Механика

Механиката е един от основните раздели на физиката, който най-общо се занимава с изучаване на движението на материалните тела.

Дялове на механиката

  • Кинематика – раздел, изучаващ геометричните свойства на движението на телата без да се отчита тяхната маса и действащите им сили. Кинематиката изследва способите за описване на движението и връзката между величините, които го характеризират.
  • Динамика – раздел, изучаващ взаимодействието между телата при механичното им движение.
  • Статика – изучава условията на равновесие на материалните точки или техните системи, намиращи се под въздействие на сили.
  • Класическа механика – изучава законите на движение на макроскопични тела със скорости, значително по-ниски от тези на светлината.
  • Квантова механика – изучава законите на движение на микроскопичните тела (частици на субмолекулярно ниво).
  • Релативистична механика – разглежда законите на механичното движение на телата при скорости, сравними с тези на светлината във вакуум.

Дялове на механиката с практическа насоченост

Съпротивление на материалите, практически насочен дял, занимаващ се с устойчивостта и деформируемостта на материалните обекти, детайли, съоръжения и машини. Основните обекти на изучаване са гредите и пластините, за които се установяват съответните методи на изчисление на якост и устойчивост при въздействие на статични и/или динамични натоварвания. Съпротивлението на материалите се базира на законите и изводите на теоретичната механика, а също така отчита и способността на материалите за деформация по въздействие на външни и вътрешни сили.

Друг практически раздел е механика на тела с променлива маса, изучаващ движение на тела, чиято маса се променя с течение на времето, в резултат на отделяне или присъединяване на материални частици. Такива задачи възникват при движението на ракети, самолети, небесни тела и др.

  • Портал „Физика“
Време

Време е основно понятие във физиката и четвърто измерение в пространствено-времевия континуум. Според теорията на относителността има 3 пространствени и едно времево измерения. С него се измерва продължителността и последователността на състоянията и събитията. Времето е едно от седемте основни физични величини в SI. Единицата за време в SI е секундата (s).

Времето също е и много общо понятие. То е обект на интерес и от страна на поезията, живописта, психологията, философията и религията. Трудно е да се даде единно и непротиворечиво определение на понятието време, което да удовлетворява всички тези области.

Периодичните събития и периодичните движения още от древността служат като стандарт за измерване на времето. Примери за това са въртенето на Земята около Слънцето, фазите на луната, движението на махалото или биенето на сърцето.

Голяма полуос

В геометрията голяма полуос се отнася до елипси и хиперболи.

Движение

Движение в класическата физика се нарича промяната във времето на положението (координатите) на материална точка спрямо избрана инерциална отправна система и се описва със законите на Нютон. За описанието на движението са необходими следните величини: преместване , скорост , първа производна на преместването по времето и ускорение , втората производна на преместването по времето.

Ексцентрицитет (орбита)

В астродинамиката под стандартни условия всяка орбита на тяло е конично сечение. Ексцентрицитетът на това конично сечение, или още орбитален ексцентрицитет е важен параметър, който определя формата на орбитата. Ексцентричността определя в каква степен орбитата е "разтеглена". Терминът ексцентрицитет е образуван от латинските ex – "из", "от" и centrum – "център".

Ексцентрицитетът() е определен за всички кръгови, елиптични, параболични и хиперболични орбити и има следните стойности:

Енергия

Енергията (на старогръцки: ἐνέργεια – активност, работа) е скаларна физична величина, която характеризира способността на дадена система да променя състоянието на заобикалящата я среда или да извършва работа. Често се среща опростената дефиниция, че енергията на дадена система е способността ѝ да върши работа. Тази опростена дефиниция е удобна в класическата механика. Енергията е величина, която може да бъде приписана на всяка частица, предмет или система от тела. Съществуват различни форми на енергия, които често носят името на съответната сила.

Немският физик Херман фон Хелмхолц установява, че всички форми на енергия са еквивалентни и само се превръщат една в друга. При всички тези трансформации цялата енергия остава непроменена. Енергията не може да бъде създавана или унищожавана. Този принцип е известен като Закон за запазване на енергията, валиден е за всяка изолирана система и е директно следствие от това, че физичните закони не се променят с времето. Възможно е обаче енергията да зависи от отправната система.

