انرژی و نیرو

[Akband]

متاسفانه, کمتر سایتی مطالبش به مفاهیم پایه و بنیادی علوم میپردازه, معمولا اکثر سایت ها نتایج کار رو ارائه میدند,و در مورد اینکه این نتایج از کجا حاصل شدند هیچ حرفی نمیزنند.
حالا اگر کتابی یا منبعی میشناسید که بیشتر در مورد این موضوع ها حرف میزنه, ممنون میشم اگر معرفی کنید......
ممنونم از اینکه ما را در علم خود سهیم کردید

[فرماغورث]

تعاریف دقیق میخوام.منظورم از تعاریف دقیق،فرم ریاضی آنهاست.بنا به دلایلی مطمئنم نود و نه درصد از دانشجویان رشته فیزیک هم تو درک درست این مفاهیم ناتوانند چه برسه به توضییح دادنشون!
میگن نیرو بر یک جسم "وارد میشود" یا کار "انجام میشود"براستی منظور از این توصیفها درباره این مفاهیم فیزیکی چیست؟
تا جاییکه میدونم یک تعریف در ریاضیات برای ساده کردن مفاهیم اساسی در یک تئوری ساخته میشوند.نیرو با جرم و شتاب تو یک رابطه خطی تعریف میشه اینجا تنها مفهوم شتاب یک مفهوم سینماتیکیست و قابل درک.اما جرم و نیرو به اون اندازه روشن نیستند در این معادله تازه دارن تعریف میشوند.و کار هم ارتباط با مکان یا فضا و خود نیرو پیدا میکنه.وقتی به موضوع ریاضی مانند بخش پذیری یا تئوری گروهها نگاه میکنی.با تعاریف ساده ای روبه رو میشی و درکشون به راحتی صورت میگیره.اما چرا این به ظاهر ساده ترین مفاهیم یا تعاریف بنیادی در فیزیک درکشون اینقدر (دست کم برای من) چالش برانگیزه.؟

[Paradoxy]

پست های اول این تاپیک رو یک نگاه بندازید.

در مورد سوال شما
1. فرم ریاضی نیرو، کار، انرژی و ... کاملا مشخص هست. نیاز نیست دانشجوی فیزیک باشید، توی دبیرستان روابط این پارامترهای فیزیکی رو به شما میگن.

2. براستی مفهوم ... چیست؟ سه نقطه رو با هر لغتی که دوست دارید پر کنید و سعی کنید جواب بدید. چه در فیزیک و چه در ریاضیات و من اصلا ادعا میکنم چه در هر علم یا knowledge دیگری چیستی و ماهیت و ذات و ... اشیاء (منظورم از شی لزوما یک جسم نیست، بلکه مفهوم انتزاعی شی در گسترده ترین معناش که میتونه شامل اشیاء ریاضی باشه) تعریف نمیشه. ما تنها قادر به درک رابطه بین اشیاء هستیم و بس، اگر خلاف این فکر میکنید یک مثال بزنید تا متوجه منظورتون بشم.

در ریاضیات یک سری اصول که ممکنه بدیهی باشند یا نباشند *فرض* میشوند و بعد یک نظریه بر مبنای اون ها شکل میگیره. در مورد خود این اصل ها ما سوالی نمیکنیم، میپذیریم هرچی که هستند. مثلا اول تعریف میشه که یک مجموعه چیه، قوانین حاکم برش چیه، رابطه اعضای بینش چیه و ... و خب بینگو، یک نظریه ریاضی داریم. فیزیک هیچ فرقی با ریاضی در این مورد به خصوص نداره.
مثلا $F=ma$ اصل دوم نظریه نیوتون هستش. این اصل یک رابطه بین سه پارامتر مشخص میکنه. F, m و a. حالا چیکار داریم ماهیت و ذات این ها چی هستند؟ آخه سه تا شی ریاضی که یک فیزیکدان اومده از خودش در آورده و توی یک رابطه بغل هم گذاشته، به نظر شما باید ما به ازای خارجی داشته باشه؟، یا این که صرفا یک وسیله کار راه بیاندازه که برخی پارامتر هاش برای پیشبینی وقایع طبیعی استفاده میشن؟ مگه این همه رابطه توی ریاضی داریم، هر رابطه ما به ازای خارجی یا مفهوم فیزیکی داره؟ خب طبیعیه که اینطور نیست. این مسئله برای خیلی از روابط فیزیکی هم صدق میکنه.
مثلا M یا جرم، یک شی ریاضی هست که نمایانگر مقاومت یک جسم در برابر نیروه. (همونطور که میبینید من صحبتی از *چیستی* جرم نکردم. صرفا قانون نیوتون رو بازگو کردم). نیوتون میتونست بنویسه $F=a$ و خود a رو به شکل و تعبیر دیگه تعریف کنه و جواب یکسانی بگیره. دلش نخواسته، با فرمی نوشته که امروزه میبینیم. متوجه میشید چی میخوام بگم؟ m فقط یک ضریبه، نه کمتر و نه بیشتر. این ضریب داخل یک اصل فیزیکی اومده و یک پارامتر بنیادیه که خارج از همین اصل تعریف نمیشه. مثل این میمونه که من از شما بپرسم یک set چیه. شما بگی یک set یک collection از اشیاء هست و من باز بپرسم collection چیه و خب به دور میخوریم، چون مفهوم خود set در یک اصل تعریف شده، دیگه معنا نمیده بیرون اون اصل از مفهومش صحبت کنیم.

