- Podstawy budowy materii
Materia Wszechświata złożona jest z pewnych elementarnych cegiełek (cząstek). Niegdyś uważano, że są nimi atomy (najmniejsze niepodzielne części zachowujące ogólne własności danej substancji.) Atom z założenia stanowi budulec pierwiastka chemicznego, który jest zbiorem wielu atomów danego typu. Odkrycia Thomsona i Rutherforda dowiodły jednak, że w istocie atom zbudowany jest z mniejszych cząstek - naładowanych dodatnio protonów, ujemnych elektronów oraz neutronów o ładunku elektrycznym neutralnym (zerowym). J.J. Thomson zaproponował w XIX wieku pierwszy model atomu, w którym występowały ładunki dodatnie i ujemne. Model o wiele bliższy rzeczywistości wymyślił niedługo potem Niels Bohr (był to model, w którym elektrony okrążały zbudowane z neutronów i protonów jądro atomu.)
Dalsze odkrycia (XX wiek) wykazały, że o ile elektrony (wchodzące w skład większej rodziny cząstek, tzw. Leptonów) są niepodzielne, o tyle protony i neutrony zbudowane są dodatkowo z kwarków. Każda cząstka jest układem trzech kwarków spośród sześciu ich rodzajów:
- d - kwark dolny (down)
- u - kwark górny (up)
- s - kwark osobliwy (strange)
- c - kwark wdzięczny (charm)
- b - kwark piękny (beauty)
- t - kwark prawdziwy (true)
Najciekawszą cechą kwarków jest ich ułamkowy ładunek elektryczny. Jest to konieczne, by poprzez odpowiednie złożenie trzech kwarków (np. u,u, d lub d,d,u) mogły istnieć protony o ładunku +1 i neutrony o ładunku zerowym.
- Stany skupienia materii i ich własności
Wyróżniamy trzy podstawowe stany skupienia ciał materialnych: gaz, ciecz oraz ciało stałe. Czwartym, dodatkowym stanem skupienia jest plazma, czyli bezładna mieszanina zjonizowanych (pozbawionych struktury atomowej) cząstek, która występuje jedynie przy bardzo wysokich temperaturach, takich jak temperatura wnętrza gwiazd.
Ciała stałe charakteryzują się specyficznym, dobrze określonym kształtem, łatwo mierzalnymi objętościami i rozmiarami. Ich cząstki (atomy) tworzą tzw. sieć krystaliczną, zapewniającą dużą twardość oraz niezmienność kształtu bez wpływu sił zewnętrznych. Są często dobrymi przewodnikami prądu i ciepła (metale) lub półprzewodnikami (krzem, german). Można ocenić za pomocą specjalnych skal ich plastyczność i kruchość (podatność na działanie sił mechanicznych.) Można także określić twardość, zwłaszcza w przypadku kryształów i minerałów. Służy do tego skala Mosha, której dolny kraniec odpowiada malej twardości (wzorzec: talk), a górny - maksymalnej twardości naturalnego kryształu (diament). Kryształy są ciałami o dobrze uporządkowanej geometrycznie strukturze atomów (przykładem może być tu sól kuchenna - halit - lub kryształ gipsu.) Dodatkowo terminem "monokryształ" określa się zazwyczaj substancję krystaliczną tworzącą pojedynczy układ przestrzenny symetrycznie, natomiast "polikryształy" to ciała złożone z wielu zrośniętych, pojedynczych monokryształów. Może się także zdarzyć tak, że w ciele stałym nie istnieje uporządkowana sieć atomów. Przykładem są tutaj opale oraz szkło okienne, czyli substancje, które pod względem chemicznym są tym samym, co kryształ tlenku krzemu, lecz nie mają symetrii wewnętrznej.
