Klasická fyzika je ideálna na riešenie všetkých technických problémov ľudskej povahy, ako aj na vysvetlenie štruktúr slnečnej sústavy a ponúkaného vesmíru. odpovede, ktoré úplne neuspokoja na všetky kozmologické pochybnosti.
Dnes sme vám chceli poskytnúť veľmi kompletné informácie o klasickej fyzike, aby ste mohli získať oveľa realistickejšie pochopenie rôznych otázok, ktoré vyvstávajú okolo tejto úžasnej vedy, ako sa líši od modernej fyziky a aké sú jej hlavné oblasti štúdia, aplikácie a limity.
Klasická fyzika
Tento termín sa používa na označenie fyziky, ktorá existovala pred príchodom kvantovej mechaniky. Zahŕňa rôzne základné študijné odbory ako napríklad termodynamika, optika, akustika, elektromagnetizmus a mechanika, okrem iných. Pojem klasická fyzika sa tiež často používa na označenie fyziky vyvinutej pred konsolidáciou hlavných koncepčných zmien modernej fyziky; historicky mnohí autori považujú klasickú fyziku za zahŕňajúcu vývoj pred rokom 1900, zatiaľ čo moderná fyzika zahŕňa pokrok od roku 1900. Príchod kvantovej mechaniky a teórie relativity dal tomu, čo sa považovalo za klasickú fyziku, novú perspektívu a obmedzil jej rozsah na určité rozsahy rýchlosti, veľkosti a energie.
Z technickejšieho hľadiska je klasická fyzika založená na deterministické princípyAk poznáme aktuálny stav fyzikálneho systému (polohu, rýchlosť, sily, ktoré naň pôsobia atď.), môžeme presne predpovedať jeho budúci stav pomocou matematických zákonov. V tomto rámci správanie telies nezávisí od náhody, ale od dobre definovaných príčin.
V rámci klasickej fyziky možno rozlíšiť dva hlavné prístupy:
- Klasická Newtonovská (predrelativistická) fyzika, založený na Newtonových zákonoch, vhodný na opis pohybu telies pri nízkych rýchlostiach v porovnaní s rýchlosťou svetla a v bežných mierkach.
- Relativistická klasická fyzikaZahŕňa teórie špeciálnej a všeobecnej relativity, ale zostáva klasickou v tom zmysle, že nepoužíva kvantové koncepty. Presne opisuje javy pri rýchlostiach blízkych rýchlosti svetla a v intenzívnych gravitačných poliach, pričom si zachováva súvislý pohľad na priestor a čas.
Stručne povedané, keď hovoríme o klasickej fyzike, máme na mysli teórie, ktoré opisujú javy s veľkou presnosťou. rýchlosti menšie ako rýchlosť svetla už makroskopická mierka (planéty, stroje, kvapaliny, štruktúry atď.) a ktoré zostávajú nevyhnutné v strojárstve, stavebníctve, akustike, tradičnej optike a množstve súčasných technologických procesov.
Moderná fyzika
Predtým, ako pristúpime k vysvetleniu rôznych odvetví klasickej fyziky, je potrebné ju odlíšiť od modernej fyziky. Moderná fyzika vzniká vtedy, keď sa klasické modely ukážu ako nedostatočné na vysvetlenie určitých javov, ako je žiarenie vyžarované horúcimi telesami, fotoelektrický jav alebo správanie atómov a elementárnych častíc.
Max Planck začína svoje výskum „kvanta“ energie Štúdiom toho, ako sa energia nevyžaruje kontinuálne, ale v diskrétnych paketoch nazývaných kvantá, tieto myšlienky vydláždili cestu kvantovej mechanike, ktorá vysvetľuje, že energia a hmota vykazujú dvojaké správanie (niekedy ako častice a niekedy ako vlny) a že existujú limity presnosti, s akou dokážeme merať určité fyzikálne veličiny.
Práve potom sa zrodilo toto nové odvetvie fyziky, ktoré sa snaží študovať variácie, ktoré existujú v atómoch, rôzne správanie, ktoré sa deje s hmotou, a sily, ktoré riadia obidve. Moderná fyzika Študuje javy, ktoré sa vyskytujú v extrémnych mierkach: rýchlosti blízke rýchlosti svetla, mikroskopické alebo subatomárne rozmery a veľmi vysoké alebo veľmi nízke energie.
