» » » » » De ce fizica?

De ce fizica?

postat în: Fizica | 0

Whirlpool Galaxy (Această imagine poate arăta orice lucru. Ar putea fi un jacuzzi într-un rezervor de apă sau poate un colaj de vopsea și margele strălucitoare făcute create artistic. Fără a cunoaște dimensiunea obiectului în unități pe care le recunoaștem cu toții, cum ar fi metri sau inci, este dificil să știm la ce privim. De fapt, această imagine prezintă galaxia Volburei (și galaxia însoțitoare), care are aproximativ 60.000 de ani lumină în diametru (aproximativ 6 × 1017 km diametru) (credit: S. Beckwith (STScI) Hubble Heritage Team, (STScI / AURA), ESA, NASA))

După cum se observă în figură, imaginea de deschidere a capitolului este a Galaxiei Volburei, pe care o analizăm în prima secțiune a acestui capitol. Galaxiile sunt la fel de imense cum sunt atomii de mici, totuși aceleași legi ale fizicii le descriu pe ambele, împreună cu restul naturii – o indicație a unității fundamentale din univers. Legile fizicii sunt surprinzător de puține, implicând o simplitate care stă la baza complexității aparente a naturii. În acest text, vei afla despre legile fizicii. Galaxiile și atomii pot părea departe de viața de zi cu zi, dar pe măsură ce începeți să explorați acest subiect larg, puteți ajunge curând la Capitolul 1: Unități și măsurători și vei constata că fizica joacă un rol mult mai important în viața ta decât credeai înainte, indiferent de obiectivele tale de viață sau de alegerea carierei.

Fizica este dedicată înțelegerii tuturor fenomenelor naturale. În fizică, încercăm să înțelegem fenomenele fizice la toate nivelurile – de la lumea particulelor subatomice la întregul univers. În ciuda dimensiunilor subiectului, diversele subdomenii ale fizicii împărtășesc un nucleu comun. Aceeași pregătire de bază în fizică vă va pregăti să lucrați în orice domeniu al fizicii și domeniile conexe ale științei și ingineriei. În această secțiune, investigăm domeniul fizicii; scări de lungime, masă și timp în care legile fizicii s-au dovedit a fi aplicabile; și procesul prin care funcționează știința în general și fizica în special.

Scopul fizicii

Aruncați încă o privire la imaginea de deschidere a capitolului. Galaxia Volburei conține miliarde de stele individuale, precum și nori uriași de gaz și praf. Galaxia însoțitoare este de asemenea vizibilă la dreapta. Această pereche de galaxii se întinde pe o distanță de peste un miliard de miliarde de kilometri  (2,25 x 1021 km) de la galaxia noastră (numită Calea Laptelui, sau Cale Lactee). Stelele și planetele care alcătuiesc Galaxia Volburei pot părea a fi cele mai îndepărtate lucruri de viața de zi cu zi a majorității oamenilor, dar Volbura este un punct de plecare pentru a vă gândi la forțele care țin împreună universul. Forțele care fac ca galaxia Volburei să acționeze așa cum se întâmplă sunt considerate a fi aceleași forțe cu care ne confruntăm aici pe Pământ, dacă intenționăm să trimitem o rachetă în spațiu sau pur și simplu intenționăm să ridicăm zidurile pentru o nouă casă. Gravitația care face ca stelele din Galaxia Volburei să se rotească este considerată a fi aceeași cu ceea ce face ca apa să curgă peste barajele hidroelectrice de aici pe Pământ. Când privești în sus stelele, realizezi că forțele sunt la fel ca cele de aici de pe Pământ. Printr-un studiu al fizicii, putem obține o înțelegere mai bună a interconectării a tot ceea ce putem vedea și cunoaște în acest univers.

Gândiți-vă acum la toate dispozitivele tehnologice pe care le utilizați în mod obișnuit. Computerele, smartphone-urile, sistemele globale de poziționare (GPS), playerele MP3 și radioul prin satelit sunt câteva. Apoi, gândiți-vă la cele mai interesante tehnologii moderne pe care le-ați auzit la știri, cum ar fi trenurile care levitează deasupra pistelor, „mantalele de invizibilitate” care îndoaie lumina în jurul lor și roboții microscopici care luptă împotriva celulelor canceroase în corpul nostru. Toate aceste progrese inovatoare, obișnuite sau de necrezut, se bazează pe principiile fizicii. Pe lângă faptul că joacă un rol semnificativ în tehnologie, profesioniști precum ingineri, piloți, medici, terapeuți fizici, electricieni și programatori de calculatoare aplică concepte de fizică în munca lor zilnică. De exemplu, un pilot trebuie să înțeleagă modul în care forțele vântului afectează o cale de zbor; un terapeut fizic trebuie să înțeleagă cum acționează mușchii din corpul corpului când se mișcă și se îndoaie. După cum vei învăța în acest text, principiile fizicii propun noi tehnologii interesante și aceste principii se aplică într-o gamă largă de domenii.

