Давайте начнем с того, как работает трение в классической физике. Во многом то, "как оно работает" на самом деле связано с тем, как мы составили нашу модель рассматриваемой системы.
Например, блок, скользящий по наклонной плоскости, моделируется как единое твердое тело с некоторой массой, и "состоянием" этого объекта в нашей модели будет положение блока на плоскости и скорость (или его импульс), с которой он движется. Когда мы оцениваем энергию блока, мы просто суммируем кинетическую энергию, соответствующую скорости, и гравитационную потенциальную энергию, соответствующую положению. Получается привычная всем школьная формула.
Когда мы это делаем, мы составляем модель. И модель, увы, несовершенную. Но зато понятную школьникам при прочтении учебника. Мы упускаем из виду (как это принято называть пренебрегаем) движением всех внутренних составляющих частичек. Но эти составляющие всегда находятся в движении и обладают энергией, которая им соответствует. По идее оно и на процесс тоже будет влиять.
Трение - это не что иное, как механизм, с помощью которого мы моделируем поток энергии из "макроскопических" категорий, с пренебрежением движения частичек.
Мы не знаем подробностей, так как мы не отслеживаем все эти частички - если бы это было так, мы бы просто отслеживали кинетическую и потенциальную энергию каждой частицы, и не было бы никакого "трения". Модель не нужно было бы рисовать, никакие зазубрины на плоскости не нужны. Какие-то там электромагнитные составляющие не нужно упоминать. Просто обмен энергией.
Но мы просто сваливаем все это в одну кучу и моделируем, используя наш обычный способ описания трения. Помогает тут то, что в большинстве задач, как только энергия попадает в эти молекулярные степени свободы, она никогда не возвращается обратно, хотя, конечно, она перемещается в той мере, в какой она распределяется по всем молекулярным степеням свободы.
Скажу проще - если бы трение имело другую структуру, то следовало бы не просто описывать взаимодействие с плоскостью или объектом, а расписать все детали для каждой частицы.
Поведение всех этих частичек, в конечном счете, описывается старой элементарной квантовой механикой.
Вместо того, чтобы рассматривать силу трения как силу, возникающую между поверхностями, квантовая физика рассматривает трение как результат взаимодействия между электронами в атомах материалов. В реальных материалах постоянно происходят квантовые флуктуации. Электроны в атомах материалов не имеют фиксированного положения, а постоянно колеблются, эти квантовые флуктуации создают силы отталкивания между электронами соседних атомов, что приводит к возникновению трения. Это справедливо и просто для двух прижатых друг к другу объектов. Работает и знаменитое туннелирование. Электроны могут преодолевать потенциальные барьеры, даже если у них недостаточно энергии, благодаря эффекту туннелирования. Этот эффект также вносит свой вклад в трение, так как электроны могут “проникать” в соседние атомы, создавая силы отталкивания и притяжения.
Атомы в материалах колеблются вокруг своих равновесных положений, эти колебания представляют собой квантованные волны, называемые фононами, взаимодействие между электронами и фононами также приводит к возникновению трения.
В квантовой физике трение может приводить к различным типам диссипации энергии, например, электроны могут переходить в более высокие энергетические состояния, теряя энергию в виде фотонов. Это приводит к характерному поведению объекта.
Квантовая картина трения более полная и точная, чем классическая. Однако обычно вы не используете квантовую механику для моделирования системы с достаточно большим числом степеней свободы, чтобы оправдать использование "грубой зернистости", связанной с трением.
Блок на наклонной плоскости является макроскопическим объектом и, как таковой, в действительности не является подходящим для применения квантовой теории. Если вы имеете дело с достаточно небольшим количеством частиц, чтобы можно было создать детальную квантовую модель, то вам не нужна аппроксимация трения - просто отслеживайте молекулы по одной и всё опишите.
В квантовой механике всё крутится вокруг коллапса волновой функции. На самом деле это не совсем физика. Это шаг в аналитическом процессе, который описывает процесс. Который мы толком и не понимаем.
Факт измерения полностью меняет состояние системы, которая была подвергнута измерению. Этого не происходит, если целью измерения является макроскопический объект. Состояние макроскопического объекта после измерения, как правило, более или менее точно такое же, каким оно было до измерения. Считается, что квантовые эффекты нивелируются эффектами макромира. Говоря понятным языком можно отметить, что гораздо точнее описывать процессы макроуровня получится классической физикой.
Квантовая механика была разработана для применения к микроскопическим системам, в первую очередь субатомным. Если вы имеете дело с чем-то достаточно большим, чтобы классический подход хорошо работал, вы, должны использовать этот классический подход. Приберегите квантовую теорию для квантового мира.
Впрочем, не будет большой ошибкой сказать, что при разложении поведения каждой частички на составляющие фрагменты, мы получим правильную картину и относительно макромира. При этом мы не говорим, что квантовая физика не работает.
Подобные эксперименты относительно массивных тел (тот самый брусок из учебника) пока не проводились, а провести их невероятно сложно. По сути можно попробовать описать силу трения через специфическое поведение каждой частицы, а потом всё это интегрировать. Но нужно ли такое делать...В этом варианте вполне уместно сказать, что знаменитая фраза из учебника "пренебрегаем" работает более чем эффективно.
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта! Там самое интересное по теме.
✅ Поддержать проект монеткой или задать вопрос можно тут! Здесь же я публикую фрагменты будущей книги, которую могут читать подписчики
👉💖 Ставьте лайки материалу, подписывайтесь на проект! И не забывайте нажать на ДЗЕН-колокол 🔔