Okrem toho, vznikajúce problémy nebolo možné vyriešiť prístupmi z klasickej fyziky, takže bolo potrebné prehodnotenie klasického výskumu a jeho predpokladovModerná fyzika prijíma koncepty ako pravdepodobnosť, neistota a zakrivený časopriestor, aby prispôsobila štúdium prírody týmto novým mierkam.
Hoci sa klasická a moderná fyzika líšia, navzájom sa nevylučujú. V rámci rýchlosti a veľkosti, s ktorými sa stretávame v každodennom živote, stále platia klasické rovnice. vysoko presné a praktickéModerná fyzika je vyhradená pre tie javy, kde klasické teórie prestávajú fungovať.
Rozdiely medzi klasickou fyzikou a modernou fyzikou
Pre lepšie pochopenie toho, čo klasická fyzika študuje, je užitočné porovnať ju s modernou fyzikou z niekoľkých kľúčových hľadísk:
- Študijná škálaKlasická fyzika sa zameriava na makroskopické systémy, ako sú planéty, tekutiny, stroje, štruktúry alebo projektily. Moderná fyzika sa naopak zameriava na atómy, elementárne častice a vesmír vo veľkom meradle, ako aj v subatomárnych javoch.
- Rozsah rýchlostiKlasická fyzika opisuje pohyby rýchlosťami hlboko pod rýchlosťou svetlaModerná fyzika spolu s teóriou relativity analyzuje situácie, kde sa rýchlosti blížia k rýchlosti svetla a kde sú relativistické efekty významné.
- Deterministický alebo pravdepodobnostný charakterKlasická fyzika je v podstate deterministickýBudúcnosť uzavretého systému závisí výlučne od jeho súčasného stavu. Moderná fyzika, najmä kvantová fyzika, zavádza... neistota a pravdepodobnosť ako základné prvky pri opise stavov systému.
- Pojem priestoru a časuV klasickej fyzike sa priestor a čas uvažujú nezávislý a absolútnyV modernej fyzike sú chápané ako relatívne a zjednotené v entite nazývanej vesmírny čas, ktorý sa môže zakriviť v prítomnosti hmoty a energie.
- Typ javov, ktoré vysvetľujeKlasická fyzika úspešne rieši javy ako gravitácia na ľudskej úrovni, elektrina, magnetizmus a správanie tekutín. Moderná fyzika sa zaoberá... základné interakcie vyjadruje sa prostredníctvom polí a častíc (ako sú fotóny, bozóny alebo fermióny) a ponára sa do hlbšej štruktúry hmoty.
- Hlavné aplikácieKlasické modely sú základom inžinierstvo, stavebníctvo, mechanika, akustika a tradičná optikaModerné modely to umožňujú elektronika, polovodiče, jadrová energiačasticová fyzika a pokročilá kozmológia.
Aké sú odvetvia klasickej fyziky?
Pre lepšie pochopenie vedy boli jej hlavné odvetvia v priebehu času klasifikované. To umožnilo ľudstvu efektívnejšie pôsobiť v týchto oblastiach a komunikovať nové pokroky v týchto oblastiach svetu. V rámci klasickej fyziky sú najdôležitejšími odvetviami: akustika, mechanika, elektromagnetizmus, mechanika tekutín, optika a termodynamika.
akustika
Ľudské ucho je uspôsobené na vnímanie vĺn, vĺn, ktoré musia byť podrobené procesu štúdia, aby sa demonštrovali ich vlnové dĺžky a schopnosti. Preto sa zrodila akustika; táto oblasť klasickej fyziky je zodpovedná za študovať všetky mechanické vlnové vibrácie ktoré sa šíria hmotným médiom (vzduch, voda, pevné látky), aby boli nakoniec interpretované ako zvuky.
Štúdium akustiky zahŕňa hudbu, geologické javy, ponorky a atmosférické javy; vo všeobecnosti je táto oblasť fyziky zodpovedná za štúdium Zvuky vyžarované v pozemskom polivrátane infrazvuku (frekvencie nižšie ako tie, ktoré ľudské ucho dokáže vnímať) a ultrazvuku (vyššie frekvencie).
Okrem toho sa akustika uplatňuje v tak rôznorodých oblastiach, ako napríklad:
- Akustické inžinierstvo pre návrh koncertných sál, auditórií a nahrávacích štúdií s optimálnou kvalitou zvuku.