بربد ورژن نسبیتی همین شتاب که نسبت به پارامترهای دیگه بیشتر شهودی به نظر میرسه رو ببینید. رابطش رو با نیرو ببینید. اگر تونستید همچنان اون دید ذهنیتون رو نسبت به شتاب نگه دارید.. توی نسبیت ممکنه در یک جهت نیرو وجود داشته باشه ولی شتاب نداشته باشیم در اون جهت. چون رابطه نیرو و شتاب دیگه خطی نیست. حالا یکم فکر کنید چطوری شتاب شهودی قابل درکه... حالا دیگه وارد این نمیشم اگر شتاب یک ماشین از دید راننده ثابت باشه، از دید یک ناظر بیرون از ماشین متغیر با سرعت ماشین میشه.

چرا تو درک نیرو، انرژی، جرم و ... به مشکل خوردید؟ خب چون این پارامترها با رابطشون بین پارامترهای دیگه تعریف میشن، تعریف مستقلی ندارند. علتش چیه؟ خب سادست، این پارامترها اصول یک نظریه فیزیکی رو شکل میدن و خود اصول باز تعریف نمیشند. شاید یه کوچولو بهتون شهود بده که مفاهیم نیرو، کار و انرژی چی هستش. اما در نهایت اگر چیزی فراتر از روابط بخواید به نظر من 99% دانشجوی فیزیک که هیچی کل اساطیر فیزیک هم بهتون نمیتونند کمکی بدند، چون دنبال ناممکن هستید.

[Akband]

سلام.
اگر سنگی رو سطح زمین در حالت سکون باشد,انرژی پتانسیل دارد؟
(با توجه به اینکه به سنگ نیروی وارد نمیشود)

[فرماغورث]

ممنون از پاسختون
اما نمیدانم چرا خیلی زود و نه چندان دلچسب مورد قضاوت قرار گرفتم!(چون گفتم نود و نه درصد دانشجویان فیزیک در درک این مفاهیم ناتوانند؟!!!)
من درمورد چیستی و ماهیت فلسفی اشیاء و مفاهیم که حرف نمیزدم و نمیزنم.
سوالم ساده تر و شفافتر از این حرفها بود
روابط و ماهیت مفاهیم ریاضیات با فیزیک بشدت متفاوته.یک دستگاه اصول موضوعه ریاضی عبارت است از مجموعه ای از گزاره ها درمورد اشیاءتعریف نشده مفروض که بعضاً مابه ازایی در جهان خارج و شهود ندارن.من درمورد اصول موضوعه حرف نمیزنم.بحث من در مورد تعاریفه.تعاریف مفاهیم فیزیکی که خودتونم ظاهرا قبول دارید که این مفاهیم برای درک قوانین طبیعت (در اینجا حرکت) تعریف میشوند (تو بگو اختراع میشوند) و نه صرفا کشف!تعریف یک نوع ساختنه مفاهیم جدیده بدون اینکه درموردشون گزاره ای صادر بشه.
بعد شما گفتید مشکل درک من از این مفاهیم بخاطر اینه که:چون این پارامترها با رابطشون بین پارامترهای دیگه تعریف میشن، تعریف مستقلی ندارند.پاسختونو هرچند درک میکنم اما به نظرم این کافی نیست.مثلا در تعریف جرم بگیم:مقدار مقاومتی که یک جسم (ذره) در مقابل یک کنش از خود نشان میدهد یا همچین چیزی..
به هرحال این پرسش به باور من و خیلیای دیگه هنوز برای تفکر و اندیشه بازه.پرسشها از پاسخها مهمترن.شاید باید پرسش رو یک نوع دیگه مطرح کرد ..نمیدانم...

