[...]
Even vraag over fysica.
Ik sta in mijn tuin en heb een steen in mijn hand. Die steen laat ik los. Wat gebeurt er op het moment dat ik de steen loslaat?
In het begin van de 17-e eeuw heeft men zich het hoofd gebroken over wetmatigheden in de natuur om ons heen. Om orde te brengen in het denken hierover zijn concepten nodig. Descartes heeft gepoogd een wiskundige (getalsmatige) benadering van de natuur te ontwikkelen. Hij slaagde daar niet in.
Newton kwam met de concepten "massa" en "kracht" waarmee bewegingen van uiteenlopend aard adequaat konden worden beschreven. En: met gebruikmaking van wiskunde. Daarmee was de klassieke natuurkunde geboren. Zijn visie was zo ‘to the point’ dat de Newtonse mechanica het heel lang als enige verklaring heeft uitgehouden.
Dat sinds ongeveer een eeuw die Newtonse mechanica zijn alleenrecht heeft verloren, met dank aan de quantummechanica en de relativiteistheorie, betekent niet dat deze nu niet meer geldig of bruikbaar is. Veel verschijnselen kunnen er nog steeds nauwkeurig mee worden beschreven. De klassieke mechanica-wetten volgens Newton kunnen worden beschouwd als een grensgeval (lage snelheden) van de mechanica volgens de relativiteitsatheorie.
Veel experimenten op het terrein van de Newtonse mechanica kunnen nog steeds door iedereen herhaald worden en zullen nog steeds tot dezelfde resultaten leiden, mits men zich rekenschap geeft van de concepten die gebruikt worden en hoe deze volgens Newton dienen te worden toegepast.
Voorbeeld: het concept "kracht" houdt in dat ik me, bv bij de zwaartekracht, rekenschap geef van de mogelijke variatie in zwaartekracht. Meet ik nauwkeurig de valsnelheid van een steen ( liefst in vacuüm, om problemen met wrijving te voorkomen) aan de evenaar en op het ijs van Groenland, dan heb ik a priori al een sterk vermoeden dat de zwaartekracht op Groenland anders (hoger) is dan bij de evenaar. Verschil in valsnelheid tussen de twee experimenten duidt dus niet op ongeldigheid van de wetten van Newton.
Overigens zijn fysici nog steeds bezig met het concept “zwaartekracht”. Waardoor wordt deze veroorzaakt? Wat is de relatie met andere fenomenen uit de fysica. Wat betekent zwaartekracht in grensgevallen, bv in een zwart gat? Newton introduceerde het simpel als een concept, dat trouwens goed aansluit bij het intuïtieve gebruik van het woord “kracht”. Het is een fenomeen dat op iets anders inwerkt en dit (zo mogelijk) in beweging zet. Als ik het goed zie, is één van de vragen van de moderne fysica, of dit concept op deze eenzijdige manier houdbaar is. Grijpt de waarnemer ook in door waar te nemen? Wordt een kracht misschien door beweging veroorzaakt? Is ons vooroordeel betreffende causaliteit wel houdbaar?
Jouw vraag “wat er gebeurt” kan ik op twee manieren beantwoorden.
1. De steen valt, maar dat wisten we al. Dat is wat er “gebeurt”
2. Hoe wordt dit beschreven door Newtonse mechanica? De beschrijving volgens Newton zou kunnen luiden: Op de steen werkt de zwaartekracht gelijk aan G. G is het gewicht van de steen, die berekend wordt door de massa m te vermenigvuldigen met de op die plaats heersende versnelling van de zwaartekrach g. G=m*g. Door de steen in de hand te houden oefent jouw hand een tegenkracht uit, waarbij jij er onbewust voor zorgt dat deze tegenkracht even groot is als G; de steen wordt op zijn plaats gehouden. (Dat jij met je steen ook onderhevig bent aan de centrifugale kracht als gevolg van de draaiing van de aarde laat ik even buiten beschouwing. Wil je heel precies zijn zou je die moeten meenemen in de beschouwing. Deze kracht wijst onder een hoek van plm 39 graden t.o.v. de horizon schuin omhoog.)
Op het moment dat jij de steen los laat, neem je de kracht door jouw hand uitgeoefend weg. De steen zal onder invloed van de zwaartekracht gaan bewegen, en jawel: naar de aarde toe met een versnelling gelijk aan g, dat is ongeveer 9,8 m/sec
2. Afgezien van luchtwrijving, die de beweging afremt, kunnen we berekenen volgens de formules voor een eenparig versnelde beweging (s=0,5*g*t
2 en v=g*t) hoe lang het duurt voor de steen de grond bereikt en hoe groot de snelheid dan is. Het is ongeveer 1 seconde bij een val van 5 meter. De snelheid is dan 10 m/sec, dat is 36 km/uur. Tussen haakjes: de corioliskracht, ook een uitwerking van de Newtonse mechanica, zal de baan van de steen iets doen afwijken van zuiver verticaal. Ook een hoge berg in de buurt zal een dergelijke invloed hebben.
Dat alles is klassieke mechanica zoals die al bijna 400 jaar beschreven wordt volgens de concepten van Newton. Misschien is er een andere beschrijving mogelijk met bv de relativiteistheorie. Op atomaire schaal is al lang geleden gebleken dat Newton ontoereikend is. Hetzelfde geldt voor de kosmische schaal waarbij heel andere omstandigheden bestaan dan die welke wij op menselijke schaal ondervinden.
Experimenten op deze menselijke schaal, zoals jouw vallende steen, zullen echter nog steeds dezelfde resultaten opleveren, nog altijd adequaat beschreven door Newton. Geen geringe prestatie van deze man.
Groet,
Cees
Quote selectie