Caracterul fundamental al naturii face studiul științei în general, și în special al fizicii, să fie interesant și plăcut. De exemplu, ce au în comun o pungă de chips-uri și o baterie de mașină? Ambele conțin energie care poate fi transformată în alte forme. Legea conservării energiei (care spune că energia își poate schimba forma, dar nu se pierde niciodată) leagă împreună subiecte cum ar fi calorii alimentare, baterii, căldură, lumină și arcuri de ceas. Înțelegerea acestei legi facilitează învățarea diverselor forme pe care energia le ia și modul în care acestea se raportează una la cealaltă. Subiectele aparent necorelate sunt legate prin legi fizice aplicabile în general, permițând o înțelegere dincolo de memorarea faptelor ca atare.

Știința constă în teorii și legi care sunt adevărurile generale ale naturii, precum și corpul cunoștințelor pe care le cuprind. Oamenii de știință încearcă continuu să extindă acest corp de cunoștințe și să perfecționeze expresia legilor care îl descriu. Fizica este preocupată de descrierea interacțiunilor dintre energie, materie, spațiu și timp pentru a descoperi mecanismele fundamentale care stau la baza fiecărui fenomen. Această preocupare pentru descrierea fenomenelor de bază în natură definește în esență domeniul fizicii.

Fizica își propune să înțeleagă lumea din jurul nostru la nivelul cel mai de bază. Aceasta subliniază utilizarea unui număr redus de legi cantitative pentru a face acest lucru, care pot fi utile și în alte domenii care impulsionează limitele de performanță ale tehnologiilor existente. Luați în considerare un smartphone (Figura 1.2). Fizica descrie modul în care energia electrică interacționează cu diferitele circuite din interiorul dispozitivului. Aceste cunoștințe îi ajută pe ingineri să selecteze materialele și schemele corespunzătoare atunci când construiesc un smartphone. Cunoașterea fizicii care stă la baza acestor dispozitive este necesară pentru micșorarea dimensiunilor acestora sau creșterea vitezei lor de procesare. Sau, gândiți-vă la un GPS. Fizica descrie relația dintre viteza unui obiect, distanța pe care se deplasează și timpul necesar deplasării pe acea distanță. Când utilizați un GPS într-un vehicul, acesta se bazează pe ecuațiile fizicii pentru a determina timpul de deplasare de la o locație la alta.

Apple iPhone (Apple iPhone este un smartphone comun cu o functie GPS. Fizica descrie modul în care curentul curge prin circuitele acestui dispozitiv. Inginerii își folosesc cunostințele de fizică pentru a construi un iPhone cu caracteristici de care consumatorii se vor bucura. O caracteristică specifică a unui iPhone este funcția GPS. Un GPS utilizează ecuații de fizică pentru a determina timpul de deplasare între două locații pe o hartă (credit: Jane Whitney))

Cunoașterea fizicii este utilă atât în ​​situațiile de zi cu zi, cât și în profesiile non-științifice. Vă poate ajuta să înțelegeți cum funcționează cuptoarele cu microunde, de ce nu ar trebui să fie introduse metalele în ele și de ce ar putea afecta stimulatoarele cardiace. Fizica vă permite să înțelegeți pericolele legate de radiații și să evaluați aceste pericole rațional și mai ușor. Fizica explică, de asemenea, motivul pentru care un radiator negru de mașină ajută la eliminarea căldurii într-un motor, și explică de ce un acoperiș alb ajută la menținerea răorii n interiorul unei case. În mod similar, funcționarea sistemului de aprindere al unei mașini, precum și transmiterea semnalelor electrice în întregul sistem nervos al organismului, sunt mult mai ușor de înțeles când vă gândiți la ele în termenii fizicii de bază.

