Bölüm argümanı - Bucket argument - Wikipedia

Isaac Newton dönüyor kova argümanı (Ayrıca şöyle bilinir Newton kovası) bunun doğruluğunu göstermek için tasarlandı dönme hareketi hemen çevreleyen gövdelere göre gövdenin göreceli dönüşü olarak tanımlanamaz. Beşten biri argümanlar Genel olarak, gerçek hareket ve dinlenmenin özel hareket veya dinlenme örnekleri olarak tanımlanamayacağı iddiasını destekleyen "gerçek hareket ve dinlenmenin" "özellikleri, nedenleri ve etkilerinden" akraba diğer gövdelere, ancak bunun yerine yalnızca referans alınarak tanımlanabilir mutlak boşluk. Alternatif olarak, bu deneyler bir operasyonel tanım "ile ne kastedildiğindenmutlak dönüş "ve" göreceli olarak rotasyon "sorusunu ele alıyormuş gibi yapmayın ne?"[1] Genel görelilik mutlak mekândan ve nedeni sistem dışında olan fizikten, kavramı ile jeodezik nın-nin boş zaman.[2]

Arka fon

Bu argümanlar ve mutlak ve göreceli zaman, uzay, yer ve hareket arasındaki ayrımların tartışılması, Newton'un çalışmasının I. Kitabındaki Tanımlar bölümlerinin sonunda bir okulda yer alır. Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri (1687) (ile karıştırılmamalıdır) Genel Scholium III.Kitabın sonunda), Klasik mekanik ve onun evrensel çekim yasası ilk nicel olarak yeterli dinamik açıklamayı veren gezegen hareketi.[3]

Doğrusal ilkeyi benimsemelerine rağmen eylemsizlik ve görünür hareketin kinematik göreliliğinin tanınması (bu, Ptolemaios ya da Kopernik sistem doğrudur), on yedinci yüzyılın doğa filozofları, gerçek hareket ve dinlenmeyi bireysel bir bedenin fiziksel olarak ayrı tanımlayıcıları olarak düşünmeye devam ettiler. Newton'un karşı çıktığı baskın görüş, René Descartes ve (kısmen) tarafından desteklendi Gottfried Leibniz. Boş uzayın metafiziksel bir imkansızlık olduğunu, çünkü uzayın maddenin genişlemesinden başka bir şey olmadığını veya başka bir deyişle, nesneler arasındaki boşluktan söz edildiğinde, aslında bu şeyler arasında var olan ilişkiye atıfta bulunduğunu belirtti. aralarında duran bir varlığa.[4][5] Yukarıdaki anlayışla uyumlu olarak, bir cismin hareketiyle ilgili herhangi bir iddia, zamanla incelenen cismin t yerinde olduğu bir tanıma indirgenir.1 bir grup "dönüm noktası" cesedinin yakınında ve bazı yerlerde2 diğer bazı "dönüm noktası" ceset veya cesetlerin yakınında bulunur.[6][7]

Dönme tespiti: her iki nesne de gerçekten döndüğünde esnek kollarda kırmızı bayraklar belirir. C: Merkezi nesne dönüyor. B: Dış halka dönüyor, ancak ters yönde. C: Her ikisi de dönüyor, ancak ters yönlerde. D: Her ikisi de birbirine kilitli ve aynı yönde dönüyor.

Descartes, hareketli parçalara sahip ve başlangıçta çevreleyen bir halkaya göre hareketsiz duran bir cismin, halkaya göre belirli bir açısal hıza ivmelendirildiği bir durum ile diğer durum arasında gerçek bir fark olacağını fark etti. çevreleyen halkaya merkezi nesneye göre ters bir ivme verildi. Sadece merkezi nesne ve çevreleyen halkayla ilgili olarak, hem merkezi nesnenin hem de çevreleyen halkanın kesinlikle katı nesneler olduğu varsayılırsa, hareketler birbirinden ayırt edilemez. Bununla birlikte, ne merkezi nesne ne de çevreleyen halka kesinlikle katı değilse, o zaman birinin veya her ikisinin parçaları dönme ekseninden dışarı fırlama eğiliminde olacaktır.

