Klasická fyzika je ideální pro řešení všech technických problémů lidské povahy, stejně jako pro vysvětlení struktury sluneční soustavy a vesmíru, a nabízí odpovědi, které zcela neuspokojují všechny kosmologické pochybnosti.
Dnes jsme vám chtěli poskytnout velmi komplexní informace o klasické fyzice, abyste získali mnohem realističtější pochopení různých otázek, které vyvstávají kolem této úžasné vědy, jak se liší od moderní fyziky a jaké jsou její hlavní obory studia, aplikace a limity.
Klasická fyzika
Tento termín se používá k označení fyziky, která existovala před příchodem kvantové mechaniky. Zahrnuje různé základní studijní obory , jako je termodynamika, optika, akustika, elektromagnetismus a mechanika, mimo jiné. Termín klasická fyzika se také často používá k označení fyziky vyvinuté před konsolidací hlavních koncepčních změn moderní fyziky; historicky mnoho autorů považuje klasickou fyziku za součást vývoje před rokem 1900, zatímco moderní fyzika zahrnuje pokrok od roku 1900. Příchod kvantové mechaniky a teorie relativity dal tomu, co bylo považováno za klasickou fyziku, novou perspektivu a omezil její rozsah na určité rozsahy rychlosti, velikosti a energie.
Z technického hlediska je klasická fyzika založena na deterministických principech : pokud známe aktuální stav fyzikálního systému (polohu, rychlost, síly, které na něj působí, atd.), můžeme přesně předpovědět jeho budoucí stav pomocí matematických zákonů. V tomto rámci chování těles nezávisí na náhodě, ale na dobře definovaných příčinách.
V klasické fyzice lze rozlišit dva hlavní přístupy:
- Klasická newtonovská (předrelativistická) fyzika, založený na Newtonových zákonech, vhodný pro popis pohybu těles při nízkých rychlostech ve srovnání s rychlostí světla a v běžných měřítkách.
- Relativistická klasická fyzikaZahrnuje teorie speciální a obecné relativity, ale zůstává klasickou v tom smyslu, že nepoužívá kvantové koncepty. Přesně popisuje jevy při rychlostech blízkých rychlosti světla a v intenzivních gravitačních polích, přičemž si stále zachovává kontinuální pohled na prostor a čas.
Stručně řečeno, když mluvíme o klasické fyzice, máme na mysli teorie, které s velkou přesností popisují jevy pohybující se rychlostí nižší než rychlost světla a v makroskopickém měřítku (planety, stroje, tekutiny, struktury atd.) a které jsou stále nezbytné v inženýrství, stavebnictví, akustice, tradiční optice a mnoha současných technologických procesech.
Moderní fyzika
Než přistoupíme k vysvětlení různých odvětví klasické fyziky, je nutné ji odlišit od moderní fyziky. Moderní fyzika vzniká tehdy, když se klasické modely ukážou jako nedostatečné k vysvětlení určitých jevů, jako je záření vyzařované horkými tělesy, fotoelektrický jev nebo chování atomů a elementárních částic.
Max Planck zahájil svůj výzkum „kvanta“ energie studiem toho, jak energie není vyzařována spojitě, ale v diskrétních balíčcích zvaných kvanta. Tyto myšlenky vydláždily cestu kvantové mechanice, která vysvětluje, že energie a hmota vykazují dvojí chování (někdy jako částice a někdy jako vlny) a že existují limity přesnosti, s jakou můžeme měřit určité fyzikální veličiny.
Tehdy se zrodila tato nová větev fyziky, která se zabývá studiem variací existujících v atomech, různým chováním hmoty a silami, které obojí řídí. Moderní fyzika studuje jevy, které se vyskytují v extrémních měřítkách: rychlosti blízké rychlosti světla, mikroskopické nebo subatomární rozměry a velmi vysoké nebo velmi nízké energie.
Navíc nově vznikající problémy nebylo možné vyřešit pomocí klasických fyzikálních přístupů, což si vyžádalo přehodnocení klasického výzkumu a předpokladů . Moderní fyzika přijímá koncepty jako pravděpodobnost, neurčitost a zakřivený časoprostor, aby přizpůsobila studium přírody těmto novým měřítkům.
Ačkoli se klasická a moderní fyzika liší, vzájemně se nevylučují. V rozmezí rychlostí a velikostí, s nimiž se setkáváme v každodenním životě, zůstávají klasické rovnice vysoce přesné a praktické ; moderní fyzika je vyhrazena pro ty jevy, kde klasické teorie selhávají.
Rozdíly mezi klasickou fyzikou a moderní fyzikou
Pro lepší pochopení toho, co klasická fyzika studuje, je užitečné porovnat ji s moderní fyzikou z několika klíčových hledisek:
- Měřítko studieKlasická fyzika se zaměřuje na makroskopické systémy, jako jsou planety, tekutiny, stroje, struktury nebo projektily. Moderní fyzika se naopak zaměřuje na atomy, elementární částice a vesmír ve velkém měřítku, stejně jako v subatomárních jevech.
