Fizika klasike është ideale për të zgjidhur të gjitha problemet teknike të një natyre njerëzore, si dhe për të shpjeguar strukturat e sistemit diellor dhe universit që ofron përgjigje që nuk i kënaqin plotësisht për të gjitha dyshimet kozmologjike.
Sot donim t'ju jepnim informacion shumë të plotë rreth fizikës klasike, në mënyrë që të keni një kuptim shumë më realist të pyetjeve të ndryshme që lindin rreth kësaj shkence të mrekullueshme, si ndryshon ajo nga fizika moderne dhe cilat janë degët kryesore të studimit, zbatimet dhe kufizimet e saj.
Fizika klasike
Ky term përdoret për t'iu referuar fizikës që ekzistonte para ardhjes së mekanikës kuantike. Ai përfshin degë të ndryshme thelbësore të studimit siç janë termodinamika, optika, akustika, elektromagnetizmi dhe mekanika, ndër të tjera. Termi fizikë klasike përdoret gjithashtu shpesh për t'iu referuar fizikës së zhvilluar para konsolidimit të ndryshimeve të mëdha konceptuale të fizikës moderne; historikisht, shumë autorë e konsiderojnë fizikën klasike si një element që përfshin zhvillimet para vitit 1900, ndërsa fizika moderne përfshin përparimet nga viti 1900 e tutje. Ardhja e mekanikës kuantike dhe teorisë së relativitetit i dhanë asaj që konsiderohej fizikë klasike një perspektivë të re dhe e kufizuan fushëveprimin e saj në disa diapazon shpejtësie, madhësie dhe energjie.
Nga një këndvështrim më teknik, fizika klasike bazohet në parime deterministeNëse e dimë gjendjen aktuale të një sistemi fizik (pozicioni, shpejtësia, forcat që veprojnë mbi të, etj.), mund ta parashikojmë me saktësi gjendjen e tij të ardhshme duke përdorur ligje matematikore. Në këtë kuadër, sjellja e trupave nuk varet nga rastësia, por nga shkaqe të përcaktuara mirë.
Në fizikën klasike mund të dallohen dy qasje kryesore:
- Fizika klasike njutoniane (para-relativiste), bazuar në ligjet e Njutonit, i përshtatshëm për të përshkruar lëvizjen e trupave me shpejtësi të ulët krahasuar me shpejtësinë e dritës dhe në shkallët e përditshme.
- Fizika klasike relativisteAi përfshin teoritë e relativitetit special dhe të përgjithshëm, por mbetet klasik në kuptimin që nuk përdor koncepte kuantike. Ai përshkruan me saktësi fenomenet me shpejtësi afër asaj të dritës dhe në fusha gravitacionale intensive, duke ruajtur ende një pamje të vazhdueshme të hapësirës dhe kohës.
Si përmbledhje, kur flasim për fizikën klasike, i referohemi teorive që përshkruajnë fenomenet me saktësi të madhe. shpejtësi më të vogla se shpejtësia e dritës tashmë shkallë makroskopike (planetë, makina, lëngje, struktura, etj.), dhe të cilat mbeten thelbësore në inxhinieri, ndërtim, akustikë, optikë tradicionale dhe në një mori procesesh teknologjike aktuale.
Fizika moderne
Para se të vazhdojmë me shpjegimin e degëve të ndryshme të fizikës klasike, është e nevojshme ta dallojmë atë nga fizika moderne. Kjo e fundit lind kur modelet klasike rezultojnë të pamjaftueshme për të shpjeguar fenomene të caktuara, siç janë rrezatimi i emetuar nga trupat e nxehtë, efekti fotoelektrik ose sjellja e atomeve dhe grimcave elementare.
Max Planck fillon të tijën kërkime mbi "kuantumin" e energjisë Duke studiuar se si energjia nuk emetohet vazhdimisht, por në paketa diskrete të quajtura kuante, këto ide i hapin rrugën mekanikës kuantike, e cila shpjegon se energjia dhe materia shfaqin sjellje të dyfishtë (ndonjëherë si grimca dhe ndonjëherë si valë) dhe se ka kufizime në saktësinë me të cilën mund të matim sasi të caktuara fizike.
Atëherë lindi kjo degë e re e fizikës që kërkon të studiojë ndryshimet që ekzistojnë në atome, sjelljet e ndryshme që i ndodhin materies dhe forcat që qeverisin të dyja. Fizikë Moderne Studion fenomenet që ndodhin në shkallë ekstreme: shpejtësi afër asaj të dritës, dimensione mikroskopike ose nënatomike dhe energji shumë të larta ose shumë të ulëta.