Şarta bağlı nedenlerden dolayı, Engizisyon mahkemesi Descartes, hareketten hem mutlak hem de göreceli olarak söz etti.[8][başarısız doğrulama ]

19. yüzyılın sonlarına doğru, tüm hareket görecelidir yeniden tanıtıldı, özellikle Ernst Mach (1883).[9][10]

Buna göre, bir cismin yönünü ve hızını değiştirmeden koruduğunu söylediğimizde boşlukta, iddiamız kısaltılmış bir referanstan az ya da çok değildir tüm evren.

— Ernst Mach; tarafından alıntılandığı gibi Ciufolini ve Wheeler: Yerçekimi ve Atalet, s. 387

Argüman

Newton bir Kova (Latince: Situla ) ile dolu Su bir iple asılır.[11] Kordon kendi üzerine sıkıca bükülürse ve sonra kova serbest bırakılırsa, sadece deneyi yapan kişiye göre değil, aynı zamanda içerdiği suya göre de hızla dönmeye başlar. (Bu durum yukarıdaki B diyagramına karşılık gelir.)

Bu aşamadaki göreceli hareket en büyük olsa da, su yüzeyinin düz kalması, kova yakınlığına rağmen su parçalarının göreceli hareket ekseninden uzaklaşma eğiliminde olmadığını gösterir. Sonunda, kordon gevşemeye devam ederken, deneyciye göre kovanın dönme hareketini elde ederken suyun yüzeyi içbükey bir şekil alır. Bu içbükey şekil, suyun kovaya göre hareketsiz olmasına rağmen suyun döndüğünü göstermektedir. Başka bir deyişle, hareketlerin ancak göreli olabileceği ve mutlak hareket olmadığı fikrinin aksine, suyun içbükeyliğine neden olan kova ve suyun göreli hareketi değildir. (Bu durum D diyagramına karşılık gelir.) Muhtemelen suyun içbükeyliği, başka bir şey: mutlak boşluk mu? Newton diyor ki: "Suyun gerçek ve mutlak dairesel hareketini bulabilir ve ölçebilirsiniz".[12]

Newton'un sözlerinin 1846 Andrew Motte çevirisinde:[13]

Uzun bir kordonla asılan bir kap o kadar sık ​​döndürülürse, kordon kuvvetli bir şekilde bükülür, sonra suyla doldurulur ve suyla birlikte hareketsiz tutulur; sonra, başka bir kuvvetin ani hareketiyle ters yönde dönülür ve kordon kendi kendine çözülürken, gemi bir süre bu hareketi sürdürür; gemi hareket etmeye başlamadan önceki gibi suyun yüzeyi ilk başta düz olacaktır; ancak gemi yavaş yavaş hareketini suya ileterek, mantıklı bir şekilde dönmeye başlamasını ve yavaş yavaş geri çekilmesini ve kabın yan taraflarına yükselip içbükey bir şekil oluşturmasını sağlayacaktır ... Suyun bu yükselişi hareket ekseninden uzaklaşma çabasını gösterir; ve burada akrabanın tam tersi olan suyun gerçek ve mutlak dairesel hareketi kendini keşfeder ve bu çabayla ölçülebilir. ... Ve bu nedenle, bu çaba, çevredeki cisimlere göre suyun herhangi bir ötelemesine bağlı değildir, gerçek dairesel hareket böyle bir öteleme ile tanımlanamaz. ...; ancak göreceli hareketler ... herhangi bir gerçek etkiden tamamen yoksundur. ... Belirli cisimlerin gerçek hareketlerini görünenden keşfetmek ve etkili bir şekilde ayırt etmek gerçekten de büyük bir güçlük meselesidir; çünkü o taşınmaz alanın bu hareketlerin gerçekleştirildiği kısımları hiçbir şekilde duyularımızın gözlemine girmez.