- Rozsah rychlostíKlasická fyzika popisuje pohyby rychlostmi hluboko pod rychlostí světlaModerní fyzika spolu s relativitou analyzuje situace, kdy se rychlosti blíží rychlosti světla a kde jsou relativistické efekty významné.
- Deterministický nebo pravděpodobnostní charakterKlasická fyzika je v podstatě deterministickýBudoucnost uzavřeného systému závisí výhradně na jeho současném stavu. Moderní fyzika, zejména kvantová fyzika, zavádí nejistota a pravděpodobnost jako základní prvky při popisu stavů systému.
- Pojem prostoru a časuV klasické fyzice se prostor a čas uvažují nezávislý a absolutníV moderní fyzice jsou chápány jako relativní a sjednocené v entitě zvané vesmírný čas, který se může zakřivit v přítomnosti hmoty a energie.
- Typ jevů, které vysvětlujeKlasická fyzika se úspěšně zabývá jevy, jako je gravitace v lidském měřítku, elektřina, magnetismus a chování tekutin. Moderní fyzika se zabývá... základní interakce vyjádřeno prostřednictvím polí a částic (jako jsou fotony, bosony nebo fermiony) a ponořuje se do niterné struktury hmoty.
- Hlavní aplikaceKlasické modely jsou základem inženýrství, stavebnictví, mechanika, akustika a tradiční optikaModerní modely to umožňují elektronika, polovodiče, jaderná energiefyzika částic a pokročilá kosmologie.
Jaká jsou odvětví klasické fyziky?
Pro lepší pochopení vědy byly její hlavní obory v průběhu času klasifikovány. To umožnilo lidstvu efektivněji pracovat v těchto oblastech a sdělovat světu nové poznatky z těchto oborů. V rámci klasické fyziky jsou nejdůležitějšími obory: akustika, mechanika, elektromagnetismus, mechanika tekutin, optika a termodynamika.
Akustika
Lidské ucho je uzpůsobeno k vnímání vln, vln, které je nutné studovat, aby se určily jejich vlnové délky a schopnosti. Proto se zrodila akustika; tato oblast klasické fyziky je zodpovědná za studium všech mechanických vlnových vibrací , které se šíří hmotným médiem (vzduch, voda, pevné látky), aby je bylo možné nakonec interpretovat jako zvuky.
Studium akustiky zahrnuje hudbu, geologické, podvodní a atmosférické jevy; obecně je tato oblast fyziky zodpovědná za studium zvuků vyzařovaných v pozemském poli , včetně infrazvuku (frekvence nižší než ty, které lidské ucho dokáže vnímat) a ultrazvuku (vyšší frekvence).
Akustika se navíc uplatňuje v tak rozmanitých oblastech, jako například:
- Akustické inženýrství pro návrh koncertních sálů, auditorií a nahrávacích studií s optimální kvalitou zvuku.
- Architektonická akustika, zodpovědný za kontrolu šíření zvuku v budovách, školách, domech a kancelářích.
- Podvodní akustika, klíčový pro komunikaci mezi ponorkami, pro průzkum oceánu a pro studium mořského života.
- Akustika prostředí, která se zabývá hlukovým znečištěním a regulací hluku v městském prostředí.
Na druhé straně existuje psychoakustika , která studuje fyzikální a psychologické účinky, které vznikají v biologických systémech při vnímání zvuku, a analyzuje, jak mozek interpretuje intenzitu, výšku, zabarvení a prostorové umístění zdrojů zvuku.
Mechanika
Tato oblast fyziky se zabývá fyzikálními tělesy, když jsou vystavena silám vychylování, a samozřejmě účinky, které tyto síly vyvolávají. Popisuje, jak a proč se objekty pohybují, nebo proč zůstávají v klidu.
Je považována za subdisciplínu, která se zabývá studiem fyzikálních jevů, které se vyskytují u objektů vystavených fyzikálním silám, a to jak u částic v klidu, tak u těch, které se pohybují, za předpokladu, že jejich rychlost je výrazně menší než rychlost světla.
V rámci klasické mechaniky lze rozlišit několik oblastí:
- Statická mechanikaStuduje tělesa v rovnováze, tj. když je součet sil a momentů nulový.
- Kinematická mechanikaPopisuje pohyb bez ohledu na jeho příčiny, analyzuje trajektorie, rychlosti a zrychlení.
- Dynamická mechanikaVztahuje pohyb k silám, které ho vyvolávají, a to hlavně pomocí Newtonových zákonů.
Jeho aplikace zahrnují strojírenství, konstrukci strojů, predikci trajektorií projektilů a vozidel , stejně jako analýzu struktur a studium pohybů ve sportu nebo v biomechanice lidského těla.
Elektromagnetismus
Magnetismus a elektřina pocházejí z elektromagnetických sil; elektromagnetismus je proto odvětví klasické fyziky, které popisuje proces interakce mezi elektřinou a magnetismem ve formě polí a sil.
Pro hlubší pochopení této fyzikální oblasti je nezbytné zdůraznit, že magnetické pole je vytvářeno pohybujícím se elektrickým proudem a toto magnetické pole může indukovat elektrický proud nebo naopak pohyb náboje. Tento vzájemný vztah je formalizován v Maxwellových rovnicích, které sjednocují popis klasických elektrických, magnetických a optických jevů.
