Klasična fizika
Klasična fizikaje područjefizikerazvijeno prije 1900. godine i utemeljena na Newtonovim zakonima mehanike (Newtonovi zakoni gibanjaiNewtonov zakon gravitacije) iMaxwellovim jednadžbama elektromagnetizma,to jestklasična mehanika,termodinamika,statistička fizika,kinetička teorija plinova,elektromagnetizamioptika.Potkraj 19. stoljeća teorije klasične fizike nisu mogle objasniti tada opažene eksperimentalne pojave:fotoelektrični učinak(emisijuelektronaizmetalapod djelovanjemsvjetlosti),Comptonov učinak(raspršenjesvjetlosti naelektronu),toplinsko zračenjeugrijanih krutih tijela (zračenjecrnog tijela), linijskispektaratoma i neovisnostbrzine svjetlostio brzini gibanja izvora svjetlosti (Michelson-Morleyjev pokus). Objašnjavanje tih pojava dovelo je dokvantne mehanikeirelativističke fizike.[1]
Temelje klasične fizike postavili su u 16. i 17. stoljećuGalileo GalileiiIsaac Newtonotkrivanjem zakona mehanike. Osim što je postavio svoja3 zakona gibanja(s pomoću kojih i danas proučavamo gibanja tijela u svakodnevnim uvjetima), Newton je odredio iOpći zakon gravitacije(koji točno objašnjava zamršena gibanjaplaneta,ali je i uzorom za kasnije popisivanje električnih i magnetskih sila). Procvat otkrića iz toga doba vodi u razvoj klasične fizike, koja uz mehaniku obuhvaća itermodinamiku,optiku,akustikuteelektromagnetizam.
U drugoj polovici 19. stoljećaJames Clerk Maxwellpostavio je prvo ujedinjenje sila uvođenjem pojma fizikalnog polja (zaslugu za svoje djelo Maxwell daje svojemu prethodnikuMichaelu Faradayu,koji je uveo silnice, a ovaj pak za to smatra zaslužnimRuđera Boškovićai njegove točkaste izvore sila). Ondašnje ukupno znanje oelektricitetuimagnetizmuMaxwell sažimlje u 4 zakona elektromagnetizma, koja mu potom omogućuju predviđanje postojanjaelektromagnetskih valova(godine 1867. predlaže da je i vidljivasvjetlostelektromagnetski val).Maria Skłodowska-Curieotkrila je da sekemijski elementimogu pretvarati jedni u druge i protumačila jeradioaktivnost1898.
Mehanika(kasnolat.mechanica<grč.μηχανιϰὴ[τέχνη], odμηχανιϰός:domišljat) je grana fizike koja proučava tijela ugibanju.Klasična mehanika dijeli se nakinematiku,dinamikuistatiku.Kinematika se bavi geometrijom gibanja tijela bez obzira na uzroke gibanja; postavlja vezu među elementima gibanja (putanja,brzina,ubrzanjei tako dalje) te proučava posebnosti različitih vrsta gibanja (translacija, rotacija, sferno gibanje i slično). Dinamika se bavi djelovanjemsilana tijelo kao uzrokom gibanja; postavlja jednadžbe gibanja i opće zakone dinamike, kao što su zakonkinetičke energije,zakonkoličine gibanja,kinetičkoga momenta i slično. Statika proučava ravnotežu tijela i postavlja uvjete za sile kako bi se taravnotežauspostavila. Prema tijelima kojih gibanje odnosno ravnotežu proučava, može biti: mehanika krutih tijela, mehanika čvrstih tijela ilinauka o čvrstoći,temehanika fluida(hidromehanika;aeromehanika). Mehanika krutih tijela bavi se proučavanjem gibanja i ravnoteže tijela kod kojih se relativni položaj točaka tijela ne mijenja. Često je dovoljno proučavati samo gibanjetežišta,što se onda svodi na mehaniku čestice (materijalne točke). Mehanika čvrstih tijela ilinauka o čvrstoćiproučava promjene oblika (pomaci,deformacije) i unutrašnje sile (naprezanje) čvrstih tijela, koja mogu bitielastična,plastična,visokoelastična i slično. Zakone mehanike primijenjene za potrebegrađevinarstva,strojarstva,gradnje brodova,zrakoplova i tako dalje proučava primijenjena ili tehnička mehanika. Specifična su područja mehanikenebeska mehanikaistatistička mehanika,a prema metodi rješavanja problema razlikuje se i eksperimentalna mehanika.[2]
Termodinamikaje dio nauke o toplini koji proučava pretvorbutoplineumehanički radi obratno. Osnivačem moderne termodinamike smatra seNicolas Léonard Sadi Carnot,koji je u svojem esejuRazmišljanja o pokretačkoj moći vatre(fran.Réflexions sur la puissance motrice du feu,1824.) dao principe rada idealnogatoplinskoga stroja.Eksperimentalne osnove termodinamike postavio jeJames Prescott Jouleu nizupokusa(1840. – 1843.), koji su nedvojbeno dokazali da se prijelaz rada u toplinu odvija uvijek po istim kvantitativnim zakonima. Bit termodinamike čine njezini osnovni zakoni:
- Nulti zakon termodinamikeodređujetemperaturukao funkciju stanja sustava. Ako su dva sustava u ravnoteži s trećim, onda su i međusobno u ravnoteži. Ta postavka traži da su im u tom slučaju i jednake temperature.
