, joka saa vapaasti putoavien kappaleiden liikkeen käyristymään.

Väite, että painovoima ei ole voima, perustuu juuri pistehiukkasen painottomuuteen.

Todelliset kappaleet eivät kuitenkaan ole pistemäisiä vaan niillä on nollaa suurempi koko, kuten Tiede-lehden numerossa 11/15 selitin. Todellinen gravitaatiokenttä on myös epätasainen toisin kuin ajatuskokeen putoavassa hississä.

Epätasaisuuksien vuoksi kappaleen etupäätä vetää erisuuruinen painovoima kuin takapäätä, mikä aiheuttaa kappaleen sisälle jännitteen. Tämä vuorovesivoimaksi kutsuttu jännite tekee painovoimasta todellisen voiman. Se aiheuttaa esimerkiksi valtamerten rannoilta tutun vuoroveden.

Painovoima on voima, koska vuorovesi-ilmiö ei ole suhteellinen vaan absoluuttisen totta katsoipa sitä kenen näkökulmasta hyvänsä.

Matemaattisesti pistehiukkasten painottomuus ilmenee siten, että painovoimaa kuvaavat metriikan ensimmäiset derivaatat saadaan missä hyvänsä aika-avaruuden pisteessä nollaksi siirtymällä hiukkasen mukana vapaasti putoavaan koordinaatistoon.

Mutta suhteellisuusteoriassa painovoiman fysiikka ei ole metriikan ensimmäisissä vaan toisissa derivaatoissa, jotka muodostavat ns. Riemannin kaarevuustensorin. Kaarevuustensori on sama kaikille havaitsijoille, eli se ei häviä missään koordinaatistossa. Tämä osoittaa, että painovoima ei ole pelkästään näennäinen, havaitsijasta riippuva voima vaan aito fysikaalinen ilmiö.

Täysin toinen tarina on sitten se, että ylipäätään koko voiman käsitteestä voitaisiin fysiikassa luopua. Voimahan on vain nimi liikkeen muutokselle. Mutta se ei tee painovoimasta sen epätodellisempaa voimaa kuin sähkömagnetismi, vahva tai heikko ydinvoima, jotka yhdessä painovoiman kanssa muodostavat kaikki neljä tunnettua perusvuorovaikutusta.

Voimallista uutta vuotta kaikille elämänkaikkeuden hyvinvoinnin edistäjille!

Kommentit (13)

Eusa
Liittynyt16.2.2011
Viestejä15578

Hyvää uutta vuotta!

Ne vuorovesivoimat ovatkin oikeita sähkömagneettisia voimia, sidosvoimarasituksia, jotka johtuvat siitä, etteivät pistehiukkaset voi seurata geodeesien määrämiä ratojaan vaan ovat pakotettuja sidottuun muuhun liikerataan. Itse asiassahan inertian määrä eli massa voidaan katsoa aiheutuvan tuosta ilmiöstä; kun massattoman intensiteetin polku mallinetaan sopivan kiharaisena, saadaan hitaaseen paikallisuuteen vaadittava tilatuki eli avaruuden pusku massattoman polun mutkalle vääntämiseksi - massakenttä on sama kuin tilaa imevä gravitaatiokenttä.

Niin kauan kun voima määritellään kappaleiden välisiin vuorovaikutuksiin perustuvaksi, on selkeintä rajata voima sähköisiin poikittaisaaltomekanistisiin kvanttivaihtoilmiöihin perustuvaksi. Gravitaatiokenttä antaa luontevan vapaan putoamisen inertiaalikoordinaatiston (ja saattaa olla pitkittäisaaltomekanismi).

Totta on, että voima on vain eräs suure. Mutta hyvin määriteltynä se on kappaleiden samankertaisen vaikutuksen liikemäärää säilyttävä suure omalla rajatulla pätevyysalueellaan.

Jos painovoimaa ei pidettäisi näennäisenä vapaassa pudotuksessa (maanpinnalla kappale painaa maanpintaa maan todellisen puskun vastavoimalla), silloin liikkeen jatkavuudesta johtuvaa "voimaa", mm. keskipakovoimaa ja kiihtyvän koordinaatiston korjaustermi-hitausvoimaakin tulisi pitää voimana, samalla tavalla vuorovaikuttavat vapaan putoamisen inertiaalia tuottavan massa-gravitaatiokentän kanssa, mikä voidaan havaita kappaleen gradienttisena jännitysmuodonmuutoksena.

