Поговорим о таком важном приёме в изучении физики и в научной работе, как мысленный эксперимент. Он позволит не просто изучать физику, а понимать её.
Этим термином часто называют моделирование, которое куда легче воспринимает сегодня ухо слушателя. Слово моделирование используется повсеместно, а вот "мысленный эксперимент" можно встретить, пожалуй, только в научно-популярных источниках и относится оно к проработке той или иной физической теории.
В своей книге я рассказывал, что для правильного понимания физического процесса следует его правильно визуализировать. Очень хорошо было бы тут провести реальный эксперимент, но когда мы размышляем про астрофизику, провести такое исследование значительно сложнее. Последнее слово следовало взять в кавычки, так как слово "сложнее" иногда лучше заменять на невозможно 😁 Поэтому, проводят мысленный эксперимент.
Именно этому почему-то не учат ни на одном уроке физики, хотя это один из самых важных навыков. Причем, не только для ученого, но и для практики жизни.
Для того, чтобы понять процесс, его нужно исследовать. Чтобы его исследовать нужна некоторая модель.
Возьмем простую ситуацию. Ехал я вчера по шоссе. Уже начались морозы, а резину поменять я так и не успел. Почему-то в голове я начал крутить процесс взаимодействия затвердевшей от холода летней резины со скользкой дорогой. И тут я подумал, что редкий учитель физики объяснял бы такой процесс взаимодействия, используя правильные и понятные аналогии. Давайте попробуем провести мысленный эксперимент для разбора такой ситуации.
Правила мысленного эксперимента
При проведении эксперимента важно учитывать ряд параметров.
- Предложенная модель не должна противоречить действующим законам физики. Если мы как раз-таки выявляем тот или иной закон, то следует опираться на уже имеющиеся законы, но в исследуемом параметре оставлять пробел и анализировать возможные процессы.
- Нет ничего страшного в том, что какой-то имеющийся закон физики вдруг перестанет работать 🤪 Вполне возможно, что вы нащупали ошибку. Но прежде чем делать выводы следует много раз анализировать свою логику. Физические законы всё-таки многократно проверялись.
- При выборе сущностей для проведения эксперимента полезно подбирать объекты, которые будут заведомо утрировать имеющиеся ярко выраженные свойства. Это позволит лучше увидеть процесс.
- Следует очень внимательно относиться к подбору аналогий, поскольку излишнее упрощение приведет к тому, что будут потеряны важные детали физического процесса.
- Предыдущий пункт полезно дополнить фразой "нет ничего важнее мелочей". Нужно очень хорошо знать имеющуюся теоретическую базу и\или уметь выявлять каждое взаимодействие. Внимательность - главный помощник.
- Некоторые части модели можно опустить, если они не оказывают значительного влияния на физическую систему и исследуемый вопрос.
- Физику можно не знать совсем, но нужно уметь правильно видеть её вокруг нас. Нужно выбирать хорошие примеры пусть иногда и забавные. Главное не промазать со свойствами.
Пример эксперимента про зимнюю дорогу
Итак, колесо у нас на летней резине. Значит, как минимум, надо понимать, чем свойства летней резины отличаются от свойств зимней.
Поведение того или иного полимера при изменении температуры описывается термомеханической кривой, где обозначена зависимость его мягкости (хотя там и указано состояние, назовем это мягкостью) от температуры. Чем холоднее, тем полимер жестче.
Зимняя резина отличается от летней тем, что используется специальный компаунд, у которого точка стеклования смещена ниже, чем у летнего варианта. Значит, при одной и той же отрицательной температуре колесо с летней шиной будет жестче, чем колесо с зимней шиной.
Даже ничего не зная про термомеханические кривые можно было из обычной практики предсказать поведение летней шины.
Вспомните, как ведет себя на морозе полимерный шланг или ПВХ сапоги, которые становятся буквально деревянными.
Из здравой логики следует, что более мягкое колесо будет иметь большую плотность и площадь контакта с дорогой, а его структура будет лучше облегать все неровности дороги. Это приведет к увеличению силы трения в паре колесо-дорога в зимнее время, большей уверенности при движении и комфортности, тогда как летнее колесо будет деревянным.
Слово деревянное выбрано не случайно. Представьте себе, как колесо взаимодействует с дорогой. Чуть выше в правилах моделирования мы писали, что полезно использовать антиподы свойств не в ущерб физике процесса. В данном случае прекрасно подойдет способ летнее колесо ассоциировать с деревянным, а зимнее - сопоставить с ластиком для стирания карандаша. В качестве скользкой подложки или дорожного полотна мы представим кафельную плитку.
Теперь запустим мысленный эксперимент и проведем по кафельной плитке ластиком или деревянным бруском. В каком случае проще остановить движение? Конечно же, с ластиком! Значит и зимняя резина покажет некоторые преимущества на зимней дороге.
Напомню, что излишнее упрощение ломает физику процесса. Скажем, когда Эддингтон демонстрировал пространство с помощью простыни, по которой катается яблоко вкруг тыквы, продавившей воронку в простыне, ему следовало дополнить этот пример тем, что пространство не обязательно будет двухмерным как сама простынь. Сам-то он это гарантированно понимал, но процесс получился не совсем наглядный. Факт того, что рассматривается только линейное пространство не меняет характер искажения и в 3D понятен, но не очевиден большинству читателей.
В случае нашего колеса вполне уместно описывать его как деревянное и это не слишком просто.
Да, летняя резина всё-таки не потеряет все свои эластичные свойства на морозе, но для нашего эксперимента значима именно потеря некоторых параметров.
Есть ещё один момент - деревянный брусок можно сломать об колено, а вот ластик об колено не сломается 😁 При сильном ударе по колесу летняя резина может разлететься в клочья прямо на дороге.
Очень внимательно рассматривать каждую конкретную деформацию и степень отвердевания было бы уместно, например, при сравнении поведения на зимней дороге летней резины с металлическими шипами (допустим) и зимней голой резины. Тут бы правда следовало обратить внимание на конкретные показатели отвердевания компаунда, так как сложно сходу правильно представить особенность поведения шипованного твёрдого колеса на скользкой дороге.
Подобная логика изучения делает физику гораздо более интересной дисциплиной! Примеров успешного применения такого подхода множество, причем не только в физике. Вспомните, например, Кекуле, который для изучения бензольного ядра представил обезьян. Обезьяны могли не просто держаться руками и ногами друг за друга, но и хватали соседа хвостами, что олицетворяло дополнительные связи.
⚠ Обязательно подписывайтесь на мой канал в ДЗЕН, тыкайте лайк 👍 и возвращайтесь за новым контентом! Материалы выходят регулярно!
👉 Тут я размещаю ссылки на новые материалы, чтобы они не потерялись в ДЗЕНе
🔹 Не забывайте читать новые статьи на сайте!
