Klasična fizika je idealna za rješavanje svih tehničkih problema ljudske prirode, kao i za objašnjenje struktura Sunčevog sistema i svemira koji nudi odgovori koji ne zadovoljavaju u potpunosti na sve kosmološke sumnje.
Danas smo vam željeli pružiti vrlo potpune informacije o klasičnoj fizici kako biste mogli imati mnogo realističnije razumijevanje različitih pitanja koja se javljaju oko ove divne nauke, kako se ona razlikuje od moderne fizike i koje su njene glavne grane proučavanja, primjene i ograničenja.
Klasična fizika
Ovaj termin se koristi za označavanje fizike koja je postojala prije pojave kvantne mehanike. Uključuje različite bitne grane studija kao što su termodinamika, optika, akustika, elektromagnetizam i mehanika, između ostalog. Termin klasična fizika se također često koristi za označavanje fizike razvijene prije konsolidacije glavnih konceptualnih promjena moderne fizike; historijski gledano, mnogi autori smatraju da klasična fizika obuhvata razvoj prije 1900. godine, dok moderna fizika obuhvata napredak od 1900. godine nadalje. Pojava kvantne mehanike i teorije relativnosti dala je onome što se smatralo klasičnom fizikom novu perspektivu i ograničila njen opseg na određene raspone brzine, veličine i energije.
Sa tehničke tačke gledišta, klasična fizika se zasniva na deterministički principiAko znamo trenutno stanje fizičkog sistema (položaj, brzinu, sile koje djeluju na njega, itd.), možemo precizno predvidjeti njegovo buduće stanje koristeći matematičke zakone. U ovom okviru, ponašanje tijela ne zavisi od slučajnosti, već od dobro definiranih uzroka.
U klasičnoj fizici mogu se razlikovati dva glavna pristupa:
- Klasična Newtonova (predrelativistička) fizika, zasnovan na Newtonovim zakonima, pogodan za opisivanje kretanja tijela pri malim brzinama u poređenju sa brzinom svjetlosti i na svakodnevnim skalama.
- Relativistička klasična fizikaUključuje teorije specijalne i opće relativnosti, ali ostaje klasična u smislu da ne koristi kvantne koncepte. Precizno opisuje pojave pri brzinama bliskim brzinama svjetlosti i u intenzivnim gravitacijskim poljima, a istovremeno zadržava kontinuirani pogled na prostor i vrijeme.
Ukratko, kada govorimo o klasičnoj fizici, mislimo na teorije koje opisuju fenomene s velikom preciznošću. brzine manje od brzine svjetlosti već makroskopska skala (planete, mašine, fluidi, strukture itd.), a koji ostaju ključni u inženjerstvu, građevinarstvu, akustici, tradicionalnoj optici i mnoštvu trenutnih tehnoloških procesa.
Moderna fizika
Prije nego što se pređe na objašnjenje različitih grana klasične fizike, potrebno ju je razlikovati od moderne fizike. Potonja nastaje kada se klasični modeli pokažu nedovoljnim za objašnjenje određenih pojava, kao što su zračenje koje emituju vruća tijela, fotoelektrični efekat ili ponašanje atoma i elementarnih čestica.
Max Planck započinje svoje istraživanje "kvanta" energije Proučavajući kako se energija ne emituje kontinuirano, već u diskretnim paketima koji se nazivaju kvanti, ove ideje otvaraju put kvantnoj mehanici, koja objašnjava da energija i materija pokazuju dvojno ponašanje (ponekad kao čestice, a ponekad kao talasi) i da postoje ograničenja u preciznosti kojom možemo mjeriti određene fizičke veličine.
Tada se rodila ova nova grana fizike koja pokušava proučiti varijacije koje postoje u atomima, različita ponašanja koja se događaju s materijom i sile koje upravljaju oboma. Moderna fizika Proučava fenomene koji se javljaju na ekstremnim skalama: brzinama bliskim svjetlosti, mikroskopskim ili subatomskim dimenzijama i vrlo visokim ili vrlo niskim energijama.
Nadalje, novonastali problemi nisu se mogli riješiti pristupima iz klasične fizike, pa je bilo potrebno preispitivanje klasičnih istraživanja i premisaModerna fizika usvaja koncepte poput vjerovatnoće, neizvjesnosti i zakrivljenog prostor-vremena kako bi prilagodila proučavanje prirode ovim novim skalama.
Iako se klasična i moderna fizika razlikuju, one se međusobno ne isključuju. Unutar raspona brzine i veličine s kojima se susrećemo u svakodnevnom životu, klasične jednačine i dalje važe. visoko precizno i praktičnoModerna fizika je rezervisana za one pojave gdje klasične teorije prestaju da važe.
Razlike između klasične fizike i moderne fizike
Da bismo bolje razumjeli šta klasična fizika proučava, korisno je uporediti je sa modernom fizikom iz nekoliko ključnih aspekata:
- Skala studijeKlasična fizika se fokusira na makroskopske sisteme, kao što su planete, fluidi, mašine, strukture ili projektili. Moderna fizika, s druge strane, fokusira se na atomi, elementarne čestice i kosmos na velikoj skali, kao i u subatomskim fenomenima.
- Raspon brzineKlasična fizika opisuje kretanja brzinama daleko ispod brzine svjetlostiModerna fizika, zajedno s relativnošću, analizira situacije u kojima se brzine približavaju brzini svjetlosti i gdje su relativistički efekti značajni.
- Deterministički ili vjerovatnosni karakterKlasična fizika je u osnovi determinističkiBudućnost zatvorenog sistema zavisi isključivo od njegovog sadašnjeg stanja. Moderna fizika, posebno kvantna fizika, uvodi neizvjesnost i vjerovatnoća kao osnovni elementi pri opisivanju stanja sistema.
- Pojam prostora i vremenaU klasičnoj fizici, prostor i vrijeme se smatraju nezavisan i apsolutanU modernoj fizici, oni se shvataju kao relativni i ujedinjeni u entitet koji se naziva prostorno vrijeme, koji se može zakriviti u prisustvu mase i energije.
- Vrsta fenomena koje objašnjavaKlasična fizika uspješno se bavi fenomenima kao što su gravitacija na ljudskoj skali, elektricitet, magnetizam i ponašanje fluida. Moderna fizika se bavi fundamentalne interakcije izraženo kroz polja i čestice (kao što su fotoni, bozoni ili fermioni) i zalazi u intimnu strukturu materije.
- Glavne aplikacijeKlasični modeli su osnova inženjerstvo, građevinarstvo, mehanika, akustika i tradicionalna optikaModerni modeli to omogućavaju elektronika, poluprovodnici, nuklearna energijafizika čestica i napredna kosmologija.
Koje su grane klasične fizike?
Radi boljeg razumijevanja nauke, njene glavne grane su vremenom klasifikovane. To je omogućilo čovječanstvu da efikasnije djeluje u ovim oblastima i da svijetu prenese nova dostignuća u ovim oblastima. Unutar klasične fizike, najvažnije grane su: akustika, mehanika, elektromagnetizam, mehanika fluida, optika i termodinamika.
Akustika
Ljudsko uho je dizajnirano da percipira valove, valove koji moraju biti podvrgnuti procesu proučavanja kako bi se demonstrirale njihove valne dužine i mogućnosti. Zato je rođena akustika; ova grana klasične fizike je odgovorna za proučite sve mehaničke vibracije talasa koji se šire kroz materijalni medij (zrak, vodu, čvrste tvari) da bi se konačno interpretirali kao zvukovi.
Proučavanje akustike obuhvata muziku, geološke pojave, podmornice i atmosferske pojave; generalno govoreći, ova grana fizike je odgovorna za proučavanje Zvukovi emitovani u zemaljskom poljuuključujući infrazvuk (frekvencije niže od onih koje ljudsko uho može percipirati) i ultrazvuk (više frekvencije).