Mutta ei ole Occamin mukaista sekoilla, joten olkoon erikseen voimat ja näennäisvoimat. Kentät on keksitty tilallisina säilymislakien puolustajina.

Hienorakennevakio suoraan vapausasteista: 1 / (1^0+2^1+3^2+5^3+1^0/2^1*3^2/5^3) = 1 / 137,036

Vierailija

Eivätkös neljä perusvoimaa ole heikko ydinvoima, vahva ydinvoima, ihan pelkkä magnetismi ja vetovoima. Ihan vaan, koska en keksi loistavasta kirjoituksestasi muuta pilkkua viilattavaksi. Hyvää Uuttavuotta!

Eusa
Liittynyt16.2.2011
Viestejä15578

Vierailija kirjoitti:
Eivätkös neljä perusvoimaa ole heikko ydinvoima, vahva ydinvoima, ihan pelkkä magnetismi ja vetovoima.

Kylläpä sähköisen kvantittumisen ohjaava vaikutus taitaa olla toinen pooli ja toinen pooli tilaimu; noiden yhdistelmistä saattaa rakentaa kaikki perusvuorovaikutukset, gravitaatiosta vain puuttuu samanlainen kvantittuminen, koska sähköisyys ei ole ilmiössä mitenkään mukana...

Hienorakennevakio suoraan vapausasteista: 1 / (1^0+2^1+3^2+5^3+1^0/2^1*3^2/5^3) = 1 / 137,036

OJP.
Liittynyt18.1.2013
Viestejä598

Niin,  milestäni  ymärrettävästi ja perustellusti  nykyfysiikan perusteista päätelty kommentti.

-   Jotain kysyäkseni, mitä tarkoitat .... kun sanot, että sähköisen kvantittumisen  ohjaava vaikutus taitaa olla toinen puoli ja toinen .... tila-imu, noiden  yhdistelmistä saattaa ratketa kaikki  perusvuorovaikutukset , gravitaatiosta vain  puuttuu samanlainen kvantittuminen , koska .....sähköisyys .....ei ole ilmiössä mitenkään mukana....

Niin, hiukkasfysiikan stanrdimallin perusteella tällaiseen johtopäätöksen  tulee  väistämättä tehneeksi, alkeishiukkasten vuorovaikutuksista. 

Sähkömgneettisen vuorovaikutuksen välittäjä hiukkanen on tumnnetusti fotoni.

  Eikö kuitenkin  suhteellisuusteorian mukaisen ... kaareutuvan  aika ..... avaruuden   kehitysprosessin   0  - 1 ..... 10 potenssin  42 s. alkuräjähdysreaktiossa  synttynyt mm. Higgsin  ...kenttä ....ja standardi mallin täydentävä  bosoni selittämään sähkömagnetismin osuutta gravitaatio ilmiön eräänä syynä. ?

Osmo, Otto, Juhani Päivinen

WSolsticeHO
Liittynyt22.12.2015
Viestejä188

"Voimahan on vain nimi liikkeen muutokselle."

Niin, kyllähän sen fotoninkin liikeradan muutokseen voimaa tarvitaan.

Fotonin liikeradan kaareutuminen Auringon ohituksen yhteydessä ei ole näennäistä. Sen liikerata muuttuu avaruudessa.

Avaruus itse sen sijaan ei kaareudu edes näennäisesti. Eihän sitä avaruutta itseään voi havannoida tai tutkia tieteellisesti

Ps. Mitähän sille laajenevalle avaruudelle itselleen tapahtuu kun sen avaruuden metrinen koordinaatisto kasvaa ja mihinkähän se perustuu? Ilmeisesti liike ei liity avaruuden laajenemiseen millään tavalla?

Täällö olen kysellyt ja selvyyttä ei ole liikkunut / työntynyt esiin

http://www.tiede.fi/keskustelu/66572/goswell_sittenkin_oikeassa_mita_ava...

.