Ciecze są stanem pośrednim pomiędzy ciałami stałymi a gazami. Nie mają jednoznacznie określonego kształtu. Wlane do naczynia zbudowanego z ciała stałego przyjmują w czasie dłuższym lub krótszym, zależnym od gęstości cieczy, jego kształt. Stanowią słabe przewodniki ciepła, ale zdarza się, że są znakomitymi przewodnikami prądu elektrycznego. Nazywane są wówczas elektrolitami (np. woda z unoszącymi się swobodnie jonami dodatnimi i ujemnymi.) Ciecze mogą posiadać "stałą" powierzchnię górną, czyli tzw. menisk. Menisk może być wklęsły lub wypukły, zależnie od siły oddziaływania cieczy na ścianki naczynia.
Podgrzewanie cieczy powoduje konwekcję - proces polegający na wędrówce gorących, lekkich molekuł cieczy w górę. Konwekcja jest jedną z form transportu ciepła i energii w ośrodkach ciekłych (np. w gwiazdach). Ogrzewana ciecz może też całkowicie ulotnić się, czyli zamienić w postać gazową danej substancji. Gazy dostosowują się, podobnie jak ciecze, do kształtu naczyń, ale charakteryzują się dużo większą ściśliwością. Można ścisnąć je do bardzo małej objętości. Łatwo też rozprężają się, np. przy zmianie temperatury. Gazy nie posiadają żadnych powiązań trwałych pomiędzy tworzącymi je cząstkami. Często nie posiadają barwy i są praktycznie niewidoczne. Nie przewodzą prądu elektrycznego ani energii cieplnej, choć istnieją pewne wyjątki od tej reguły (zwłaszcza dotyczy to tzw. gazów szlachetnych.)
Pomiędzy trzema stanami materii zachodzą samorzutne lub wymuszone przejścia jednej formy w drugą - tzw. przejście fazowe. Przykładem jest zamarzanie i parowania wody (odpowiednio: dla temperatury 0 stopni Celsjusza oraz 100 stopni) lub krzepnięcie parafiny. Towarzyszące parowaniu wrzenie obejmuje całą objętość cieczy, a parowanie - całą powierzchnię. Ciecz, parując, zmienia się w gaz. Gaz skrapla się w ciecz. Ciało stałe topi się, dając ciecz, zjawiskiem odwrotnym jest krzepnięcie. Możliwe są także (w określonych warunkach) przejścia bezpośrednie stanów skrajnych: sublimacja (ulatnianie się ciała stałego do postaci lotnej) oraz resublimacja (zjawisko przeciwne). Ulegają im np: zestalony dwutlenek węgla i kamfora.
- Podstawowe wielkości
Podstawowe wielkości fizyczne, bez których rozważanie praw fizyki nie ma sensu, to m.in. masa, gęstość i temperatura. Masę zdefiniować można jako miarę ilości molekuł danej materii. Definicja ta związana jest z tzw. masą atomową, wielkością charakterystyczną dla konkretnego pierwiastka.
Często mylony z masą ciężar jest już inną wielkością i definiuje go masa grawitacyjna - miara współczynnika we wzorze na siłę grawitacji: F = mg, gdzie g jest stałą (przyśpieszeniem ziemskim.) Blisko związana z pojęciem masy jest gęstość, czyli iloraz masy zawartej wewnątrz danej objętości do tej objętości: r = m/v. Temperatura ciała jest miarą wewnętrznej energii ruchów cieplnych cząstek budujących to ciało. Używane są najczęściej trzy skale temperaturowe: Kelwina, Celsjusza i Farenhaita. Pierwsza z nich jest najbardziej naturalna i opiera się na temperaturze zera bezwzględnego - najmniejszej możliwe temperaturze, przy której zamiera wszelki ruch cząstek. Dwie pozostałe skale zdefiniowane zostały przez pewne zjawiska krytyczne, np. skala Celsjusza zawiera jako punkt zerowy temperaturę zamarzania wody w warunkach naturalnych. Tabela przeliczeń pomiędzy skalami temperatur jest następująca:
|
Skala Kelwina
|
Skala Celsjusza
|
Skala Farenhaita
| |
|
Zero skali
|
0 K
|
0°C = 273 K
|
0°C = 32°F
|
|
stosunek
|
1 K = 1°C
|
1 K = 1°C
|
-15,5°C = 0°F
|
Temperatura i warunki przejść fazowych dla ciał są zwykle związane z pojęciem ciśnienia. Ciśnienie definiujemy jako siłę działającą na jednostkę powierzchni. Jednostką ciśnienia w układzie SI jest jeden Pascal Nazwa została nadana ku czci Blaise Pascala, fizyka francuskiego, odkrywcy. Z prawa Pascala dla ciśnienia wynika, że ciśnienie, jakim ciecze lub gazy działają na ciało, jest równe dla wszystkich kierunków.)