— Isaac Newton; Principia, Kitap 1: Scholium

Hareketin göreli değil mutlak olduğu argümanı eksiktir, çünkü deneyle ilgili katılımcıları yalnızca kova ve su ile sınırlandırır, bu da henüz belirlenmemiş bir sınırlama. Aslında, suyun içbükeyliği açıkça yerçekimi çekiciliğini içerir ve dolayısıyla Dünya da bir katılımcıdır. Mach'ın yalnızca göreli hareketin tesis edildiğini iddia etmesinden kaynaklanan bir eleştiri:[14]

Newton'un dönen su kabı ile yaptığı deney, bize basitçe, suyun kabın kenarlarına göre göreceli dönüşünün farkedilir bir merkezkaç kuvveti oluşturmadığını, ancak bu tür kuvvetlerin, dünyanın kütlesine göre göreceli dönüşleri ile üretildiğini bildirir. ve diğer gök cisimleri.

— Ernst Mach, L. Bouquiaux'un Leibniz, s. 104

Mach'ın hipotezinin genel göreliliğe entegre edilme derecesi makalede tartışılmaktadır. Mach prensibi; genel olarak genel göreliliğin tamamen Machian olmadığı kabul edilir.

Tüm gözlemciler, dönen suyun yüzeyinin kavisli olduğu konusunda hemfikirdir. Bununla birlikte, bu eğriliğin açıklaması, herhangi bir ek merkezkaç kuvvetine ihtiyaç duymadan, eğriliği gözlemledikçe suyun dönme hızı ile tutarlı bulan gerçek bir sabit gözlemci dışında tüm gözlemciler için merkezkaç kuvveti içerir. Böylece sabit bir çerçeve belirlenebilir ve "Neye göre sabit?" Diye sormaya gerek kalmaz:

Orijinal soru, "hareket yasaları hangi referans çerçevesine göre geçerlidir?" yanlış poz verildiği ortaya çıkar. Esasen hareket yasaları için belirlemek bir referans çerçeve sınıfı ve (ilke olarak) bunları oluşturmak için bir prosedür.[15]

Ek Düşünce deneyi Mutlak rotasyonun oluşumunu belirlemekle aynı amaç için Newton tarafından da önerildi: iki özdeş kürenin ağırlık merkezleri etrafında dönerken ve bir ip ile birbirine bağlanmış olarak gözlemlenmesi örneği. İpte gerilim oluşması mutlak dönüşün göstergesidir; görmek Dönen küreler.

Detaylı analiz

İkisinin arayüzü karışmaz Dikey bir eksen etrafında dönen sıvılar, yukarı doğru açılan dairesel bir paraboloittir.

Dönen kova deneyinin tarihsel ilgisi, suyun yüzeyinin şeklini gözlemleyerek mutlak dönmenin tespit edilebileceğini öne sürmesindeki faydasıdır. Ancak, rotasyonun bu değişikliği nasıl getirdiği sorgulanabilir. Aşağıda, bir kovadaki dönen su yüzeyinin içbükeyliğini anlamak için iki yaklaşım bulunmaktadır.

Birlikte dönen çerçevede su yüzeyinin bir elemanı için kuvvet diyagramı. Üst: Radyal kesit ve su yüzeyinde seçilen nokta; su, birlikte dönen çerçeve ve radyal bölüm, vektör tarafından verilen sabit bir açısal dönme oranını paylaşır Ω. Alt: Yüzey üzerinde seçilen noktadaki diyagramı zorlayın. Yüzeyin eğimi, üç kuvvetin toplamını sıfır yapacak şekilde ayarlanır.

Newton'un hareket yasaları

Bir kova içinde dönen bir sıvının yüzeyinin şekli, yüzeyin bir elemanı üzerindeki çeşitli kuvvetler için Newton yasaları kullanılarak belirlenebilir. Örneğin, Knudsen ve Hjorth'a bakınız.[16] Analiz, suyun sabit göründüğü birlikte dönen çerçevedeki serbest cisim diyagramı ile başlar. Suyun yüksekliği h = h(r) radyal mesafenin bir fonksiyonudur r dönme ekseninden Ωve amaç bu işlevi belirlemektir. Yüzeydeki bir su hacmi elementinin üç kuvvete maruz kaldığı gösterilmiştir: yerçekiminden kaynaklanan dikey kuvvet Fgyatay, radyal olarak dışa doğru merkezkaç kuvveti FCfglve su yüzeyine normal kuvvet Fn seçilen yüzey elemanını çevreleyen suyun geri kalanı nedeniyle. Çevreleyen sudan kaynaklanan kuvvetin su yüzeyine normal olduğu bilinmektedir çünkü dengede bir sıvı destekleyemez. kesme gerilmeleri.[17] Anthony ve Brackett'den alıntı yapacak olursak:[18]