- Prvi zakon termodinamikeizveo jeHermann von Helmholtz(1847.) na temelju Jouleovih i Carnotovih radova. Prema tom je zakonu zbroj količina topline i mehaničkog rada u zatvorenom sustavu stalan. Zakon se dakle bavi pretvorbom toplinskeenergijeu mehaničku.
- Drugi zakon termodinamikeupućuje na smjer u kojem se odvija pretvorba toplinske energije u mehaničku. Do toga je zakona došao već Carnot 1824. On je proučavao idealne uvjete prelaska topline u rad i zaključio da su za prelazak topline u rad potrebna dva spremnika topline na različitoj temperaturi; prelaskom topline iz toplijega spremnika u hladniji samo se dio topline pretvara u rad, a ostatak topline prelazi u spremnik niže temperature (gubitak). Bit je drugoga zakona termodinamike da se pri prelasku topline u rad dio topline uvijek gubi.
Prva dva zakona termodinamike mogu se odrediti i kao nemogućnostperpetuuma mobile(latinski:neprestano pokretljivo) 1. i 2. vrste: perpetuum mobile 1. vrste bio bi toplinski stroj koji bi radio bez ulaganja energije, a perpetuum mobile 2. vrste bio bi stroj koji bi toplinu iz jednoga spremnika izravno i bez posrednika pretvarao u rad. Neostvarivostperpetuuma mobileobiju vrsta iz mnogobrojnih pokusa je dokaz za prvi i drugi zakon termodinamike.[3]
Statistička fizikaje granateorijske fizikekoja objašnjava makroskopska svojstva tvari kao posljedicu zakona gibanjaatomaimolekula.Njezina je osnovna pretpostavka da se promatrani fizikalni sustav sastoji od velikoga broja čestica. Odstupanja od termodinamičkog opisa su to veća, ili vjerojatnija, što je sustav manji. Makroskopske veličine (tlak,temperaturate iz njih izvedene veličine poputtoplinske vodljivosti) uvode se s pomoću prosječnih vrijednosti mehaničkih parametara čestica (položaj,brzina,količina gibanja,kinetička energija) u faznom prostoru.[4]
Kinetička teorija plinovaje tumačenje makroskopskih svojstavaplinovana temelju gibanja njihovih molekula. Osnovne su postavke teorije:
- molekulesu najmanji djelići tvari koji sadrže kemijska svojstva makroskopske tvari;
- molekule su u stalnom, kaotičnom gibanju (kinetička energijamolekularnoga sustava predstavljatoplinu);
- međusobno djelovanje molekula i njihovo djelovanje na stijenke posude u kojoj se plin nalazi može se smatrati, na bazi klasične mehanike, kao sudari;
- zbog velikoga broja molekula primjenljive su metode statističke fizike.