Мерната единица в SI е джаул, но в някои други системи се ползват киловатчас или килокалория.

Импулс (механика)

Импулс или импулс на тяло във физиката е физична величина, свързана с определена отправна система и представляваща произведението на масата на тялото и неговата скорост .


Както се вижда от определението, импулсът е векторна величина и има посоката на скоростта. В системата SI единицата за импулс на тяло е kg.m/s (килограм по метър в секунда) или N.s (Нютон по секунда).

Навярно по исторически причини в българския език под „импулс“ се разбира това, което в чуждестранната литература се нарича момент (на английски: momentum или linear momentum), а под "момент на импулса" – това, което в чуждестранната литература се обозначава с angular momentum. При преводите трябва да се внимава, в противен случай се получава неточност.

Квантова механика

Квантовата механика е фундаментална физична теория, раздел от теоретичната физика, описващ поведението на елементарните частици и физичните явления, съпоставими по големина с константата на Планк. В микросвета квантовата механика замества класическата механика на Нютон и теорията на електромагнетизма, защото те не съумяват да обяснят наблюдаваните явления на атомно и субатомно ниво: предсказанията им се отличават съществено от предсказанията на квантовата механика. Като правило квантовите ефекти се наблюдават само при микроскопични мащаби, а класическата механика е валидна при макроскопични мащаби. Квантовата механика успешно описва и обяснява основните свойства и поведението на атомите, молекулите, йоните, кондензираните среди, електроните и фотоните.На свой ред квантовата механика представлява нерелативистко приближение на квантовата теория на полето.

Квантовата механика работи със следните основни понятия: състояние, уравнение на Шрьодингер, уравнение на фон Нойман, уравнение на Хайзенберг и уравнение на Паули. Те са свързани с различни раздели на математиката – теория на вероятностите, функционален анализ, векторен анализ, теория на групите и други.

Математическата функция, наречена вълнова функция, предоставя информация за вероятността на местоположението, скоростта и други физични свойства на частиците. Математическите действия с вълновата функция обикновено изискват разбиране на комплексните числа и линейните функционали. Тази функция третира обекта като квантов хармоничен осцилатор, което математически е равносилно на описанието на акустичен резонанс. Квантовата механика дава възможност за много по-динамични, хаотични възможности.

Най-ранните версии на квантовата механика са формулирани през първото десетилетие на XX век. По същото време корпускулярната теория на светлината и атомната теория (актуализирани от Айнщайн) за пръв път са широко приети като научен факт. Основите на квантовата механика са формулирани по нов начин в средата на 1920 година от Вернер Хайзенберг, Макс Борн, Волфганг Паули и техните сътрудници, а тълкуването на Нилс Бор в Копенхаген се приема повсеместно. До 1930 г. квантовата механика се обогатява допълнително с работите на Пол Дирак и Джон фон Нойман, като се акцентира на измерването, статистическия характер на нашето знание за действителността и философските разсъждения за ролята на наблюдателя. В средата и края на XX век се появяват много нови дисциплини, основани на квантовата механика – квантова химия, квантова електроника, квантова оптика и други.

Квантова теория на полето

Квантова теория на полето е раздел на физиката, изучаващ поведението на квантовите системи с безброй много степени на свобода. Тя е теоретична основа за описание на микрочастиците, техните взаимодействия и преобразувания. На квантовата теория на полето се основават физиката на елементарните частици и физиката на кондензираната материя. За момента квантовата теория на полето може да се приеме за ефективна полева теория, което означава, че съществува максимална енергия за която тя е приложима.

Математическият апарат на квантовата теория на полето е Хилбертовото пространство на състоянията и действащите в него оператори. Обектите в него са пространствени вектори, описващи възможните състояния на квантовото поле.

