Klasična fizika idealna je za rješavanje svih tehničkih problema ljudske prirode, kao i za objašnjenje struktura Sunčevog sustava i svemira koji nudi odgovori koji ne zadovoljavaju u potpunosti na sve kozmološke sumnje.
Danas smo vam željeli pružiti vrlo potpune informacije o klasičnoj fizici kako biste mogli imati puno realnije razumijevanje različitih pitanja koja se javljaju oko ove divne znanosti, kako se ona razlikuje od moderne fizike te koje su njezine glavne grane proučavanja, primjene i ograničenja.
Klasična fizika
Ovaj se termin 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. Pojam klasična fizika također se često koristi za označavanje fizike razvijene prije konsolidacije glavnih konceptualnih promjena moderne fizike; povijesno gledano, mnogi autori smatraju da klasična fizika obuhvaća razvoj prije 1900. godine, dok moderna fizika obuhvaća napredak od 1900. godine nadalje. Pojava kvantne mehanike i teorije relativnosti dala je onome što se smatralo klasičnom fizikom novu perspektivu i ograničila njezin opseg na određene raspone brzine, veličine i energije.
S tehničkog gledišta, klasična fizika temelji se na deterministički principiAko znamo trenutno stanje fizičkog sustava (položaj, brzinu, sile koje na njega djeluju itd.), možemo točno predvidjeti njegovo buduće stanje koristeći matematičke zakone. U tom okviru, ponašanje tijela ne ovisi o slučaju, već o dobro definiranim uzrocima.
Unutar klasične fizike mogu se razlikovati dva glavna pristupa:
- Klasična Newtonova (predrelativistička) fizika, temeljen na Newtonovim zakonima, pogodan za opisivanje gibanja tijela pri malim brzinama u usporedbi s brzinom svjetlosti i na svakodnevnim skalama.
- Relativistička klasična fizikaUključuje teorije specijalne i opće relativnosti, ali ostaje klasična u smislu da ne koristi kvantne koncepte. Točno 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 pojave s velikom preciznošću. brzine manje od brzine svjetlosti već makroskopska skala (planeti, strojevi, tekućine, strukture itd.), a koji ostaju bitni u inženjerstvu, građevinarstvu, akustici, tradicionalnoj optici i mnoštvu trenutnih tehnoloških procesa.
Moderna fizika
Prije nego što se nastavi objašnjavati različite grane klasične fizike, potrebno ju je razlikovati od moderne fizike. Potonja nastaje kada se klasični modeli pokažu nedostatnima za objašnjenje određenih pojava, poput zračenja koje emitiraju vruća tijela, fotoelektričnog efekta ili ponašanja atoma i elementarnih čestica.
Max Planck započinje svoje istraživanje "kvanta" energije Proučavajući kako se energija ne emitira kontinuirano, već u diskretnim paketima zvanim kvanti, ove ideje otvaraju put kvantnoj mehanici, koja objašnjava da energija i materija pokazuju dvojno ponašanje (ponekad kao čestice, a ponekad kao valovi) te 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 vjerojatnosti, nesigurnosti i zakrivljenog prostor-vremena kako bi prilagodila proučavanje prirode tim 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 jednadžbe i dalje vrijede. vrlo precizno i praktičnoModerna fizika je rezervirana za one pojave gdje klasične teorije prestaju funkcionirati.
Razlike između klasične fizike i moderne fizike
Kako bismo bolje razumjeli što proučava klasična fizika, korisno ju je usporediti s modernom fizikom iz nekoliko ključnih aspekata:
- Skala studijeKlasična fizika usredotočuje se na makroskopske sustave, poput planeta, tekućina, strojeva, struktura ili projektila. Moderna fizika, s druge strane, usredotočuje se na atomi, elementarne čestice i svemir na velikoj skali, kao i u subatomskim fenomenima.
- Raspon brzineKlasična fizika opisuje kretanje brzinama daleko ispod brzine svjetlostiModerna fizika, s relativnošću, analizira situacije u kojima se brzine približavaju brzini svjetlosti i gdje su relativistički efekti značajni.
- Deterministički ili probabilistički karakterKlasična fizika je u osnovi determinističkiBudućnost zatvorenog sustava ovisi isključivo o njegovom sadašnjem stanju. Moderna fizika, posebno kvantna fizika, uvodi neizvjesnost i vjerojatnost kao osnovni elementi pri opisivanju stanja sustava.