Elektromagnetismus byl zpočátku považován především za studium jevů souvisejících s bleskem a zářením, které produkoval jako světelný efekt. Postupem času se chápalo, že světlo je elektromagnetická vlna , která se šíří prostorem, a tak se propojila elektřina, magnetismus a optika.
Magnetismus byl přítomen i v předmětech, jako jsou kompasy, které se ve starověku používaly k navigaci. Tato zařízení se spoléhají na interakci mezi magnety a magnetickým polem Země.
Fenomén klidových částic pozorovaly již starověké kultury; například Římané pozorovali, že tření hřebenu přitahuje malé částice, a další národy si všimly podobných účinků u materiálů, jako je jantar. Stručně řečeno, byl učiněn závěr, že stejné náboje se odpuzují a opačné náboje se přitahují – základní principy klasické elektrostatiky.
Klasický elektromagnetismus je dnes nezbytný pro pochopení a navrhování elektrických obvodů, motorů, generátorů, antén, telekomunikačních systémů a tradičních elektronických zařízení , mimo jiné technologií.
Mechanika tekutin
Tato větev klasické fyziky studuje existující proudění kapalin a plynů; z této větve vznikají další podoblasti, jako je hydrodynamika a aerodynamika , které analyzují pohyb kapalin a plynů.
Mechanika tekutin se uplatňuje v následujících disciplínách: výpočet sil působících na letadla (návrh křídel, trupů a řízení letu), studium transportu ropy a plynu v potrubích , návrh ventilačních a klimatizačních systémů, optimalizace čerpadel a turbín, jakož i při predikci klimatických faktorů, jako je vítr, oceánské proudy nebo vznik hurikánů.
Tato větev analyzuje vlastnosti, jako je tlak, viskozita, hustota a rychlost proudění , což umožňuje modelování všeho od proudění krve v lidském těle až po chování atmosféry.
Optické
Tato větev klasické fyziky se zabývá studiem vizuálních jevů a vlastností světla , včetně jeho možných interakcí s hmotou. Analyzuje, jak se světlo šíří, odráží, láme, rozptyluje a je absorbováno v různých médiích.
Popište všechny procesy, které probíhají ve viditelném, ultrafialovém a infračerveném záření. Je to proto, že světlo je primárně elektromagnetická vlna, stejně jako rentgenové záření, mikrovlny a rádiové vlny, které sdílejí společné vlastnosti, přestože mají různé frekvence a energie.
Klasická optika se obecně dělí na:
- Geometrická optika, která studuje šíření světla jako přímých paprsků a vysvětluje funkci čoček, zrcadel a systémů pro tvorbu obrazu.
- Fyzikální optika, která se zabývá vlnovou povahou světla a analyzuje jevy, jako je interference, difrakce a polarizace.
Tato oblast je základem mnoha oborů , jako je medicína (endoskopy, chirurgické lasery, diagnostické zobrazovací systémy), fotografie, astronomie (dalekohledy a observatoře), inženýrství (senzory a optická vlákna) a komunikace (přenos dat optickými kabely).
Termodynamika
Pokračujeme termodynamikou. Tato oblast fyziky studuje vliv práce, energie a tepla na specifický systém. V rámci klasické fyziky je to relativně nová oblast fyziky , protože se silně vyvinula ze studia parních strojů a procesů přeměny tepla na mechanickou práci. Stručně řečeno, termodynamika se zabývá pozorováním, popisem a měřením různých jevů, které se vyskytují při transformaci energie.
Malé interakce plynů, ke kterým dochází v mikroskopickém měřítku, jsou nazývány nebo popisovány kinetickou teorií plynů . Tyto pojmy jsou vzájemně propojeny, aby doplňovaly metody popisující makroskopickou termodynamiku a kinetickou teorii.
Termodynamiku řídí základní zákony, včetně tzv. prvního zákona (zákon zachování energie ve formě tepla a práce) , druhého zákona (entropie a přirozený směr procesů) a nultého zákona (definice a tranzitivita teploty). Tyto principy nám umožňují pochopit, proč jsou některé procesy nevratné, jaká je maximální teoretická účinnost tepelného motoru a jak systémy dosahují rovnováhy při výměně tepla.
Klasická termodynamika se uplatňuje při konstrukci spalovacích motorů, tepelných elektráren, chladicích a klimatizačních systémů , stejně jako při studiu fázových změn (tání, odpařování, kondenzace) a v mnoha průmyslových procesech, kde se pracuje s energií a teplem.
Ačkoli moderní fyzika rozšířila obzory poznání, klasická fyzika zůstává nezbytným nástrojem vědeckého a technického vzdělávání , protože poskytuje základní koncepty, které nám umožňují chápat svět v lidském měřítku a podporují většinu každodenních technologií.
Po seznámení se s jejími odvětvími je zřejmé, že klasická fyzika není zastaralou disciplínou, ale spíše pilířem, na kterém je založeno inženýrství, mnoho aplikovaných věd a moderních teorií a nabízí společný jazyk pro popis hmoty, energie a jejich interakcí.