Основите на теорията се полагат през 1920-те, когато възниква необходимостта от създаване на квантова теория на електромагнитното поле. През 1926 година Макс Планк, Паскуал Джордан и Вернер Хайзенберг създават такава теория, като изразяват вътрешните степени на свобода на полето като безкраен набор хармонични трептения, използвайки процедурата за квантуване на тези трептения.

Предполага се, че квантовата механика лежи в основата на всички физични явления в природата. Класическата теория за полето би трябвало, поне на теория, да позволява промяна в някои от основните ѝ свойства в посока на квантовата механика, успехът дава Квантовата теория за полето. Например класическата електродинамика дава квантова електродинамика. Квантовата електродинамика е може би най-успешната научна теория, експериментални данни потвърждават своите прогнози за по-висока точност (до по-значителни цифри), отколкото всяка друга теория. Другите две фундаментални квантови теории за полето са квантовата хромодинамика и електрослабата теория. В квантовата хромодинамика цветовите линии на полетата са доближени на много малки разстояния от глуоните. Този ефект се увеличава в рамките на малко разстояние (около 1 FM от района на кварките), като по този начин кварките се обединяват в адрони. Тези три квантови теории могат да бъдат извлечени като специален случай в т.нар. стандартен модел на частиците. Теорията на относителността на Айнщайн, отнасяща се до гравитационните полета, тепърва предстои да бъде квантувана.

Класическа механика

В областта на физиката класическата механика е един от основните подраздели на механиката. Други подраздели са небесна механика, квантова механика и релативистка механика. Класическата механика съдържа набор от закони, които описват движението на телата под въздействието на сили. Изследването на движението на различни тела започва още от древността, затова класическата механика е една от най-старите, най-добре проучени и обемни по съдържание теми в науката и технологията. Терминът класическата механика е въведен в началото на 20 век, за да опише частта от физиката, започната с формулирането на математическите методи на диференциалното и интегрално смятане, чиито основоположници са Исак Нютон и Готфрид Лайбниц и много други учени и философи от 17 век. Тя се опира на по-ранните астрономически теории на Йоханес Кеплер, който от своя страна използва точните наблюдения на Тихо Брахе и проучванията на законите за движение на Галилео Галилей. Названието я разграничава от новите теории – квантовата механика и теорията на относителността. В днешно време много от модерните технологии се основават на принципите на квантовата механика.

Класическата механика описва движението на макроскопични и астронимически обекти, като например космически кораби, планети, звезди и галактики. Някои раздели описват закони, свързани с газове, течности или твърди тела. Класическата механика осигурява изключително точни резултати, докато сферата на проучване се ограничава с големи обекти и свързаните скорости не се доближават до скоростта на светлината.

Когато размерите на обектите станат достатъчно малки е необходимо да се въведе друга основна подобласт на механика, квантовата механика, която свързва макроскопичните закони на физиката с атомното естеството на материята и въвежда понятието корпускулярно-вълнов дуализъм за двойствената същност вълна – частица на елементарните частици. В случай на скорост, приближаваща се до скоростта на светлината, класическата механика отстъпва място на специалната теория на относителността. Общата теория на относителността обединява относителността със законите на Нютон за всемирното привличане.

Маса

Масата е скаларна физична величина, една от основните във физиката. Първоначално тя характеризира количеството вещество в едно тяло, което е мярка на способността на това тяло да оказва съпротива на приложена сила (инертна маса) или свойството му на гравитационно въздействие върху друго тяло (гравитационна маса или тегло). Тя е основно понятие в класическата механика и е тясно свързана с понятията импулс и енергия. Масата е общо свойство на всички тела, всяко макро тяло има маса. Колкото повече вещество се съдържа в едно тяло, толкова неговата маса е по-голяма.

Съвременната физика има малко по-различно понятие за маса. В класическата механика масата на системата е равна на сумата от масите на съставящите я тела. В релативистката механика масата не е адитивна физична величина, тоест масата на системата в общия случай не е равна на аритметичната сума на масите на компонентите, защото включва в себе си както енергията на свързване, така и енергията на движението на частиците една спрямо друга.