WSolsticeHOu

Kun olen kysynyt mihin avaruuden laajeneminen perustuu, olen saanut vastaukseksi sen että se nyt vaan on avaruuden ominaisuus. Mitään sen tarkempaa kuvausta siitä mitä laajenevalle avaruudelle itselleen tapahtuu silloin kun se laajenee, en ole saanut.

Mihin laajenevaa avaruutta tarvitaan? Eikö valon yleinen punasiirtymä selity yhtä vaivattomasti jos vain todetaan että se nyt vaan on valon ominaisuus?

Paitsi että me voimme pohtia mihin tämä valon ominaisuus voisi perustua.

Jos oletamme että valon aallot vuorovaikuttavat toistensa kanssa ja fotonit toistensa kanssa, niin silloin voimme selittää miksi valon nopeus on aina vakio.

Samalla selittyy

Valon yleinen punasiirtymä

Valon liikeradan taipuminen esim. Auringon ohituksen yhteydessä ja ns. gravitaatiolinssi-ilmiö.

Ja ns. gravitaatiopunasiirtymä

Kaikki nuo ilmiöt perustuisivat valon itsensä ominaisuuksiin, ei sen avaruuden ominaisuuksiin jossa valo itse liikkuu ja muuttuu.

Emmehän me voi havaita, emmekä tutkia avaruutta.

Olemme havainneet että.valo itse on muuttunut matkansa aikana. Joten eikö olisi loogisempaa yrittää myös selittää valon muutos sillä että se on valon ominaisuus?

Miten sen voisi todistaa tieteellisesti?

Entäpä jos rakennamme avaruuteen pitkän kourun jonka toiseen päähän kaukoputki jolla havannoidaan kaukaista galaksia jonka paikka tiedetään.

Tuolla kokeella voisimme tutkia miten kouru, varjostaessaan tilaa, vaikuttaa kaukaisesta galaksista tuleviin fotoneihin jotka altistuvat kourun avoimelta puolelta kourun pohjaa kohti liikkuvalle hyvinkin vanhalle valolle.

Ps. Voimme tutkia valoa ja sen käytöstä kun se liikkuu avaruudessa. Siksi voimme tutkia mitä ominaisuuksia itse valolla on ja mitä ei ole.

Avaruutta itseään emme voi tutkia tieteellisesti. Siksi sille avaruudelle onkin helppo keksiä mitä ihmeellisempiä ominaisuuksia kuten esim. Se että avaruus muuttuu ilman liikettä.

En usko että sellaista muuttuvaa voisi olla joka muuttuu ilman liikettä.

Ja liike tarvitsee taustalleen aina tilan jossa se liike tapahtuu ja minusta tuon taustan tila on sellainen avaruus joka ei muutu eli ääretön avaruus joka on ei yhtään mitään.

Vierailija

Ei ole voima! Jos ihminen poistuu galaksista, saattaa ehkä käydä niin että ihminen hajoaaa atomeiksi. Päättelesimmekö tästä että painovoiman puute on voima?  Pyörit avaruusdessa, tunnet g voimia, siispä keskipakoisvoima on voima, noinko  muka voi ajatella?

Matias S

Kiitos erittäin mielenkiintoisesta kirjoituksesta, Teppo.

"Voimahan on vain nimi liikkeen muutokselle." Tässä pitäisi lukea "kiihtyvyys on nimi liikkeen muutokselle". Voima on klassisesti Newtonin dynamiikassa tulkittu liiketilan muutoksen syyksi. Esim. Newton itse selvästi kannatti luonnonlakien kausaalista tulkintaa (ks. esim. http://filosofia.fi/node/7124#Newtonin liikelait).

Kysymyksesi "voidaanko voiman käsitteestä ylipäänsä fysiikassa luopua" liittyy läheisesti kysymykseen siitä, ilmentävätkö luonnonlait syyseuraus-suhdetta vai eivät.

Eusa
Liittynyt16.2.2011
Viestejä15578

Matias S kirjoitti:
Kiitos erittäin mielenkiintoisesta kirjoituksesta, Teppo.

"Voimahan on vain nimi liikkeen muutokselle." Tässä pitäisi lukea "kiihtyvyys on nimi liikkeen muutokselle". Voima on klassisesti Newtonin dynamiikassa tulkittu liiketilan muutoksen syyksi. Esim. Newton itse selvästi kannatti luonnonlakien kausaalista tulkintaa (ks. esim. http://filosofia.fi/node/7124#Newtonin liikelait).

