Zacznijmy od odpowiedzi na fundamentalne pytanie, jakie postawiłem na końcu ostatniej notki: Jakie prawo ustalił eksperymentalnie Charles deCoulomb? Prawo oddziaływania nieruchomych ładunków elektrycznych, czy prawo oddziaływania nieruchomych punktowych naładowanych ciał lub cząstek.
Odpowiedź której udzielę może być jednoznaczna, gdyż ja nie jestem profesjonalnym fizykiem, więc mogę sobie pozwolić mówić prawdę i tylko prawdę: chodzi oczywiście o prawo oddziaływania nieruchomych punktowych naładowanych cząstek.
Ale czy to naprawdę tak? Mam na tyle poważne wątpliwości, że uprzedzając fakty odpowiem – Ależ oczywiście, że nie!
W połowie XVIII wieku była zgromadzona odpowiednio duża ilość jakościowych danych o zjawiskach elektrycznych. Przyszedł czas dać im ilościową interpretację, ale na przeszkodzie stanął zasadniczy problem: siły elektrycznego oddziaływania były stosunkowo niewielkie, a więc istniała potrzeba opracowania przyrządu odpowiedniej klasy, który pozwoliłby mierzyć te siły.
Pierwszym, który poradził sobie z tym problemem był francuzki inżynier, Charles deCoulomb, który był odkrywcą eksperymentalnego faktu – siła pojawiająca się przy sprężystej deformacji nici z metalu (drutu) jest wprost proporcjonalna do kąta skręcenia i średnicy nici w czwartej potędze i odwrotnie proporcjonalna do jej długości:
Fskr = k*f*d^4/l
gdzie: d – średnica nici; l – długość nici;f - kąt skręceni nici
współczynnik proporcjonalności k znajdowało się na drodze eksperymentalnej, gdyż zależał on od rodzaju materiału, z jakiego była wykonana nić.
Zależność tą wykorzystał Coulomb w specjalnie skonstruowanej wadze skręceń, który pozwalała mierzyć bardzo małe siły rzędu 5*10^-8.
Rysunek wagi skręceń można znaleźć w wielu miejscach w Internecie, więc nie będę tracił czasu na jego zamieszcanie. Dla ciekawości podam kilka interesujących szczegółów dotyczących tej wagi, którą wykorzystywał Coulomb.
1. Kulki wykonywał z materiału wypełniającego krzew czarnego bzu, które dla potrzeb eksperymentu pokrywał złotem
2. Kulka miały średnicę 4,5 – 6,8 mm
3. Kulka odchylana była zawieszona na lekkiej szklanej belce długości 108,3 mm podwieszonej na srebrnej nici. Na drugim końcu tej belki Coulomb zawieszał papierowy krążek zamoczony przed eksperymentem w tempertynie.
5. Długość srebrnej nici wynosiła ok. 750 mm, a jej średnica – 2,2 mm
6. Całość była zamknięta w dwóch szklanych cylindrach o różnej średnicy
Najciekawsze w tym eksperymencie było ustalenie zależności siły od ładunku. Coulomb znalazł bardzo prosty, ale ciekawy sposób zmiany ładunku jednej z naładowanych kulek, które biorą udział w eksperymencie.
Swój eksperyment Coulomb prowadził tak:
Naładowywał kulkę, która była zawieszona na srebrnej nici przez przeniesienie na nią ładunku z drugiej kulki o tej samej średnicy. Po zrównoważeniu się ładunków zwalniał szklaną belkę i kulka zaczepiona na tej belce odpychała się od nieruczomej kulki na pewną odległość, co powodowało obrót szklanej belki i skręcenie nici.
W drugim etapie, brał trzecią niezaładowanł kulkę o txch samych wymiarach co pierwsze dwie i przytykał ją do jednej z kulek, który już brała udział w eksperymencie. Ładunek na tej kulce zmniejszał się o połowę, gdyż druga połowa przechodziła na trzecię kulkę i otrzymywaliśmy nową sytuację.
Teraz w eksperymencie brały udział dwie kulki, ale ładunek jednej z nich był dwa razy większy niż drugi. To pozwoliło Coulombowi ustalić eksperymentalnie nową wielkość siły oddziaływania.
Ta metodyka dała Coulombowi możliwość dojść do wniosku, że siła oddziaływania między kulkami jest wprost proporcjonalna iloczynowi ładunków:
F ~q1*q2
Pozostało tylko ustalić zależność tego oddziaływania od odległości między naładowanymi kulkami. Trzeba przyznać, że Coulomb poradził sobie z tym dość sprytnie, otrzymując, że: siła oddziaływania dwóch naładowanych kulek jest odwrotnie proporcjonalna kwadratowi odległości między nimi:
F ~ 1/r^2
Generalnie, prawo Coulomba ma postać:
F = k*|q1|*|q2|/r^2
gdzie k – współczynnik proporcjonalności.
Czy to prawo jest spełnione dla wszystkich przypadków? Po konsultacjach w gronie profesjonalnych fizyków, mogę poinformować, że nie! Jest tak dużo odstępstw od tego prawa, że chyba już przyszedł czas, przyjrzeć się jemu dokładniej.
A teraz najważniejsza (moim zdaniem) część wykładu, czyli moje przemyślenia na temat dystancyjnego oddziaływania obiektów między sobą.
One w ciekawy sposób zbiegły się z prawie trzyletnią niemożliwością znalezienia wspólnego języka odnośnie współzależności fizyki i matematyki.
Ja (ale i Eine – trzeba mu to przyznać obiektywnie) twierdzę, że matematyka powinna pomagać w ilościowym opisaniu tego co jakościowo da się opisać słowami, czyli musi istnieć zjawisko, żeby je opisać ilościowo.