Për më tepër, problemet që po shfaqeshin nuk mund të zgjidheshin me qasje nga fizika klasike, kështu që ishte e nevojshme të ripërcaktimi i kërkimit dhe premisave klasikeFizika moderne përvetëson koncepte të tilla si probabiliteti, pasiguria dhe hapësira-koha e lakuar për të përshtatur studimin e natyrës me këto shkallë të reja.
Edhe pse fizika klasike dhe ajo moderne ndryshojnë, ato nuk e përjashtojnë njëra-tjetrën. Brenda diapazoneve të shpejtësisë dhe madhësisë që hasen në jetën e përditshme, ekuacionet klasike ende zbatohen. shumë i saktë dhe praktikFizika moderne është e rezervuar për ato fenomene ku teoritë klasike pushojnë së funksionuari.
Dallimet midis fizikës klasike dhe fizikës moderne
Për të kuptuar më mirë se çfarë studion fizika klasike, është e dobishme ta krahasojmë atë me fizikën moderne nga disa aspekte kryesore:
- Shkalla e studimitFizika klasike përqendrohet në sistemet makroskopike, siç janë planetët, lëngjet, makinat, strukturat ose predhat. Fizika moderne, nga ana tjetër, përqendrohet në atomet, grimcat elementare dhe kozmosi në një shkallë të gjerë, si dhe në fenomenet subatomike.
- Diapazoni i shpejtësisëFizika klasike përshkruan lëvizjet me shpejtësi shumë poshtë shpejtësisë së dritësFizika moderne, së bashku me relativitetin, analizon situatat ku shpejtësitë i afrohen shpejtësisë së dritës dhe ku efektet relativiste janë të rëndësishme.
- Karakter deterministik ose probabilistFizika klasike është në thelb deterministE ardhmja e një sistemi të mbyllur varet vetëm nga gjendja e tij aktuale. Fizika moderne, veçanërisht fizika kuantike, prezanton pasiguria dhe probabiliteti si elementë bazë kur përshkruhen gjendjet e një sistemi.
- Nocioni i hapësirës dhe kohësNë fizikën klasike, hapësira dhe koha konsiderohen i pavarur dhe absolutNë fizikën moderne, ato konceptohen si relative dhe të bashkuara në një entitet të quajtur koha hapësinore, i cili mund të përkulet në prani të masës dhe energjisë.
- Lloji i fenomeneve që shpjegonFizika klasike trajton me sukses fenomene të tilla si graviteti në shkallë njerëzore, elektriciteti, magnetizmi dhe sjellja e lëngjeve. Fizika moderne merret me ndërveprimet themelore shprehet përmes fushave dhe grimcave (si fotonet, bozonet ose fermionet) dhe thellohet në strukturën intime të materies.
- Aplikacionet kryesoreModelet klasike janë baza e inxhinieri, ndërtim, mekanikë, akustikë dhe optikë tradicionaleModelet moderne e bëjnë të mundur elektronikë, gjysmëpërçues, energji bërthamorefizika e grimcave dhe kozmologjia e përparuar.
Cilat janë degët e fizikës klasike?
Për një kuptim më të mirë të shkencës, degët e saj kryesore janë klasifikuar me kalimin e kohës. Kjo i ka lejuar njerëzimit të kryejë më me efikasitet në këto fusha dhe t'i komunikojë botës përparime të reja në këto fusha. Brenda fizikës klasike, degët më të rëndësishme janë: akustika, mekanika, elektromagnetizmi, mekanika e fluideve, optika dhe termodinamika.
Akustika
Veshi i njeriut është projektuar për të perceptuar valët, valë që duhet t'i nënshtrohen një procesi studimi për të demonstruar gjatësitë e valëve dhe aftësitë e tyre. Kjo është arsyeja pse lindi akustika; kjo degë e fizikës klasike është përgjegjëse për studioni të gjitha dridhjet mekanike të valëve që përhapen nëpër një mjedis material (ajër, ujë, trupa të ngurtë) për t'u interpretuar përfundimisht si tinguj.
Studimi i akustikës përfshin muzikën, fenomenet gjeologjike, nëndetëset dhe fenomenet atmosferike; në përgjithësi, kjo degë e fizikës është përgjegjëse për studimin e Tingujt e emetuar në fushën tokësoreduke përfshirë infratingujt (frekuenca më të ulëta se ato që veshi i njeriut mund të perceptojë) dhe ultratingujt (frekuenca më të larta).
Për më tepër, akustika zbatohet në fusha të ndryshme si:
- Inxhinieri akustike për projektimin e sallave të koncerteve, auditorëve dhe studiove të regjistrimit me cilësi optimale të zërit.
- Akustikë arkitekturore, përgjegjës për kontrollin e përhapjes së zërit në ndërtesa, shkolla, shtëpi dhe zyra.