Kysymyksesi "voidaanko voiman käsitteestä ylipäänsä fysiikassa luopua" liittyy läheisesti kysymykseen siitä, ilmentävätkö luonnonlait syyseuraus-suhdetta vai eivät.

Itse asiassa, vuorovaikutukset ovat varsinainen fysikaalinen syy liikemuutoksille. Voimat kuvaavat noita muutoksia, aivan kuten Teppo kirjoitti. Voimat ovat symmetriatekijä, jolla vuorovaikutukset jakavat muutosvaikutusta ainekappaleille niiden massaan jakautuvaksi yhteiseksi kiihtyvyydeksi.

Hienorakennevakio suoraan vapausasteista: 1 / (1^0+2^1+3^2+5^3+1^0/2^1*3^2/5^3) = 1 / 137,036

Matias S

"Vuorovaikutukset ovat varsinainen fysikaalinen syy liikemuutoksille."

Mitä tarkoitat fysikaalisella syyllä?

Otetaan kolme ehtoa kausaliteetille (peräisin Humelta):

1) fyysinen vierekkäisyys
2) ajallinen peräkkäisyys
3) syy ja seuraus ovat tarkasti erotettavia

Dynamiikan lait eivät noudata mitään näistä ehdoista:

1) yleinen painovoimalaki edellyttää kaukovaikutuksen
2) voima ja kiihtyvyys ovat samanaikaisia NII mukaan (myös painovoimalain sekä NIII mukaan vaikutus on välitön)
3) voima perustuu vähintään kahden massan vuorovaikutukseen; se ei ole jokin yksittäinen asia

Itse olen kallistumassa akausaaliseen tulkintaan luonnonlaeista. Tässä on Machin klassinen argumentti asiasta: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Causality_(physics)

Nykyisessä fysiikan filosofiassa sama pointti löytyy esim. John D. Nortonilta

Matias S

Tää mun linkkien avulla kommunikointi vähän epäonnistuu, kun viimeinen sana ei mene itse linkkiin...

Eusa
Liittynyt16.2.2011
Viestejä15578

Kausaalisuus:

1) Vuorovaikutus tapahtuu yhteisesti, kvantti ei vuorovaikuta muiden kanssa.

2) Vuorovaikutusketjut näkyvät muille mittaajille ajallisesti peräkkäisinä riippuvuuksina.

3) Kaikki muut mittaajat ovat yhtä mieltä vuorvaikutuksien ketjuuntumisjärjestyksestä.

Dynamiikka:

1) Painovoima on näennäisvoima, kappaleet syöksyvät tilan mukana, ei edellytä kauokovaikutusta.

2) Vuorovaikutusketjut kohdistuvat aineksen efektiiviseen osaan aikakehityksessä, massapisteet kiihtyvät vuorovaikutuskvantti kerrallaan. Voima kuvaa useimmiten tapahtumaotosta keskimääräistäen - voima ei ole siten fysikaalinen suure kuin millainen on se mitnkä voimakkuutta se kuvaa: kvantittuneet vuorovaikutukset.

3) "Kaksi massaa" on huonosti määritelty - klassinen mekaniikka käsittelee kappaleita massapisteinä. Kuten kerroin, silloin käsitellään kvantitatiivisia keskimääräisyyksiä.

Kausaalisuus ja symmetria ovat pienimmän vaikutuksen periaatteen lisäksi ihan perustavimmat loogiset havainnot luonnosta - vahvasti joutuu argumentoimaan, kun lähtee niitä vastaan rikkomaan. Mutta rohkaisen toki yrittämään...

Hienorakennevakio suoraan vapausasteista: 1 / (1^0+2^1+3^2+5^3+1^0/2^1*3^2/5^3) = 1 / 137,036

Seuraa 

Rajankäyntiä

Teppo Mattsson on kosmologiaan ja suhteellisuusteoriaan erikoistunut teoreettisen fysiikan tutkija, joka harrastaa matkailua tieteenalojen välisillä rajaseuduilla. Blogi on matkakertomus näiltä retkiltä.

Teemat

Blogiarkisto

Kategoriat