Ark jest zwolennikiem innej koncepcji: jeśli matematyka jest w stanie stworzyć koneptualny, aczkowliek wirtualny model, to powinniśmy się tym zadowolić i zastąpić "lukę" w badaniach przyrody.
Ponieważ matematycy zdominowali w pewnym momencie historii fizyków, to dzisiaj mamy taki dziwoląg, o którym nawet magia mówi – ja tego nie czuję!
Dam oczywiście przykład. Dzisiaj, podczas kolejnej "rundy" dywagacji na temat właściwego interpretowania rezultatów eksperymentów i znajdowania formuł, które stają się w nauce fundamentalnymi prawami, prof. Jadczyk bardzo mocno wyakcentował swoje stanowisko:
I nie zapominaj o tym, że eksperyment ma czegoś dowodzić a nie być tylko przetworzeniem jednych danych na inne dane. Przetwarzanie danych to inna dziedzina. Przetwarzać dane może i zaprogramowana maszyna. My dyskutujemy badania Przyrody, wykrywanie w niej prawidłowości.:
Chciałbym się pod nim podpisać obydwoma rękoma, ale ... niestety mam dobrą pamięć (więc i wam, drodzy czytelnicy przypomnę):
Gdy poprosiłem prof. Jadczyka, żeby opisał ten eksperyment Coulomba, na podstawie którego, Coulomb ustalił swoje prawo, oraz żeby doszedł do tego prawa na bazie tego właśnie eksperymentu, to usłyszałem:
Wziąłem te dane i zapuściłem program najlepiej dopasowujący potęgę. Wyszło mi 2.26402. Zatem trochę więcej niż druga. A na pewno nie pierwsza!
http://arkadiusz.jadczyk.salon24.pl/206441,masa-fotonu-i-prawo-coulomba-czyli-co-ma-piernik-do-wiatraka#comment_2919850
Hallo! Panie Profesorze! Pan jeszcze kontroluje samego siebie?
Rozumiejąc, że muszę liczyć tylko na siebie nakazałem szarym komórkom myśleć. Punktem wyjściowym była dla mnie intuicja, który w żaden sposób nie mogła się pogodzić fenomenologiczną odwrotnością kwadratu odległości.
I zdarzyło się coś dziwnego. Ta upierdliwa konsekwencja, w analizowaniu każdego słowa, przed przypasowaniem go do określonej, rzeczywistej sytuacji, którą bez zwracania uwagi na nasze narzekania przedstawia nam Stanisław Heller, tym razem była tym inicjującym lawinę kamyczkiem.
No bo proszę pomyśleć: siedzę sobie przed komputerem i na ekranie widzę ... tak, tak, kulki, a nie punktowe ładunki, kulki a nie punktowe ładunki, kulki a nie punktowe ładunki.
I gdy myślowo przeniosłem się na jedną z nich, to dopiero patrząc z tej perspektywy zobaczyłem ... nie, nie kulkę – punkt. Postanowiłem sprawdzić, czy Coulomb mnie nie oszukał i czy faktycznie tam gdzie ja widziałem punkt, jest kulka.
Tragedia!Między mną a punktem była przepaść. Pojawił siędylemat.Jak przebyć tą drogę.Mostu przecież żadnego nie było.
I wtedy przypomniałem sobie, że przecież te dwie kulki oddziaływują między sobą ładunkami, które wysyłają o sobie informację w przestrzeń. Co mówi ta informacja?
Oto ja! Ładunek X. Jak mnie dotkniesz to poczujesz moją siłę – F1. Ale jeśli spotkamy się w punkcie A w odległości r1 to poczujesz siłę F2,, który jest mniejsza od mojej pierwotnej siły o wspóczynnik 1/r.
Wydaje się logiczne, ale nie do końca. Powtórzyłem ten myślowy eksperyment i zaprosiłem do niego Stanisława. Ja poszedłem z kulki do punktu A odległego od kulki na odległość r1, a Stanisław odprawił się w przeciwną stronę, do punktu B odległego od kulki na odległość r2.
Gdy r1 = r2 sprawdziliśmy siłomierze i okazało się że siła F2 (ta, która działa na mnie) i siła F3 (ta która działa na Stanisława) są równe, ale dużo mniejsze niż wynikałoby to ze współczynnika proporcjonlności 1/r
Czy już wszystko jasne? Nie?
Wspomnijcie, czego zażądał wręcz odemnie prof. Jadczyk:
I nie zapominaj o tym, że eksperyment ma czegoś dowodzić
Logika podpowiedziała, że Coulomb 235 lat temiu i wszyscy ludzie, którzy zajmowali się choćby raz w życiu zagadnieniem elektrostatycznego oddziaływania fatalnie formułowali zadanie jakie miał rozwiązać eksperyment.
Nie ma żadnego oddziaływania ładunków na odległość.
Odziaływuje ładunek z polem drugiego ładunku.
A jak zmienia się pole ładunku w zależności od odległości? Oczywiście proporcjonalnie do 1/r^2 !!!
Przecież ładunek musi mieć swoją wartość w każdym punkcie przestrzeni jednocześnie, a to jest możliwe, gdy rozkłada się punktowo na całym polu opisanym promieniem r:
F = k*q1*(q2/S) = k*q1*q2/p*r^2/2 = k1*q1*q2/r^2
Jak widać, prawo odwróconych kwadratów dostało swoje fizyczne napełnienie i od dzisiaj może się nazywać Prawem odwróconych kwadratów Mordkowicza.
Panie prof. Jadczyk!
Tak właśnie powinien Pan analizować zagadnienia fizyczne, żeby dobijać się takich rezultatów, o których ludzie będą mówić jeszcze po latach.
Inne tematy w dziale Technologie