- Architektonická akustika, zodpovedný za kontrolu šírenia zvuku v budovách, školách, domoch a kanceláriách.
- Podvodná akustika, kľúčový v komunikácii medzi ponorkami, pri prieskume oceánov a pri štúdiu morského života.
- Akustika prostredia, ktorá sa zaoberá hlukovým znečistením a reguláciou hluku v mestskom prostredí.
Na druhej strane, psychoakustika, ktorá je zodpovedná za štúdium fyzikálnych a psychologických účinkov, ktoré vznikajú v biologických systémoch pri vnímaní zvuku, a analyzuje, ako mozog interpretuje intenzitu, výšku tónu, zafarbenie a priestorové umiestnenie zdrojov zvuku.
Mechanika
Táto oblasť fyziky sa zaoberá fyzikálnymi telesami, keď sú vystavené silám posunu a samozrejme účinkami, ktoré tieto sily spôsobujú. Opisuje, ako a prečo sa objekty pohybujú alebo prečo zostávajú v pokoji.
Považuje sa za subdisciplínu, ktorá sa zaoberá štúdiom fyzikálne javy, ktoré sa vyskytujú na objektoch ktoré sú vystavené fyzikálnym silám, a to ako od častíc, ktoré sú v pokoji, tak aj od častíc, ktoré sú v pohybe, za predpokladu, že ich rýchlosť je výrazne nižšia ako rýchlosť svetla.
V rámci klasickej mechaniky možno rozlíšiť niekoľko oblastí:
- Statická mechanikaŠtuduje telesá v rovnováhe, teda keď je súčet síl a momentov nulový.
- Kinematická mechanika: opisuje pohyb bez zohľadnenia jeho príčin, analyzuje trajektórie, rýchlosti a zrýchlenia.
- Dynamická mechanikaVzťahuje pohyb so silami, ktoré ho spôsobujú, najmä pomocou Newtonových zákonov.
Jeho aplikácie pokrývajú strojárstvo, konštrukcia strojov a predikcia trajektórií projektilov a vozidielako aj analýza štruktúr a štúdium pohybov v športe alebo v biomechanike ľudského tela.
Elektromagnetizmus
Magnetizmus aj elektrina pochádzajú z elektromagnetických síl; preto je elektromagnetizmus odvetvím klasickej fyziky, ktoré opisuje proces... interakcia medzi elektrinou a magnetizmom vo forme polí a síl.
Na poznanie tejto vetvy do hĺbky je potrebné zdôrazniť, že magnetické pole je vytvárané prostredníctvom elektrického prúdu v pohybe a uvedené magnetické pole je schopné indukovať elektrický prúd alebo, ak to nie je možné, pohyb náboja. Tento vzájomný vzťah je formalizovaný v Maxwellových rovniciach, ktoré zjednocujú popis klasických elektrických, magnetických a optických javov.
Elektromagnetizmus sa spočiatku považoval predovšetkým za štúdium javov vyskytujúcich sa v okolí blesku a žiarenia produkovaného ako svetelný efekt. Postupom času sa pochopilo, že svetlo je elektromagnetická vlna ktorý sa šíri priestorom, a tým spája elektrinu, magnetizmus a optiku.
Magnetizmus bol prítomný aj v predmetoch, ako sú kompasy, ktoré sa v staroveku používali na tento účel na navádzanie cestovateľov. Tieto zariadenia sa spoliehajú na interakciu medzi magnety a magnetické pole Zeme.
Fenomén častíc v pokoji pozorovali už staroveké kultúry; napríklad Rimania zistili, že trenie hrebeňa priťahuje malé častice a iné národy si všimli podobné účinky pri materiáloch ako jantár. Stručne povedané, dospeli k záveru, že Náboje rovnakého znamienka sa navzájom odpudzujú a náboje opačných znamienok sa navzájom priťahujú.základné princípy klasickej elektrostatiky.
Klasický elektromagnetizmus je dnes nevyhnutný pre pochopenie a navrhovanie elektrické obvody, motory, generátory, antény, telekomunikačné systémy a tradičné elektronické zariadeniamedzi mnohými ďalšími technológiami.
Mechanika tekutín
Táto vetva klasickej fyziky študuje existujúci tok tekutín a plynov, z ktorých vychádzajú ďalšie poddisciplíny ako hydrodynamika a aerodynamika, ktoré analyzujú pohyb kvapalín a plynov.