[Paradoxy]

اگر سنگی رو سطح زمین در حالت سکون باشد,انرژی پتانسیل دارد؟
(با توجه به اینکه به سنگ نیروی وارد نمیشود)

البته که داره و بهش از طرف زمین نیرو وارد میشه. شما روی سطح زمین بایستید. حس نمیکنید کف پاتون تحت فشار هستش؟ اگر نیرویی وارد نمیشد که حس بی وزنی میکردید. البته ما همیشه به تغییرات پتانسیل یک جسم علاقه مند هستیم و نه خود پتانسیل یک جسم. برای همین مرجع پتانسیل رو هرجا که دلمون بخواد میتونیم بگیریم و مثلا فرض کنیم که سطح زمین پتانسیلش صفره و پتانسیل باقی مکان هارو نسبت به سطح زمین بسنجیم. اما در حالت کلی تر و اصولی تر، انرژی پتانسیل گرانشی در فاصله بینهایت دور از یک سیاره صفر میشه ولاغیر. چون پتانسیل در کلی ترین حالتش به شکل $U=-GmM/r$ هستش و وقتی r بینهایت میشه پتانسیل صفر میشه، جاهای دیگه صفر نیست.

اما نمیدانم چرا خیلی زود و نه چندان دلچسب مورد قضاوت قرار گرفتم!(چون گفتم نود و نه درصد دانشجویان فیزیک در درک این مفاهیم ناتوانند؟!!!)

حالا نمیدونم چرا *نه چندان دلچسب* مگه چی گفتم؟ اما بله، چون خود منم جزو همون 99% هستم. 1% باقی مونده که وقت ندارند هوپا بیان در مورد این چیزا صحبت کنند.

اما به نظرم این کافی نیست.

خب برای همین ازتون خواستم یک مثال بزنید تا متوجه بشم چی کافیه، و اصلا دنبال چی میگردید! یک تعریف باید جامع و مانع باشه و همین تعریف جرم هم جامع هست و هم مانع. مشکلش چیه؟ مثلا یک پارامتر فیزیکی مثال بزنید که در رابطه با پارامترهای دیگه تعریف نشده باشه، و خودش خودش رو تعریف کرده باشه.

تازه جرم، انرژی و ... که باز خوب هستند و شاید یکم بشه با اصول موضوعه بنیادی تر بیشتر در موردشون صحبت کرد. اما در مورد پارامتری مثل تکانه دقیقا چی میخواید بگید؟ در مورد مفهوم فیزیکی کنش چی میخواد بگید؟ در مورد لاگرانژی چی میخواید بگید؟ در مورد اسپین توی کوانتوم چی میخواید بگید؟ میتونم یک لیست بزرگ از پارامترهای فیزیکی براتون شرح بدم که هر کدوم رو انگلیسی هم سرچ بزنید چیزی دستگیرتون نشه (چون من زدم و نشده).

همین شتاب که به نظرتون شهودی تره، خودش تعریف مستقلی نداره. شتاب مشتق دوم مکان نسبت به زمانه. چه تعریف مستقل و شهودی تری داره که شما با آگاهی از اون تونستید بفهمید شتاب چیه؟ اتفاقا از من بپرسید، میگم بین شتاب، جرم و نیرو، نیرو از همه قابل درک تر و شهودی تره. چرا؟ چون وقتی من سوار ماشینم و گاز میدم، اون حس فشاری که صندلی به پشت من وارد میکنه رو میتونم به نوعی توصیف کننده نیرو بدونم، ولی برای شتاب حتی همینم وجود نداره، صرفا باید ذهنی به این بسنده کنم که شتاب نرخ تغییرات سرعته.

[Akband]

ممنون, اما جسمی که رو سطح زمینه, به علاوه نیروی گرانش نیروی عمود بر سطح هم به جسم وارد میشه که برابر با وزن جسمه, پس جسم تحت تاثیر دو نیرو قرار میگیره که یک نیرو به سمت مرکز زمین و نیروی دیگر(معمولا) عمود بر سطح زمین و مخالف مرکز زمین که طبیعتا همدیگر رو خنثی میکنند, ظاهرا به جسم نیروی وارد نمیشه پس برای چی باید انرژی داشته باشه؟

[Paradoxy]

بله نیروی خالصی به جسم وارد نمیشه، ولی انرژی پتانسیل فقط برای نیروی گرانشی تعریف میشه و نه نیروی خالص وارد شده به جسم.

سوالتون ازین که چرا باید انرژی داشته باشه واضح نیست. اولا انرژی پتانسیل، انرژی *مثبتی* نیست، به این معنا که انرژی پتانسیل، انرژی ای هستش که شما باید به جسم بدی تا اون رو از سطح زمین بلند کنی و به بینهایت دور ببری. یعنی جسمی که در معرض انرژی پتانسیل گرانشی هستش یکجور بدهی به انرژی داره، نه این که انرژی مازادی درش ذخیره شده باشه! هرچقدر جسم بیشتر به مرکز میدان گرانشی نزدیک باشه بدهیش بیشتر میشه. از طرفی اگر جسمی از فاصله زیادی به مرکز میدان گرانشی نزدیک بشه، در ازای *بدهی* ای که بدست میاره، انرژی جنبشی هم بدست میاره. اگر جسمی ساکن روی سطح زمین باشه و بخواد به بینهایت دور بره،باید اول بدهیش رو صاف کنه و به همون میزان که انرژی پتانسیل داره، انرژی بدست بیاره تا بتونه بینهایت دور بره