Fizica este un element cheie al multor discipline importante și contribuie direct la altele. Chimia, de exemplu, deoarece se ocupă de interacțiunile atomilor și moleculelor, are legături strânse cu fizica atomică și moleculară. Majoritatea ramurilor de inginerie se ocupă cu proiectarea de noi tehnologii, procese sau structuri în limitele impuse de legile fizicii. În arhitectură, fizica se află în centrul stabilității structurale și este implicată în acustică, încălzirea, iluminarea și răcirea clădirilor. Geologia se bazează în mare măsură pe fizică, de ex. pentru datarea radioactivă a rocilor, analiza cutremurelor și transferul de căldură din interiorul Pământului. Unele discipline, cum ar fi biofizica și geofizica, sunt hibrizi între fizică și alte discipline.

Fizica are multe aplicații în științele biologice. La nivel microscopic, ajută la descrierea proprietăților celulelor și a mediilor lor. La nivel macroscopic, explică lucrul mecanic, căldura și puterea asociată cu corpul uman și diferitele sale sisteme de organe. Fizica este implicată în diagnosticarea medicală, cum ar fi radiografiile, imagistica prin rezonanță magnetică și măsurătorile fluxului sanguin cu ultrasunete. Terapia medicală uneori implică direct fizica; de exemplu, radioterapia cancerului utilizează radiații ionizante. Fizica explică de asemenea fenomenele senzoriale, cum ar fi modul în care instrumentele muzicale fac sunetul, modul în care ochiul detectează culoarea și modul în care laserele transmit informații.

Nu este necesar să studiem în mod oficial toate aplicațiile fizicii. Ceea ce este cel mai util este cunoașterea legilor de bază ale fizicii și dezvoltarea abilităților în metodele analitice de aplicare a acestora. De asemenea, studiul fizicii poate îmbunătăți abilitățile de rezolvare a problemelor. Mai mult, fizica păstrează cele mai importante aspecte ale științei, deci este folosită de toate științele, iar studiul fizicii face mai ușor de înțeles și alte științe.

Scara fizicii

Din discuția de până acum, ar trebui să fie clar că pentru a atinge obiectivele în oricare dintre diferitele domenii ale științelor naturii și ale ingineriei, este necesară o fundamentare temeinică în legile fizicii. Motivul pentru aceasta este pur și simplu că legile fizicii guvernează totul în universul observabil la toate scările măsurabile de lungime, masă și timp. Acum, pentru a înțelege ceea ce înseamnă cu adevărat, trebuie să facem o evaluare cantitativă. Deci, înainte de a studia diferitele scale pe care fizica ne permite să le explorăm, să analizăm mai întâi conceptul de „ordine de mărime”, pe care îl folosim pentru a concilia cu gamele largi de lungime, masă și timp pe care le considerăm în acest text (Figura 1.3).

Fenomene fizice ((a) Folosind un microscop de scanare prin tunelare, oamenii de știință pot vedea atomii individuali (diametre de 10-10 m) care compun aceasta folie de aur. (b) Fitoplanctonul mic înoată între cristalele de gheață din Marea Antarctică. (c) Aceste două galaxii care se ciocnesc, cunoscute sub numele de NGC 4676A (dreapta) și NGC 4676B (stânga ), sunt poreclite „Șoarecii” din cauza cozii de gaz emise de fiecare dintre ele. Acestea sunt situate la 300 de milioane de ani-lumină de Pământ în constelația Coma Berenices. În cele din urmă, aceste două galaxii se vor uni într-una. (credit a: „Erwinrossen”/Wikimedia Commons, credit b: Prof. Gordon T. Taylor, Universitatea Stony Brook, colecțiile Corp NOAA, credit c: NASA, H. Ford (JHU), G. Illingworth (UCSC / LO), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), ACS Science Team și ESA))

Ordin de mărime

Ordinul de mărime a unui număr este puterea lui 10 care se apropie cel mai mult de el. Astfel, ordinul de mărime se referă la scara (sau mărimea) unei valori. Fiecare putere a lui 10 reprezintă un ordin de mărime diferită. De exemplu, 101, 102, 103 și așa mai departe, sunt toate ordine de mărime diferite, așa cum sunt 100 = 1, 10-1, 10-2 și 10-3. Pentru a găsi ordinul de mărime a unui număr, luați logaritmul în bază 10 al numărului și rotunjiți-l la cel mai apropiat număr întreg, atunci ordinul de mărime a numărului este pur și simplu puterea rezultată a lui 10. De exemplu, ordinul de mărime al lui 800 este 103 deoarece log10800 ≈ 2,903, care se apropie de 3. În mod similar, ordinul de mărime al lui 450 este tot 103, deoarece llog10450 ≈ 2,653, care rotunjit este tot 3. Astfel, spunem că numerele 800 și 450 sunt de același ordin de mărime: 103. Cu toate acestea, ordinul de mărime al lui 250 este 102, deoarece log10250 ≈ 2,397, care se rotunjește la 2.