- Pojam prostora i vremenaU klasičnoj fizici, prostor i vrijeme se smatraju neovisno i apsolutnoU modernoj fizici, oni se shvaćaju kao relativni i ujedinjeni u entitetu koji se naziva prostorno vrijeme, koji se može zakriviti u prisutnosti mase i energije.
- Vrste fenomena koje objašnjavaKlasična fizika uspješno se bavi fenomenima poput gravitacije na ljudskoj razini, elektriciteta, magnetizma i ponašanja fluida. Moderna fizika bavi se temeljne interakcije izraženo kroz polja i čestice (kao što su fotoni, bozoni ili fermioni) i zalazi u intimnu strukturu materije.
- Glavne primjeneKlasični modeli su osnova inženjerstvo, građevinarstvo, mehanika, akustika i tradicionalna optikaModerni modeli to omogućuju elektronika, poluvodiči, nuklearna energijafizika čestica i napredna kozmologija.
Koje su grane klasične fizike?
Radi boljeg razumijevanja znanosti, njezine glavne grane su s vremenom klasificirane. To je omogućilo čovječanstvu da učinkovitije djeluje u tim područjima i da svijetu prenese nova dostignuća u tim područjima. Unutar klasične fizike, najvažnije grane su: akustika, mehanika, elektromagnetizam, mehanika fluida, optika i termodinamika.
Akustika
Ljudsko uho je dizajnirano za opažanje valova, valova koji moraju biti podvrgnuti procesu proučavanja kako bi se demonstrirale njihove valne duljine i mogućnosti. Zato je rođena akustika; ova grana klasične fizike odgovorna je za proučite sve mehaničke vibracije valova koji se šire kroz materijalni medij (zrak, voda, krute tvari) da bi se konačno interpretirali kao zvukovi.
Proučavanje akustike uključuje glazbu, geološke pojave, podmornice i atmosferske pojave; općenito govoreći, ova grana fizike odgovorna je za proučavanje Zvukovi emitirani 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 projektiranje koncertnih dvorana, auditorija i studija za snimanje s optimalnom kvalitetom zvuka.
- Arhitektonska akustika, odgovoran za kontrolu širenja zvuka u zgradama, školama, domovima i uredima.
- Podvodna akustika, ključan u komunikaciji između podmornica, u istraživanju oceana i u proučavanju morskog života.
- Akustika okoliša, koji se bavi bukom i regulacijom buke u urbanim sredinama.
S druge strane, psihoakustika, koji je odgovoran za proučavanje fizičkih i psiholoških učinaka koji nastaju u biološkim sustavima kada se percipira zvuk, analizirajući kako mozak interpretira intenzitet, visinu tona, boju i prostorni položaj izvora zvuka.
Mehanika
Ova grana fizike bavi se fizičkim tijelima kada su podvrgnuta silama pomaka i, naravno, učincima 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 podvrgnute fizičkim silama, kako od čestica koje miruju tako i od onih koje se kreću, pod uvjetom 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 zbroj sila i momenata jednak nuli.
- Kinematička mehanikaopisuje kretanje bez razmatranja njegovih uzroka, analizirajući putanje, brzine i ubrzanja.
- Dinamička mehanikaPovezuje gibanje sa silama koje ga proizvode, uglavnom koristeći Newtonove zakone.
Njegove primjene pokrivaju strojarstvo, projektiranje strojeva i predviđanje putanja projektila i vozilakao i analiza struktura i proučavanje pokreta u sportu ili u biomehanici ljudskog tijela.
Elektromagnetizam
Magnetizam i elektricitet potječu od elektromagnetskih sila; stoga je elektromagnetizam grana klasične fizike koja opisuje proces interakcija između elektriciteta i magnetizma u obliku polja i sila.
Da bismo dubinski poznavali ovu granu, potrebno je naglasiti da se magnetsko polje stvara električnom strujom u pokretu, a navedeno magnetsko polje je sposobno inducirati električnu struju ili, ako to nije moguće, kretanje naboja. Taj međusobni odnos formaliziran je u Maxwellovim jednadžbama, koje ujedinjuju opis klasičnih električnih, magnetskih i optičkih pojava.
U početku se elektromagnetizam prvenstveno smatrao proučavanjem fenomena koji se događaju oko munje i zračenja proizvedenog kao svjetlosni efekt. S vremenom se shvatilo da je svjetlost elektromagnetski val 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 oslanjaju se na interakciju između magneti i Zemljino magnetsko polje.