Nadalje, akustika se primjenjuje u različitim područjima kao što su:
- Akustički inženjering za dizajn koncertnih dvorana, auditorija i studija za snimanje s optimalnim kvalitetom zvuka.
- Arhitektonska akustika, odgovoran za kontrolu širenja zvuka u zgradama, školama, domovima i kancelarijama.
- Podvodna akustika, ključan u komunikaciji između podmornica, u istraživanju okeana i u proučavanju morskog života.
- Akustika okoline, koji se bavi zagađenjem bukom i regulacijom buke u urbanim sredinama.
S druge strane, psihoakustika, koja je odgovorna za proučavanje fizičkih i psiholoških efekata koji nastaju u biološkim sistemima kada se percipira zvuk, analizirajući kako mozak interpretira intenzitet, visinu tona, boju i prostornu lokaciju izvora zvuka.
Mehanika
Ova grana fizike se bavi fizičkim tijelima kada su izložena silama pomjeranja i, naravno, efektima koji proizlaze iz tih sila. Opisuje kako i zašto se objekti kreću ili zašto miruju.
Smatra se poddisciplinom koja se bavi proučavanjem fizičke pojave koje se javljaju na objektima koje su izložene fizičkim silama, kako od čestica koje miruju tako i od onih koje se kreću, pod uslovom da je njihova brzina znatno manja od brzine svjetlosti.
Unutar klasične mehanike može se razlikovati nekoliko područja:
- Statička mehanikaProučava tijela u ravnoteži, odnosno kada je zbir sila i momenata jednak nuli.
- Kinematička mehanikaopisuje kretanje bez razmatranja njegovih uzroka, analizirajući putanje, brzine i ubrzanja.
- Dinamička mehanikaPovezuje kretanje sa silama koje ga proizvode, uglavnom koristeći Newtonove zakone.
Njegove primjene pokrivaju mašinstvo, projektovanje mašina i predviđanje putanja projektila i vozilakao i analiza struktura i proučavanje pokreta u sportu ili u biomehanici ljudskog tijela.
Elektromagnetizam
I magnetizam i elektricitet potiču od elektromagnetnih sila; stoga je elektromagnetizam grana klasične fizike koja opisuje proces interakcija između elektriciteta i magnetizma u obliku polja i sila.
Da bi se ova grana poznavala u dubinu, potrebno je naglasiti da se magnetsko polje stvara električnom strujom u pokretu, a navedeno magnetsko polje je sposobno indukovati električnu struju ili, ako to nije moguće, kretanje naboja. Ovaj međusobni odnos je formaliziran u Maxwellovim jednačinama, koje ujedinjuju opis klasičnih električnih, magnetskih i optičkih fenomena.
U početku se elektromagnetizam prvenstveno smatrao proučavanjem fenomena koji se javljaju oko munje i zračenja proizvedenog kao svjetlosni efekat. Vremenom se shvatilo da je svjetlost elektromagnetski talas koji se širi kroz prostor, povezujući tako elektricitet, magnetizam i optiku.
Magnetizam je bio prisutan i u predmetima poput kompasa, koji su se u davna vremena koristili u tu svrhu za vođenje putnika. Ovi uređaji se oslanjaju na interakciju između magneti i Zemljino magnetsko polje.
Fenomen mirovanja čestica primijetile su još drevne kulture; na primjer, Rimljani su primijetili da trljanje češlja privlači male čestice, a drugi narodi su primijetili slične efekte kod materijala poput ćilibara. Ukratko, zaključeno je da Naelektrisanja istog znaka se odbijaju, a naelektrisanja suprotnog znaka se privlače.osnovni principi klasične elektrostatike.
Danas je klasični elektromagnetizam ključan za razumijevanje i dizajniranje električni krugovi, motori, generatori, antene, telekomunikacijski sistemi i tradicionalni elektronski uređajimeđu mnogim drugim tehnologijama.
Mehanika fluida
Ova grana klasične fizike proučava postojeći protok tečnosti i gasova, iz te grane nastaju drugi poddiscipline kao što su hidrodinamika i aerodinamika, koji analiziraju kretanje tečnosti i gasova.