- Akustikë nënujore, kyç në komunikimin midis nëndetëseve, në eksplorimin e oqeaneve dhe në studimin e jetës detare.
- Akustika mjedisore, i cili merret me ndotjen akustike dhe rregullimin e zhurmës në mjediset urbane.
Nga ana tjetër, psikoakustikë, i cili është përgjegjës për studimin e efekteve fizike dhe psikologjike që lindin në sistemet biologjike kur perceptohet tingulli, duke analizuar se si truri interpreton intensitetin, lartësinë, timbrin dhe vendndodhjen hapësinore të burimeve të tingullit.
mekanikë
Kjo degë e fizikës merret me trupat fizikë kur ata i nënshtrohen forcave të zhvendosjes dhe, sigurisht, me efektet që lindin nga këto forca. Ajo përshkruan se si dhe pse objektet lëvizin, ose pse ato qëndrojnë në qetësi.
Konsiderohet si një nëndisiplinë që merret me studimin e fenomene fizike që u ndodhin objekteve që i nënshtrohen forcave fizike, si nga grimcat që janë në qetësi ashtu edhe nga ato që janë në lëvizje, me kusht që shpejtësia e tyre të jetë dukshëm më e vogël se ajo e dritës.
Brenda mekanikës klasike, mund të dallohen disa fusha:
- Mekanika statikestudion trupat në ekuilibër, domethënë kur shuma e forcave dhe momenteve është zero.
- Mekanika kinematikePërshkruan lëvizjen pa marrë parasysh shkaqet e saj, duke analizuar trajektoret, shpejtësitë dhe nxitimet.
- Mekanika dinamikeAi e lidh lëvizjen me forcat që e prodhojnë atë, kryesisht duke përdorur ligjet e Njutonit.
Zbatimet e saj mbulojnë inxhinieri mekanike, projektim makinerish dhe parashikim i trajektoreve të predhave dhe automjetevesi dhe analiza e strukturave dhe studimi i lëvizjeve në sport ose në biomekanikën e trupit të njeriut.
Elektromagnetizmi
Magnetizmi dhe elektriciteti burojnë nga forcat elektromagnetike; prandaj, elektromagnetizmi është dega e fizikës klasike që përshkruan procesin e bashkëveprimi midis energjisë elektrike dhe magnetizmit në formën e fushave dhe forcave.
Për ta njohur këtë degë në thellësi, është e nevojshme të theksohet se fusha magnetike krijohet përmes një rryme elektrike në lëvizje, dhe fusha magnetike e thënë është e aftë të induktoj rrymë elektrike ose, në rast se kjo dështon, lëvizja e ngarkesës. Kjo ndërlidhje formalizohet në ekuacionet e Maksuellit, të cilat unifikojnë përshkrimin e fenomeneve klasike elektrike, magnetike dhe optike.
Fillimisht, elektromagnetizmi konsiderohej kryesisht si studimi i fenomeneve që ndodhin rreth rrufesë dhe rrezatimit të prodhuar si një efekt ndriçues. Me kalimin e kohës, u kuptua se drita është një vala elektromagnetike që përhapet në hapësirë, duke lidhur kështu elektricitetin, magnetizmin dhe optikën.
Magnetizmi ishte i pranishëm edhe në objekte si busullat, të cilat përdoreshin për këtë qëllim në kohët e lashta për të orientuar udhëtarët. Këto pajisje mbështeten në bashkëveprimin midis magnetet dhe fusha magnetike e Tokës.
Fenomeni i grimcave në qetësi është vërejtur nga kulturat e lashta; për shembull, romakët vunë re se fërkimi i një krehri tërhiqte grimca të vogla, dhe popuj të tjerë vunë re efekte të ngjashme me materiale si qelibari. Shkurt, u arrit në përfundimin se Ngarkesat me të njëjtën shenjë shtyjnë njëra-tjetrën, dhe ngarkesat me shenja të kundërta tërheqin njëra-tjetrën.Parimet themelore të elektrostatikës klasike.
Sot, elektromagnetizmi klasik është thelbësor për të kuptuar dhe projektuar qarqe elektrike, motorë, gjeneratorë, antena, sisteme telekomunikacioni dhe pajisje elektronike tradicionalendër shumë teknologji të tjera.
Mekanika e lëngjeve
Kjo degë e fizikës klasike studion rrjedhën ekzistuese të lëngjeve dhe gazrave, nga kjo degë dalin të tjera nëndisiplina të tilla si hidrodinamika dhe aerodinamika, të cilat përkatësisht analizojnë lëvizjen e lëngjeve dhe gazeve.