Mechanika tekutín sa uplatňuje v nasledujúcich disciplínach: Výpočet síl pôsobiacich na lietadlá (konštrukcia krídel, trupov a ovládacích prvkov letu), štúdium prepravy ropa a plyn v potrubiach, návrh vetracích a klimatizačných systémov, optimalizácia čerpadiel a turbín, ako aj v predikcia klimatických faktorov ako sú vietor, oceánske prúdy alebo tvorba hurikánov.
Táto vetva analyzuje vlastnosti ako napríklad tlak, viskozita, hustota a rýchlosť prúdeniačo umožňuje modelovanie všetkého od prietoku krvi v ľudskom tele až po správanie atmosféry.
optika
Tento odbor klasickej fyziky sa zaoberá štúdiom vizuálnych javov a svetelné vlastnostivrátane jeho možných interakcií s hmotou. Analyzuje, ako sa svetlo šíri, odráža, láme, rozptyľuje a absorbuje v rôznych médiách.
Popíšte všetky procesy, ktoré prebiehajú vo viditeľnom, ultrafialovom a infračervenom svetle. Je to preto, lebo svetlo je primárne elektromagnetická vlna ako sú röntgenové lúče, mikrovlny a samotné rádiové vlny, ktoré majú spoločné vlastnosti, hoci s rôznymi frekvenciami a energiami.
Klasická optika sa zhruba delí na:
- Geometrická optika, ktorá študuje šírenie svetla ako priamych lúčov a vysvetľuje činnosť šošoviek, zrkadiel a systémov tvorby obrazu.
- Fyzikálna optika, ktorá sa zaoberá vlnovou povahou svetla a analyzuje javy ako interferencia, difrakcia a polarizácia.
Táto vetva je nevyhnutný pre mnoho disciplín ako napríklad medicína (endoskopy, chirurgické lasery, diagnostické zobrazovacie systémy), fotografia, astronómia (ďalekohľady a observatóriá), inžinierstvo (senzory a optické vlákna) a komunikácia (prenos údajov cez optické káble).
Termodynamika
Pokračujeme v termodynamike. Táto oblasť fyziky študuje vplyv práce, energie a tepla na konkrétny systém. Je to odvetvie fyziky. relatívne nové v rámci klasickej kategórieTermodynamika sa významne rozvinula zo štúdia parných strojov a procesov premeny tepla na mechanickú prácu. Stručne povedané, termodynamika sa zaoberá pozorovaním, opisom a meraním rôznych javov, ktoré sa vyskytujú pri premene energie.
Malé interakcie plynov, ku ktorým dochádza v mikroskopickom meradle, sú pomenované alebo opísané pomocou kinetická teória plynovIde o pojmy, ktoré spolu súvisia, aby dopĺňali metódy opisujúce makroskopickú termodynamiku a kinetickú teóriu.
Existujú základné zákony, ktoré riadia termodynamiku, medzi ktoré patrí tzv. prvý zákon (zákon zachovania energie vo forme tepla a práce)v druhý zákon (entropia a prirodzený smer procesov) a nultý zákon alebo nultý zákon (Definícia a tranzitívnosť teploty). Tieto princípy nám umožňujú pochopiť, prečo sú niektoré procesy nezvratné, aká je maximálna teoretická účinnosť tepelného motora alebo ako sa systémy vyrovnávajú pri výmene tepla.
Klasická termodynamika sa uplatňuje v návrh spaľovacích motorov, tepelných elektrární, chladiacich a klimatizačných systémovako aj pri štúdiu fázových zmien (topenie, odparovanie, kondenzácia) a v mnohých priemyselných procesoch, kde sa manipuluje s energiou a teplom.
Hoci moderná fyzika rozšírila obzor poznania, klasická fyzika zostáva základný nástroj vo vedeckom vzdelávaní a technické, keďže poskytuje základné koncepty, ktoré nám umožňujú pochopiť svet v ľudskom meradle a podporujú väčšinu každodenných technológií.
Po oboznámení sa s jej odvetviami je zrejmé, že klasická fyzika nie je zastaranou disciplínou, ale skôr pilier, na ktorom je založené inžinierstvo, mnohé aplikované vedy a moderné teórieponúkanie spoločného jazyka na opis hmoty, energie a ich interakcií.