Масата като научен термин е въведена от Исак Нютон като мярка на количеството материя. В книгата си „Математически принципи на натуралната философия“ (1687 г.) Нютон определя „количеството материя“ във физическото тяло като продукт на неговата плътност и обем. Освен това той посочва, че в същия смисъл трябва да се използва термина маса и показва, че теглото е пропорционално на масата.

Нютон всъщност използва само две концепции за маса – като мярка за инерцията и като източник за силата на тежестта. Тълкуването ѝ като мярка за количеството материя е по-скоро нагледна илюстрация и това тълкуване е критикувано още в 19 век като нефизично и безсмислено.

Дълго време за един от основните закони на природата е смятан закона за запазване на масата. Въпреки това в 20 век става ясно, че този закон е ограничена версия или ограничен вариант на закона за запазване на енергията и при отделни обстоятелства не е спазен (например в квантовата механика и специалната теория на относителността).

Механика на флуидите

Механика на флуидите или хидрогазодинамика е учението за макроскопичното физическо поведение на флуидите. „Флуиди“ е общото име на течностите и газовете. Някои други материали и системи също могат да бъдат описвани по подобен начин. Решението на задача от хидрогазодинамиката обхваща теоретично изчисление на различните свойства на флуида, като скорост, налягане, плътност, и температура като функции на пространството и времето. Дисциплината има определен брой поддисциплини: аеродинамика (наука за газовете) и хидродинамика (наука за течностите). Механиката на флуидите има широк обхват на приложение. Например тя се използва за: изчисление на сили и моменти на въздухоплавателни средства, изчисление на предавани маси петрол през петролопроводите, метеорологични прогнози и дори в транспорта и движението по пътищата, където последното се разглежда като непрекъснат поток на флуид. Предлаганият от механиката на флуидите математически модел е в основата на много дисциплини, решаващи практически задачи, които дисциплини включват и емпирични и полуемпирични закони, получени чрез измервания на флуидни потоци.

Мощност

Мощността е физична величина (означавана обикновено с P) и представлява отношението на пренесената енергия (или работата извършена от дадена сила) за определен интервал от време към големината на този интервал.

Или казано по друг начин, частната производна на аналитичния израз на енергията спрямо времето – .  

 – моментна мощност
 – средната стойност на мощността за периода от време Δt.

 

Период на въртене

В астрономията период на въртене е времето, за което един астрономически обект прави пълно завъртане около своята ос на въртене. За твърди обекти, като например скалисти планети и астероиди, периодът на въртене има една стойност. При газообразните и течните тела, като например звезди и газови планети, периодът на въртене се променя от екватора към полюсите. Обикновено за период на въртене на газов гигант (като Юпитер) се приема вътрешния период на въртене, определян от въртенето на неговото магнитно поле.

Периодът на въртене на Земята около оста ѝ се нарича звезден ден.

Природни науки

Природни науки наречени също естествени науки са науки, които изучават природните явления. Те изучават и прилагат законите на природата без да имат предвид човешката дейност. Друга причина за въвеждането на понятието природни науки е да бъдат разграничавани от хуманитарните и социалните науки.

За основа на природните науки трябва да се счита естествознанието (природознанието).

Скорост

Скоростта (бележи се с , на английски: velocity или на френски: vitesse) е векторна физична величина в кинематиката, която показва колко бързо се променя пространственото положение на една материална точка с времето относно избрана отправна система. Като векторна величина скоростта има не само големина, но и посока. Тя е първата производна на радиус-вектора по времето. Промяната на скоростта с времето или втората производна на радиус-вектора по времето се нарича ускорение.

Статистическа механика

Статистическата механика, също понякога наричана и статистическа физика, е приложението на математическата теория на вероятностите към класическата и квантовата механика.

Статистическата механика описва взаимодействията между голям брой частици (най-често от порядъка на числото на Авогадро) и свърза свойствата на елементарните частици с тези на макроскопичните обекти и свойства на материалите, както се наблюдават във всекидневния живот. Познатата ни термодинамика намира своята обосновка в рамките на статистическата физика. Главното предимство на статистическата механика пред термодинамиката е способността на статистическата механика да обясни свойствата на веществата на базата на теорията за взаимодействията между съставляващите ги частици.