Fenomen mirovanja čestica promatrale su drevne kulture; na primjer, Rimljani su primijetili da trljanje češlja privlači male čestice, a drugi narodi su primijetili slične učinke s materijalima poput jantara. Ukratko, zaključeno je da Naboji istog predznaka se međusobno odbijaju, a naboji suprotnog predznaka se međusobno privlače.osnovni principi klasične elektrostatike.
Danas je klasični elektromagnetizam ključan za razumijevanje i projektiranje električni krugovi, motori, generatori, antene, telekomunikacijski sustavi i tradicionalni elektronički uređajimeđu mnogim drugim tehnologijama.
Mehanika fluida
Ova grana klasične fizike proučava postojeći protok tekućina i plinova, iz te grane nastaju drugi poddiscipline poput hidrodinamike i aerodinamike, koji redom analiziraju kretanje tekućina i plinova.
Mehanika fluida primjenjuje se u sljedećim disciplinama: Izračun sila koje djeluju na avione (dizajn krila, trupa i komandi leta), proučavanje transporta nafta i plin u naftovodima, projektiranje ventilacijskih i klimatizacijskih sustava, optimizacija pumpi i turbina, kao i u predviđanje klimatskih čimbenika kao što su vjetrovi, oceanske struje ili stvaranje uragana.
Ova grana analizira svojstva kao što su tlak, viskoznost, gustoća i brzina protokaomogućujući modeliranje svega, od protoka krvi u ljudskom tijelu do ponašanja atmosfere.
optika
Ova grana klasične fizike bavi se proučavanjem vizualnih fenomena i svjetlosna svojstvauključujući i moguće interakcije s materijom. Analizira kako se svjetlost širi, reflektira, lomi, 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 val kao što su rendgenske zrake, mikrovalovi i sami radiovalovi, koji imaju zajedničke karakteristike iako s različitim frekvencijama i energijama.
Klasična optika se grubo dijeli na:
- Geometrijska optika, koja proučava širenje svjetlosti kao ravnih zraka i objašnjava rad leća, zrcala i sustava za formiranje slike.
- Fizička optika, koja razmatra valnu prirodu svjetlosti i analizira fenomene poput interferencije, difrakcije i polarizacije.
Ova grana je bitan za mnoge discipline kao što su medicina (endoskopi, kirurški laseri, dijagnostički slikovni sustavi), fotografija, astronomija (teleskopi i opservatoriji), inženjerstvo (senzori i optička vlakna) i komunikacije (prijenos podataka putem optičkih kabela).
Termodinamika
Nastavljamo s termodinamikom. Ova grana fizike proučava učinke rada, energije i topline na određeni sustav. To je grana fizike. relativno novo unutar klasičnog skupaTermodinamika se značajno razvila iz proučavanja parnih strojeva i procesa pretvaranja topline u mehanički rad. Ukratko, termodinamika se bavi promatranjem, opisivanjem i mjerenjem različitih pojava koje se javljaju pri transformaciji energije.
Male plinske interakcije koje se događaju na mikroskopskoj skali imenovane su ili opisane pomoću kinetička teorija plinovaTo su pojmovi koji su međusobno povezani kako bi nadopunili metode koje opisuju makroskopsku termodinamiku i kinetičku teoriju.
Postoje temeljni zakoni koji upravljaju termodinamikom, među kojima je i tzv. prvi zakon (očuvanje energije u obliku topline i rada)je drugi zakon (entropija i prirodni smjer procesa) i nulti zakon (Definicija i tranzitivnost temperature). Ovi principi nam omogućuju da shvatimo zašto su neki procesi nepovratni, koja je maksimalna teorijska učinkovitost toplinskog stroja ili kako se sustavi uravnotežuju pri izmjeni topline.
Klasična termodinamika se primjenjuje u projektiranje motora s unutarnjim izgaranjem, termoelektrana, rashladnih i klimatizacijskih sustavakao i u proučavanju faznih promjena (taljenje, isparavanje, kondenzacija) i u mnogim industrijskim procesima gdje se rukuje energijom i toplinom.
Iako je moderna fizika proširila horizont znanja, klasična fizika ostaje bitan alat u znanstvenoj obuci i tehnički, budući da pruža osnovne koncepte koji nam omogućuju razumijevanje svijeta na ljudskoj razini i podržava većinu svakodnevnih tehnologija.
Nakon upoznavanja njezinih grana, postaje jasno da klasična fizika nije zastarjela disciplina, već stup na kojem se temelje inženjerstvo, mnoge primijenjene znanosti i moderne teorijenudeći zajednički jezik za opisivanje materije, energije i njihovih interakcija.