[Akband]

درسته,اما مگه نیرو عامل انتقال انرژی نیست, وقتی که به جسمی نیرو وارد نمیشه چطور امکان داره در جسم انرژی ذخیر بشه؟ چرا اصلا تو این حالت باید جسم انرژی داشته باشه؟؟

[Paradoxy]

فکر میکنم خیلی واضح نوشتم که انرژی پتانسیل در جسم ذخیره نمیشه و چیزی که به اسم انرژی پتانسیل میشناسیم اصلا یکجور *بدهی* انرژی هست که باید صافش کنیم تا جسم از میدان گرانشی جدا باشه! حالا اگر اصرار دارید که انرژی مازادی در جسم ذخیره میشه، خب خودتون میدونید، درست نیست ولی. انرژی پتانسیل یکجور کسری یا کمبود انرژی هست. نمی بینید علامتش منفیه؟

[Akband]

مگه نیروی گرانش مثل تمام نیرو های دیگه نیست پس چرا واسه بقیه نیروها این بدهی رو در نظر نمیگیریم؟

[Paradoxy]

برای خیلی از نیروها، چنین بدهی وجود داره. مثلا توی تفسیر کلاسیکی اتم، الکترون ها حول هسته توسط نیروی کولونی میچرخند. برای جدا کردن یک الکترون از اتم، لازمه اول به الکترون انرژی کافی بدیم تا الکترون به بدهی انرژی پتانسیل نیروی کولونی غلبه کنه و از هسته جدا بشه. روابط نیرو، انرژی پتانسیل، و حتی مفاهیم فیزیکی این سیستم هیچ فرقی با گرانش نداره، صرفا جای گرانش نیروی کلنی نشسته. اصولا اجسام توسط انرژی پتانسیل به سیستم مقید میشن و برای این که از این قید جدا باشن لازمه انرژی مازاد دریافت کنند. حتی توی بمب هسته ایش هم وقتی هسته اتم شکافته میشه که اتم انرژی لازم و کافی خارجی رو دریافت کرده باشه

[XIV]

سلام دوستان پرسش و پاسخ خوبی است و من هم می خواهم بپرسم که چرا الکترون روی هسته اتم نمی افتد؟ خیلی جاها دیدم پاسخی داده اند که دلیل بنیادی را نگفته اند یا شاید من متوجه منظورشان نشدم، به علاوه اگر ما به الکترون در جهت حرکت به سمت هستۀ اتم انرژی بدهیم آیا جذب هسته نمی شود؟

[Paradoxy]

درست به همون علت که ماه روی زمین نمیوفته، یا زمین روی خورشید نمی افته. وقتی سرعت و شتاب عمود بر هم باشند، جسم حرکت دایره ای رو تجربه میکنه. سرعت چرخش الکترون مماس بر مدار دورانش هست در حالی که شتاب ناشی از نیروی هسته عمود بر این سرعت هست. بنابرین این شتاب تنها میتونه جهت حرکت الکترون رو در هر لحظه تغییر بده. به شرطی الکترون میتونه روی هسته اتم بیوفته که در راستای شتاب سرعت کسب کنه. در اون حالت الکترون مارپیچی میره میخوره به هسته.

انرژی هم کمیت اسکالره و معنی نمیده بگیم به سمت هسته انرژی بدیم. باید بگیم به سمت هسته نیرو وارد کنیم.و بله اگر این کار رو بکنید الکترون مارپیچی وار میره به سمت هسته چون در راستای شعاع دوران سرعت کسب کرده.

[Akband]

اگر جسمی در فضا معلق باشد و ناگهان تحت تاثیر نیروی گرانش قوی قرار بگیرد, انرژی جنبشی میگیرد و با شتابی ثابت به سمت منشا نیروی گرانش حرکت میکند. این انرژی جنبشی جسم از کجا اومده؟ ,قطعا این انرژی که به وجود نیامده, انرژی یا باید از جسمی به جسم دیگر انتقال پیدا کند یا از شکلی به شکل دیگر تبدیل شود, اما اینجا انرژی از قبل وجود نداشت که بخواهد به انرژی جنبشی تبدیل شود؟!

برای اعمال نیرو نیاز به انرژی داریم.

یا بهتره سوالم رو اینجوری بیان کنم, شما گفتید برای اعمال نیرو نیاز به انرژی داریم, منبعه انرژیه نیروی گرانش, از کجا اومد؟؟؟