Mehanika fluida se primjenjuje u sljedećim disciplinama: Proračun sila koje djeluju na avione (dizajn krila, trupova i komandi leta), proučavanje transporta nafta i plin u naftovodima, projektovanje sistema ventilacije i klimatizacije, optimizacija pumpi i turbina, kao i u predviđanje klimatskih faktora kao što su vjetrovi, okeanske struje ili formiranje uragana.
Ova grana analizira svojstva kao što su pritisak, viskoznost, gustoća i brzina protokaomogućavajući modeliranje svega, od protoka krvi u ljudskom tijelu do ponašanja atmosfere.
Optika
Ova grana klasične fizike bavi se proučavanjem vizuelnih fenomena i svjetlosna svojstvauključujući i moguće interakcije s materijom. Analizira kako se svjetlost širi, reflektira, prelama, raspršuje i apsorbira u različitim medijima.
Opišite sve procese koji se odvijaju u vidljivom, ultraljubičastom i infracrvenom svjetlu. To je zato što je svjetlost prvenstveno elektromagnetski talas kao što su rendgenski zraci, mikrovalovi i sami radio valovi, koji imaju zajedničke karakteristike iako s različitim frekvencijama i energijama.
Klasična optika se grubo dijeli na:
- Geometrijska optika, koja proučava širenje svjetlosti kao pravih zraka i objašnjava rad sočiva, ogledala i sistema za formiranje slike.
- Fizička optika, koja razmatra talasnu prirodu svetlosti i analizira fenomene kao što su interferencija, difrakcija i polarizacija.
Ova grana je bitan za mnoge discipline kao što su medicina (endoskopi, hirurški laseri, dijagnostički sistemi za snimanje), fotografija, astronomija (teleskopi i opservatorije), inženjerstvo (senzori i optička vlakna) i komunikacije (prijenos podataka putem optičkih kablova).
Termodinamika
Nastavljamo s termodinamikom. Ova grana fizike proučava utjecaj rada, energije i topline na određeni sistem. To je grana fizike. relativno novo unutar klasičnog skupaTermodinamika se značajno razvila iz proučavanja parnih mašina i procesa pretvaranja toplote u mehanički rad. Ukratko, termodinamika se bavi posmatranjem, opisivanjem i mjerenjem različitih fenomena koji se javljaju kada se energija transformiše.
Male plinske interakcije koje se javljaju na mikroskopskoj skali imenovane su ili opisane pomoću kinetička teorija gasovaTo su termini koji su međusobno povezani kako bi dopunili metode koje opisuju makroskopsku termodinamiku i kinetičku teoriju.
Postoje fundamentalni zakoni koji upravljaju termodinamikom, među kojima je i tzv. prvi zakon (očuvanje energije u obliku toplote i rada), u drugi zakon (entropija i prirodni smjer procesa) I to nulti zakon ili nulti zakon (Definicija i tranzitivnost temperature). Ovi principi nam omogućavaju da shvatimo zašto su neki procesi nepovratni, koja je maksimalna teorijska efikasnost toplotnog motora ili kako se sistemi balansiraju prilikom razmjene toplote.
Klasična termodinamika se primjenjuje u projektovanje motora sa unutrašnjim sagorijevanjem, termoelektrana, rashladnih i klimatizacijskih sistemakao i u proučavanju faznih promjena (topljenje, isparavanje, kondenzacija) i u mnogim industrijskim procesima gdje se rukuje energijom i toplotom.
Iako je moderna fizika proširila horizonte znanja, klasična fizika ostaje neophodan alat u naučnoj obuci i tehnički, budući da pruža osnovne koncepte koji nam omogućavaju da razumijemo svijet na ljudskoj razini i podržava većinu svakodnevnih tehnologija.
Nakon upoznavanja njenih grana, postaje jasno da klasična fizika nije zastarjela disciplina, već stub na kojem se zasnivaju inženjerstvo, mnoge primijenjene nauke i moderne teorijenudeći zajednički jezik za opisivanje materije, energije i njihovih interakcija.