Централно място и в двете теории заема идеята за ентропия, но в статистическата механика тя е функция от броя на възможните микросъстояния, докато в термодинамиката е емпирично изведена величина.

Тегло

Теглото се дефинира от физиката като силата на тежестта (гравитационната сила съгласно закона за всеобщото привличане), упражнявана върху тяло с маса m намиращо се в дадено гравитационно поле. В Международната система единици теглото се измерва в нютони.

За тела, намиращи се в гравитационното поле на Земята и разположени относително близо до нейната повърхност, според втория закон на Нютон масата и теглото са свързани със следната формула:

където е силата на тежестта (теглото), а е гравитационното ускорение при свободно падане към повърхността на Земята, означавано за краткост като земно ускорение.

Теоретична физика

Теоретична физика е дял от физиката и способ и метод за опознаване на природата чрез изучаване на природните явления с помощта на математически модел. В този смисъл теоретичната физика не се развива на базата на опита и експеримента, но в същото време се съобразява и отчита резултатите от научни експерименти и наблюдения. Въпреки че борави с математични средства и математичен език, тя използва и обобщава експерименталните данни, прави логичен анализ, открива закономерностите и създава правилна представа и разбиране на физическите явления, като се стреми да предскаже нови явления или развитието на старите. В редки случаи теоретичната физика изучава и ползва математически модели, които не са непременно свързани с природни явления.

В основата на теоретичната физика е математическата физика. Тя възниква преди повече от 2000 години, но придобива ново значение със създаването на квантовата механика и теорията на относителността.

Първите курсове по теоретична физика в България са четени в Софийския университет от професор Георги Манев през учебната 1921 – 1922 година. На 10 юли 1924 г. е публикуван Указ на Държавния глава за изменение и допълнение на Закона за народното просвещение, който създава катедра Теоретична физика към Физико-математическия факултет на Софийския университет.

Физика

Физиката (от старогръцки: φυσικός (фисикос) – „естествен“, φύσις (фисис) – „природа“) е естествена наука, изучаваща общите и фундаментални закономерности, определящи структурата и еволюцията на материалния свят. Физиката е точна наука, което означава, че се занимава с намирането на количествено описание на природните явления. Физиката се основава на теории, които дават ясни, измерими предвиждания. За физични се приемат само експериментални резултати, които могат да бъдат независимо възпроизведени. Такива резултати могат да потвърдят или отхвърлят дадена физична теория. Теоретичната и експерименталната физика са тясно свързани − понякога развитието на физичните теории мотивира провеждането на нови експерименти, а понякога нови експериментални данни провокират създаването на нова теория. За изучаването на природните явления тези два подхода са еднакво важни.

За първи път терминът физика е използван от древногръцкия философ и учен Аристотел през IV век пр.н.е. Физиката е една от най-старите области на познанието, макар в древността да не е оформена като отделна наука. Дълго време физиката и философията се ползват като синоними и едва в резултат на Научната революция от XVI-XVII век физиката се обособява като отделна наукаЗначението на физиката в съвременния свят е огромно. Новите ѝ идеи и достижения водят до развитието на другите науки и до нови научни открития, които от своя страна намират приложение в техниката и промишлеността. Така например, изследванията в областта на електромагнетизма водят до появата на телефона, електромотора, влаковете на магнитна възглавница; откритията в областта на термодинамиката правят възможно построяването на автомобила, а развитието на радиоелектрониката води до появата на компютрите.

Въпреки невероятното количество натрупани познания за света, човешкото разбиране за процесите и явленията непрекъснато се мени и развива, новите изследвания повдигат нови и нерешени въпроси, за които трябват нови обяснения и теории. В този смисъл физиката е в непрекъснат процес на развитие и все още далече от възможността да обясни всички природни явления и процеси.

Раздели на физиката

На други езици

This page is based on a Wikipedia article written by authors (here).
Text is available under the CC BY-SA 3.0 license; additional terms may apply.
Images, videos and audio are available under their respective licenses.