Mekanika e fluideve zbatohet në disiplinat e mëposhtme: Llogaritja e forcave të aplikuara në aeroplanë (projektimi i krahëve, trupit të avionit dhe kontrolleve të fluturimit), studimi i transportit të nafta dhe gazi në tubacione, projektimin e sistemeve të ventilimit dhe ajrit të kondicionuar, optimizimin e pompave dhe turbinave, si dhe në parashikimi i faktorëve klimatikë siç janë erërat, rrymat oqeanike ose formimi i uraganeve.
Kjo degë analizon veti të tilla si presioni, viskoziteti, dendësia dhe shpejtësia e rrjedhjesduke lejuar modelimin e gjithçkaje, nga rrjedhja e gjakut në trupin e njeriut deri te sjellja e atmosferës.
optikë
Kjo degë e fizikës klasike merret me studimin e dukurive vizuale dhe vetitë e dritësduke përfshirë ndërveprimet e saj të mundshme me materien. Analizon se si drita përhapet, reflektohet, thyhet, shpërndahet dhe absorbohet në mjedise të ndryshme.
Përshkruani të gjitha proceset që ndodhin në dritën e dukshme, ultravjollcë dhe infra të kuqe. Kjo ndodh sepse drita është kryesisht një vala elektromagnetike siç janë rrezet X, mikrovalët dhe vetë valët e radios, të cilat kanë karakteristika të përbashkëta megjithëse me frekuenca dhe energji të ndryshme.
Optika klasike ndahet gjerësisht në:
- Optika gjeometrike, i cili studion përhapjen e dritës si rreze të drejta dhe shpjegon funksionimin e lenteve, pasqyrave dhe sistemeve të formimit të imazhit.
- Optika fizike, e cila merr në konsideratë natyrën valore të dritës dhe analizon fenomene të tilla si interferenca, difraksioni dhe polarizimi.
Kjo degë është thelbësore për shumë disiplina siç janë mjekësia (endoskopët, lazerët kirurgjikalë, sistemet e imazherisë diagnostikuese), fotografia, astronomia (teleskopët dhe observatorët), inxhinieria (sensorët dhe fibrat optike) dhe komunikimi (transmetimi i të dhënave përmes kabllove me fibra optike).
Termodinamika
Vazhdojmë me termodinamikën. Kjo degë e fizikës studion efektet e punës, energjisë dhe nxehtësisë në një sistem specifik. Është një degë e fizikës. relativisht e re brenda grupit klasikTermodinamika u zhvillua ndjeshëm nga studimi i motorëve me avull dhe proceseve të shndërrimit të nxehtësisë në punë mekanike. Shkurt, termodinamika merret me vëzhgimin, përshkrimin dhe matjen e fenomeneve të ndryshme që ndodhin kur energjia transformohet.
Ndërveprimet e vogla të gazrave që ndodhin në shkallë mikroskopike emërtohen ose përshkruhen nga teoria kinetike e gazeveKëto janë terma që lidhen me njëri-tjetrin në mënyrë që të plotësojnë metodat që përshkruajnë termodinamikën makroskopike dhe teorinë kinetike.
Ekzistojnë ligje themelore që rregullojnë termodinamikën, ndër të cilat është e ashtuquajtura ligji i parë (ruajtja e energjisë në formën e nxehtësisë dhe punës), ligji i dytë (entropia dhe drejtimi natyror i proceseve) dhe ligji zero (Përkufizimi dhe tranzitiviteti i temperaturës). Këto parime na lejojnë të kuptojmë pse disa procese janë të pakthyeshme, cili është efikasiteti maksimal teorik i një motori të nxehtësisë ose si ekuilibrohen sistemet kur shkëmbejnë nxehtësi.
Termodinamika klasike zbatohet në projektimi i motorëve me djegie të brendshme, termocentraleve, sistemeve të ftohjes dhe ajrit të kondicionuarsi dhe në studimin e ndryshimeve të fazës (shkrirja, avullimi, kondensimi) dhe në shumë procese industriale ku trajtohet energjia dhe nxehtësia.
Edhe pse fizika moderne ka zgjeruar horizontin e njohurive, fizika klasike mbetet një një mjet thelbësor në trajnimin shkencor dhe teknike, meqenëse ofron konceptet themelore që na lejojnë të kuptojmë botën në një shkallë njerëzore dhe mbështesin shumicën e teknologjive të përditshme.
Pasi mësojmë rreth degëve të saj, bëhet e qartë se fizika klasike nuk është një disiplinë e vjetëruar, por përkundrazi një shtyllë mbi të cilën bazohen inxhinieria, shumë shkenca të aplikuara dhe teori moderneduke ofruar një gjuhë të përbashkët për të përshkruar materien, energjinë dhe bashkëveprimet e tyre.