O modalitate echivalentă dar mai rapidă de a găsi ordinul de mărime al unui număr este mai întâi să îl scrieți în notație științifică și apoi să verificați dacă primul factor este mai mare sau mai mic decât √10 = 100,5 ≈ 3. Ideea este că √10 = 100,5 este la jumătatea distanței între 1 = 100 și 10 = 101 pe o scară de bază 10 a logaritmului. Astfel, dacă primul factor este mai mic decât √10, atunci îl rotunjim la 1 și ordinul de mărime este pur și simplu orice putere a lui 10 necesară pentru a scrie numărul în notația științifică. Pe de altă parte, dacă primul factor este mai mare de √10, atunci îl rotunjim până la 10, iar ordinul de mărime este o putere a lui 10 mai mare decât puterea necesară pentru a scrie numărul în notația științifică. De exemplu, numărul 800 poate fi scris în notație științifică în forma 8 x 102. Pentru că 8 este mai mare decât √10 = 100,5 ≈ 3, spunem că ordinul de mărime al lui 800 este 102 + 1 = 103.

Numărul 450 poate fi scris ca 4,5 X 102, deci ordinul său de mărime este de asemenea 103 deoarece 4,5 este mai mare decât 3. Dar 250 scris în notație științifică este 2,5 x 102 și 2,5 este mai mic decât 3, deci ordinul său de mărime este 102.

Ordinul de mărime al unui număr este concepută să fie o estimare brută a scalei (sau mărimii) valorii sale. Este pur și simplu o modalitate de rotunjire a cifrelor în mod consecvent la cea mai apropiată putere a lui 10. Aceasta face mai ușoară efectuarea de matematici mintale cu numere foarte mari și foarte mici. De exemplu, diametrul unui atom de hidrogen este de ordinul a 10-10 m, în timp ce diametrul Soarelui este de ordinul a 109 m, deci ar fi nevoie de aproximativ 109/10-10 = 1019 atomi de hidrogen pentru a se întinde de-a lungul diametrului Soarelui. Acest lucru este mult mai ușor de făcut în cap decât prin ​​folosirea valorilor mai precise de 1,06 x 10-10 m pentru un diametru al atomului de hidrogen și de 1,39 x 109 m pentru diametrul Soarelui, pentru a constata că ar fi nevoie de 1,31 x 1019 atomi de hidrogen pentru a se întinde de-a lungul diametrului Soarelui. Pe lângă faptul că este mai ușor, estimarea brută este, de asemenea, aproape la fel de informativă ca și calculul precis.

Intervale cunoscute de lungime, masă și timp

Imensitatea universului și amploarea intervalelor în care se aplică fizica sunt ilustrate de o gamă largă de exemple de lungimi, mase și timpuri cunoscute (date ca ordine de mărime) din Figura 1.4. Examinarea acestui tabel vă va oferi o idee pentru o gamă de posibile subiecte din fizică, cu valori numerice. O modalitate bună de a aprecia amploarea intervalelor de valori din Figura 1.4 este de a încerca să răspundem la câteva întrebări comparative simple, cum ar fi următoarele:

  • Câți atomi de hidrogen pot intra în diametrul Soarelui?

(Răspuns: 109 m/10-10 m = 1019 atomi de hidrogen)

  • Câți protoni există într-o bacterie?

(Răspuns: 10-15 kg/10-27 kg = 1012 protoni)

  • Câte operațiuni cu virgulă mobilă poate efectua un supercomputer în 1 zi?

(Răspuns: 105 s/10-17 s = 1022 operațiuni cu virgulă mobilă)

Ordinele de mărime ale lungimii, masei și timpului (Acest tabel arată ordinele de mărime ale lungimii, masei și timpului.)

Sursa: Traducere din cartea ”University Physics”, care se poate descărca gratuit în limba engleză la https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-1

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *