Ein idealisiertes Modell in der Physik

Ich hörte einmal ein Akronym für die besten physikalischen Ratschläge, die ich je bekommen habe: Keep It Simple, Stupid (KISS). In der Physik haben wir es typischerweise mit einem System zu tun, das in Wirklichkeit sehr komplex ist. Betrachten wir als Beispiel eines der am einfachsten zu analysierenden physikalischen Systeme: das Werfen eines Balls.

Idealisiertes Modell für das Werfen eines Tennisballs

Du wirfst einen Tennisball in die Luft und er kommt zurück und du willst seine Bewegung analysieren. Wie komplex ist das??

Zum einen ist der Ball nicht perfekt rund; Es hat dieses seltsame, verschwommene Zeug drauf. Wie wirkt sich das auf seine Bewegung aus? Wie windig ist es Hast du ein bisschen Spin auf den Ball gelegt, als du ihn geworfen hast? Fast sicher. All diese Dinge können sich auf die Bewegung des Balls durch die Luft auswirken.

Und das sind die offensichtlichen! Wenn es steigt, ändert sich sein Gewicht geringfügig, basierend auf dem Abstand vom Erdmittelpunkt. Und die Erde dreht sich, also hat das vielleicht einen Einfluss auf die relative Bewegung der Kugel. Wenn die Sonne nicht scheint, trifft Licht auf den Ball, was sich auf die Energie auswirken kann. Sowohl die Sonne als auch der Mond haben gravitative Auswirkungen auf den Tennisball. Sollten diese also berücksichtigt werden? Was ist mit der Venus??

Wir sehen schnell, dass diese Spirale außer Kontrolle gerät. Es ist einfach zu viel los auf der Welt, als dass ich herausfinden könnte, wie sich das alles auf mich auswirkt, wenn ich den Tennisball wirf? Was können wir tun?

Verwendung in der Physik

In der Physik ein Modell (oder idealisiertes Modell) ist eine vereinfachte Version des physischen Systems, die die unnötigen Aspekte der Situation beseitigt.

Eine Sache, über die wir uns normalerweise keine Sorgen machen, ist die physische Größe des Objekts oder dessen Struktur. Im Tennisball-Beispiel behandeln wir es als einfaches Punktobjekt und ignorieren die Unschärfe. Sofern wir uns nicht speziell dafür interessieren, ignorieren wir auch die Tatsache, dass es sich dreht. Der Luftwiderstand wird häufig ignoriert, ebenso wie der Wind. Die Gravitationseinflüsse von Sonne, Mond und anderen Himmelskörpern werden ebenso ignoriert wie der Einfluss von Licht auf die Oberfläche der Kugel.

Sobald all diese unnötigen Ablenkungen beseitigt sind, können Sie sich auf die genauen Eigenschaften der Situation konzentrieren, die Sie untersuchen möchten. Um die Bewegung eines Tennisballs zu analysieren, sind dies normalerweise die Verschiebungen, Geschwindigkeiten und Schwerkraftkräfte.

Sorgfältig mit idealisierten Modellen umgehen

Das Wichtigste bei der Arbeit mit einem idealisierten Modell ist zu Stellen Sie sicher, dass die Dinge, die Sie ausziehen, Dinge sind, die sind nicht notwendig für Ihre Analyse. Welche Funktionen erforderlich sind, hängt von der Hypothese ab, die Sie in Betracht ziehen. 

Wenn Sie den Drehimpuls studieren, ist die Drehung eines Objekts von wesentlicher Bedeutung. Wenn Sie sich mit zweidimensionaler Kinematik befassen, kann diese möglicherweise ignoriert werden. Wenn Sie einen Tennisball aus einem Flugzeug in großer Höhe werfen, sollten Sie den Windwiderstand berücksichtigen, um festzustellen, ob der Ball auf eine Endgeschwindigkeit trifft und nicht mehr beschleunigt. Alternativ können Sie in einer solchen Situation die Variabilität der Schwerkraft analysieren, je nachdem, welche Genauigkeit Sie benötigen.

Stellen Sie beim Erstellen eines idealisierten Modells sicher, dass es sich bei den Elementen, die Sie entfernen, um Merkmale handelt, die Sie tatsächlich aus Ihrem Modell entfernen möchten. Ein wichtiges Element achtlos zu ignorieren, ist kein Modell. Es ist ein Fehler.

Herausgegeben von Anne Marie Helmenstine, Ph.D..