Ako se zanemari međusobno djelovanje molekula, govori se o idealnom plinu, za koji se jednostavno izračunavaju temeljne termodinamičke veličine: tlak, temperatura i specifičnitoplinski kapacitet.Kinetičkom teorijom plinova objašnjavaju se i druge pojave, primjericedifuzija,Brownovo gibanje,viskoznostitoplinska vodljivost.Zarealne plinoveteorija daje ili približne rezultate, primjenljive u određenom rasponu temperatura i tlakova, ili se u razmatranje moraju uključitipotencijalna energijate svojstva molekula koja utječu na njihovo međudjelovanje i koja, općenito uzevši, ovise o temperaturi.[5]
Elektromagnetizamje grana klasične fizike koja istražuje uzroke i uzajamnu povezanostelektričnihimagnetskihpojava, objašnjava svjetlosne pojave i zakone optike te sve ostale vrsteelektromagnetskih valova.Razvoj elektromagnetizma započeo je početkom 19. stoljeća pokusimaHans Christian ØrstedaiMichael Faradaya,proširio se teorijskim radovimaJames Clerk Maxwella,koji je sve zakonitosti elektromagnetizma sažeo u 4 jednadžbe (Maxwellove jednadžbe), pokusima i teorijskim radovimaHendrik Antoon LorentzaiHeinrich Rudolf Hertza,a vrhunac je dosegnuo u specijalnoj teoriji relativnostiAlbert Einsteina.[6]
Optika(premagrč.ὀπτιϰὴ[τέχνη]: [znanost] o vidu) je grana fizike koja se bavi svojstvima i širenjemsvjetlostite međudjelovanjem svjetlosti i tvari. Svjetlošću se naziva elektromagnetsko zračenje koje se sastoji od vidljivoga dijela spektra elektromagnetskih valova s rasponomvalnih duljinaod 380 do 780nm,koje ljudsko oko razlikuje kao boje, od ljubičaste s najmanjom do crvene s najvećom valnom duljinom. U širem smislu, optika se bavi iinfracrvenim,ultraljubičastim,a djelomice irendgenskim zračenjem.Klasična se optika dijeli na geometrijsku i valnu (fizikalnu) optiku, dok su novije grane nelinearna, neslikovna i kvantna optika.[7]
Akustika(grč.ἀϰουστıϰός:slušni) je grana fizike koja se bavi proučavanjem nastajanja, širenja i osjetomzvuka.Izvori zvuka su tijela koja titrajufrekvencijomod 16 do 20 000Hzu nekom elastičnom sredstvu, na primjer napeta struna ili glazbena vilica u zraku. Najjednostavniji je oblik titranja izvora zvuka harmoničko titranje. Harmoničko titranje stvara harmoničke valove. Čistitonnastaje ako se frekvencija titranja ne mijenja. Složeni tonovi sadrže više frekvencija. Po Fourierovu teoremu složeni ton može se prikazati kao zbrojsinusnihtitranja osnovnom frekvencijom (ν0) i višim harmonicima frekvencijen · ν0,(n= 1, 2, 3,...). Šum je posljedica potpuno nepravilna titranja. Valovi nastali titranjem izvora frekvencijom većom od 20 kHz opisuju se kaoultrazvuk(mogu ih čuti neke životinje, na primjer psi i šišmiši), a frekvencijom manjom od 16 Hz kaoinfrazvuk(mogu ih čuti na primjer patke i slonovi).
Brzina zvučnih valova ovisi o sredstvu kroz koje se ti valovi šire. Tako jebrzina zvukau zraku (tlaka101,3 kPa itemperature0 °C) 331 m/s, u vodi 1485 m/s, a u staklu 5500 m/s. Ako se izvor ili prijamnik zvučnih valova gibaju u odnosu na sredstvo kroz koje se valovi šire, prijamnik bilježi promjenu frekvencije (Dopplerov učinak). Zvučni valovi prenose energiju (jakost zvuka). Ljudsko uho osjeća zvukom izazvanu promjenu tlaka zraka (akustičkitlak). Za zvučni val frekvencije 1 kHz i jakosti koja odgovara pragu čujnosti (ććI0ćć = 10–12 W/m²), amplituda pomaka čestice iznosi oko 10–11 m, dok je amplituda akustičkoga tlaka oko 2 · 10–5Pa.Za zvuk na granici bola pomak je čestice 10–5 m, a akustički tlak 30 Pa. Glasnoća zvuka jest osjet jakosti zvuka u ljudskom uhu. Ovisi o jakosti i frekvenciji zvuka. Razina glasnoće izražena ufonimajest, dogovorno, jednaka razini jakosti udecibelimaza zvuk frekvencije 1000 Hz u cijelom području od granice čujnosti do granice bola. Početci akustike pripisuju sePitagorinimpokusima stitranjemniti. RadoviJohn William Strutt Rayleighabili su bitan prinos razvoju moderne akustike u 19. stoljeću.[8]
- ↑klasična fizika,[1]"Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.
- ↑mehanika,[2]"Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
- ↑termodinamika,[3]"Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
- ↑statistička fizika,[4]"Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
- ↑kinetička teorija plinova,[5]"Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
- ↑elektromagnetizam,[6]"Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
- ↑optika,[7]"Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
- ↑akustika,[8]"Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.