Tekdüze yoğunluklu bir sıvının yüzeyi ... hareketsiz haldeyken, her yerde kuvvet çizgilerine diktir; çünkü böyle olmasaydı, yüzeydeki bir noktadaki kuvvet, biri dik, diğeri yüzeye teğet olmak üzere iki bileşene ayrılabilirdi. Ancak bir akışkanın doğası gereği, teğetsel kuvvet, akışkanın hareketsiz olduğu ifadesine aykırı bir hareket oluşturacaktır.

— William Arnold Anthony ve Cyrus Fogg Brackett: Temel Fizik Ders Kitabı, s. 127

Dahası, su elementi hareket etmediğinden, üç kuvvetin toplamının sıfır olması gerekir. Toplamak için, suyun kuvveti merkezkaç ve yerçekimi kuvvetlerinin toplamına zıt olarak işaret etmelidir, yani su yüzeyinin bu yöndeki normal noktalarına göre ayarlanması gerekir. (Çok benzer bir problem, bir banka dönüşü, dönüş eğiminin ayarlandığı yerde bir araba yoldan kaymayacaktır. Döner kova durumundaki benzerlik, yüzeye normal olan yüzey tarafından oluşturulan vektör ile aynı hizaya gelmedikçe su yüzeyinin elemanının yüzeyde yukarı veya aşağı "kayacağı" şeklindedir. Vektör ilavesi Fg + FCfgl.)

Gibi r artarsa, merkezkaç kuvveti ilişkiye göre artar (denklemler birim kütle başına yazılır):

nerede Ω suyun sabit dönme hızıdır. Yerçekimi kuvveti değişmez

nerede g ... yer çekiminden kaynaklanan ivme. Bu iki kuvvet, bir açıda bir sonuç yapmak için eklenir φ tarafından verilen sektörden

açıkça daha büyük hale gelen r artışlar. Bu sonucun su yüzeyine normal olmasını ve bu nedenle alttaki suyun kuvvetiyle etkili bir şekilde sıfırlanabilmesini sağlamak için, yüzeye normalin aynı açıya sahip olması gerekir, yani,

yüzeyin şekli için sıradan diferansiyel denkleme yol açar:

veya entegre ederek:

nerede h(0) suyun yüksekliğidir r = 0. Diğer bir deyişle, yarıçapa bağlı olarak suyun yüzeyi paraboliktir.

Potansiyel enerji

Suyun yüzeyinin şekli, şu ilginç fikir kullanılarak farklı, çok sezgisel bir şekilde bulunabilir. potansiyel enerji Birlikte dönen çerçevedeki merkezkaç kuvveti ile ilişkilidir. Ω açısal hızında eşit olarak dönen bir referans çerçevesinde, hayali merkezkaç kuvveti muhafazakar ve şu biçimde bir potansiyel enerjiye sahiptir:[19][20]

nerede r dönme ekseninin yarıçapıdır. Bu sonuç, radyal olarak dışa doğru kuvvet elde etme potansiyelinin gradyanı alınarak doğrulanabilir:

Potansiyel enerjinin anlamı, bir test gövdesinin daha büyük bir yarıçaptan daha küçük bir yarıçapa doğru hareket etmesini gerektirmesidir. merkezkaç kuvvetine karşı.

Potansiyel enerji, örneğin, dönen bir kovadaki su yüzeyinin içbükeyliğini anlamak için yararlıdır. Dikkat edin denge yüzey, yüzeyindeki herhangi bir konumdaki bir hacim elemanının diğer herhangi bir yerdeki potansiyel enerjiye sahip olacağı bir şekil alır. Öyleyse, yüzeydeki hiçbir su elementinin pozisyonu hareket ettirmek için herhangi bir teşviki yoktur, çünkü tüm pozisyonlar enerjide eşdeğerdir. Yani dengeye ulaşılır. Öte yandan, daha düşük enerjiye sahip yüzey bölgeleri mevcut olsaydı, ideal bir sıvıda yanal hareket için hiçbir engel olmadığı sürece, daha yüksek potansiyel enerjiye sahip yüzey konumlarını işgal eden su, daha düşük enerjili bu konumlarda hareket ederdi.

Suyun yüzey şeklini eşit enerjili bir yüzeyden farklı kılmak için anlık olarak bir şekilde değiştirerek bu denge durumunu kasıtlı olarak bozduğumuzu hayal edebiliriz. Bu şekil değişikliği sabit olmayacak ve su, yapay olarak tasarlanmış şeklimizde kalmayacak, ancak kepçenin kenarlarına ya da kepçeye karşı çalkalama ile ortaya çıkan ideal olmayan sürtünme kuvvetlerine kadar birçok şeklin geçici olarak araştırılmasına girecekti. sıvının ideal olmayan doğası, salınımları öldürdü ve su denge şekline geldi.

Eşit enerjili yüzey ilkesini iş başında görmek için, kepçenin dönüş hızını kademeli olarak sıfırdan artırdığınızı hayal edin. Su yüzeyi ilk başta düzdür ve açıkça eşit potansiyel enerjiye sahip bir yüzeydir çünkü yüzeydeki tüm noktalar suya etki eden yerçekimi alanında aynı yüksekliktedir. Bununla birlikte, bazı küçük açısal dönüş hızında, yüzey suyunun bir elemanı merkezkaç kuvvetinin etkisi altında dışarıya doğru hareket ederek daha düşük potansiyel enerji elde edebilir. Su sıkıştırılamaz olduğundan ve kepçenin sınırları içinde kalması gerektiğinden, bu dışa doğru hareket daha büyük yarıçapta suyun derinliğini arttırır, daha büyük yarıçapta yüzeyin yüksekliğini arttırır ve daha küçük yarıçapta alçaltır. Suyun yüzeyi biraz içbükey hale gelir ve bunun sonucunda, daha büyük yarıçaptaki suyun potansiyel enerjisi, daha büyük yüksekliğe ulaşmak için yerçekimine karşı yapılan işle arttırılır. Suyun yüksekliği arttıkça, çevreye doğru hareket artık avantajlı hale gelmez, çünkü merkezkaç kuvvetiyle çalışmanın potansiyel enerjisindeki azalma, yerçekimine karşı çalışan enerjideki artışa karşı dengelenir. Böylece, belirli bir açısal dönme hızında, bir içbükey yüzey kararlı durumu temsil eder ve dönüş ne kadar hızlı olursa, bu yüzey o kadar içbükeydir. Dönme durdurulursa, içbükey yüzeyin biçimlendirilmesinde depolanan enerji, bir denge düz yüzeyi restore edilmeden önce, örneğin sürtünme yoluyla dağıtılmalıdır.

Sabit potansiyel enerjiye sahip bir yüzeyi nicel olarak uygulamak için, suyun yüksekliği : daha sonra yerçekiminin katkıda bulunduğu birim kütle başına potansiyel enerji ve yüzeydeki birim kütle başına toplam potansiyel enerji

ile bağımsız arka plan enerji seviyesi r. Statik bir durumda (dönen çerçevedeki sıvının hareketi yok), bu enerji konumdan bağımsız olarak sabittir. r. Enerjinin sabit olmasını şart koşarak, parabolik form:

nerede h (0) en yüksek r = 0 (eksen). Şekil 1 ve 2'ye bakın.

Çalışma prensibi santrifüj potansiyel enerjinin bu ifadesi açısından da basitçe anlaşılabilir, bu da dönme ekseninden uzaktaki hacim daha ağır madde tarafından işgal edildiğinde enerjisel olarak avantajlı olduğunu gösterir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Robert Disalle (I. Bernard Cohen & George E. Smith, editörler) (2002). The Cambridge Companion to Newton. Cambridge University Press. s. 43. ISBN  0-521-65696-6.
  2. ^ Gilson, James G. (1 Eylül 2004), Mach Prensibi II, arXiv:fizik / 0409010, Bibcode:2004fizik ... 9010G
  3. ^ Bakın Principia hatta Andrew Motte çevirisi, s. 77–82.
  4. ^ René Descartes, John Cottingham tercümanı (1988). Descartes: Seçilmiş Felsefi Yazılar. Cambridge University Press. s. 191. ISBN  0-521-35812-4.
  5. ^ Alexandre Koyre (1957). Kapalı Dünyadan Sonsuz Evrene. Unutulan Kitaplar. s. 75. ISBN  1-60620-143-3.
  6. ^ René Descartes (1664). Principia Philosophiae. Bölüm II, §25.
  7. ^ Daniel Garber (1992). Descartes'ın Metafizik Fiziği. Chicago Press Üniversitesi. s. 170. ISBN  0-226-28219-8.
  8. ^ Robert Disalle (2006). Uzay-zamanı Anlamak: Newton'dan Einstein'a fiziğin felsefi gelişimi. Cambridge University Press. s. 19. ISBN  0-521-85790-2.
  9. ^ Mach, E. (1960 [1883]), Mekanik Bilimi, LaSalle, IL: Açık Mahkeme Yayınları, s. 284.
  10. ^ Ignazio Ciufolini, John Archibald Wheeler (1995). Yerçekimi ve Atalet. Princeton University Press. s. 386–387. ISBN  0-691-03323-4.
  11. ^ Newton'un orijinal argümanıyla ilgili bir tartışma için bkz. Max Born & Günther Leibfried (Ocak 1962). Einstein'ın Görelilik Teorisi. New York: Courier Dover Yayınları. sayfa 78–79. ISBN  0-486-60769-0.
  12. ^ Robert Disalle (25 Nisan 2002). "Newton'un felsefi uzay ve zaman analizi". I. Bernard Cohen, George Edwin Smith (ed.). op. cit.. s. 45. ISBN  0-521-65696-6.
  13. ^ Bakın Principia hatta Andrew Motte Tercüme s. 79-81
  14. ^ L. Bouquiaux (Marcelo Dascal, editör) (2008). Leibniz. Springer. s. 104. ISBN  978-1-4020-8667-0.
  15. ^ Robert DiSalle (2002 Yazı). "Uzay ve Zaman: Eylemsiz Çerçeveler". Edward N.Zalta'da (ed.). Stanford Felsefe Ansiklopedisi.
  16. ^ Jens M. Knudsen, Poul G. Hjorth (2000). Newton Mekaniğinin Elemanları (3. baskı). Springer. s. 143. ISBN  3-540-67652-X.
  17. ^ Lawrence S. Lerner (1997). Bilim Adamları ve Mühendisler için Fizik. Jones ve Bartlett. s. 404. ISBN  0-86720-479-6.
  18. ^ William Arnold Anthony ve Cyrus Fogg Brackett (1884). Temel Fizik Ders Kitabı. Wiley. s.127. pascal yasası.
  19. ^ Robert Daniel Carmichael (1920). İzafiyet teorisi. John Wiley & Sons. s.78. hayali Christoffel potansiyeli.
  20. ^ Hans J. Weber ve George B. Arfken (2003). Fizikçiler için temel matematiksel yöntemler. Akademik Basın. s. 79. ISBN  0-12-059877-9.

daha fazla okuma

Dış bağlantılar

  • Newton'un Uzay, Zaman ve Hareket Üzerine Görüşleri Stanford Encyclopedia of Philosophy'den Robert Rynasiewicz'in makalesi. Bu makalenin sonunda, orijinal Latince metne kıyasla çevirilerdeki ince ayrımların kaybolması tartışılmaktadır.
  • Leibniz'in Hayatı ve Felsefesi bölüme bakın Uzay, Zaman ve Ayırt Edilemeyenler Leibniz için nedensel bir ajan olarak hareket eden uzay fikrine karşı çıkıyor.
  • Newton'un Kovası Su şeklini gösteren etkileşimli bir uygulama ve bu makalede verilenden daha eksiksiz bir su şekli modelinin matematiksel bir türevini içeren ekli bir PDF dosyası.