Ciśnienie wyraża się równaniem:
p = F/s
[Pa] = [N/m²]
dodatkowo używane są przeliczniki jednostek:
1hPa = 100 Pa = 10² Pa
1kPa = 1000 Pa = 10³ Pa
Do pomiaru ciśnienia atmosfery ziemskiej (ciśnienie aerostatyczne) służą barometry (wynalezione przez Ewangelistę Toricellego). W przypadku maszyn i innych zastosowań technologicznych ciśnienie mierzy się przy pomocy bardziej skomplikowanych urządzeń - manometrów. Osobnym pojęciem jest ciśnienie hydrostatyczne, definiowane poprzez wysokość słupa cieczy w danych warunkach:
p = ρgh, gdzie: ρ - gęstość cieczy, h - wysokość słupa, g - przyśpieszenie ziemskie.
Dla przykładu, normalne ciśnienie atmosfery Ziemi wynosi ok. 1013 hPa i odpowiada mu 700 mmHg (milimetrów słupa rtęci).
- Podstawy dynamiki Newtona
Najważniejszym pojęciem w mechanice jest ruch. Prędkość, z jakim on zachodzi, jest obliczonym dla malej drogi i krótkich odcinków czasu ilorazem przebytej drogi przez czas, w jakim dokonano pomiaru. Ruch określa poza tym: sama droga, prędkość średnia na danej drodze, prędkość chwilowa (dla danego momentu) oraz przyśpieszenie (iloraz prędkości i czasu; informuje nas o tym, jak zmieniła się prędkość w danych okresie czasu.) Prędkość jest wielkością wektorową, co oznacza, że, by ją podać w pełni, należy użyć trzech liczb: wartości prędkości, jej zwrotu oraz kierunku, na jakim działa.
Najprostszym przypadkiem jest ruch jednostajny, w którym wszystkie przyśpieszenia (zmiany prędkości) wynoszą zero. Można zapisać to jako: v = Δs/Δt = const. => a = 0 (a - przyśpieszenie, v - prędkość.)
Droga przebyta w ruchu jednostajnym jest oczywiście równa iloczynowi prędkości i czasu. Ruch może być także jednostajnie przyśpieszony lub opóźniony. Występuje przyśpieszenie niezerowe. Prędkość wynosi wówczas:
v = v0 +/- at, gdzie v0 jest pewną prędkością początkową, istniejącą, zanim zaczęło działać przyśpieszenie. Również droga w ruchu zmiennym wyraża się w bardziej skomplikowany sposób:
s = s0 + vt +/- (at²)/2
Inna istotna wielkością jest pęd, czyli iloczyn masy ciała i nadanej mu prędkości:
p = m v
[p] = [kg(m/s)]
Pęd, podobnie jak prędkość, jest wektorem. Całkowity pęd jakiegoś układu ciał jest zawsze zachowany, to znaczy, suma poszczególnych pędów ciał tworzących układ odizolowany od wpływu otoczenia jest stała, niezależnie od zmian prędkości i położeń pojedynczych ciał. Stwierdzenie to jest treścią zasady zachowania pędu. Przykładowo, dla prostego układu dwóch ciał sztywnych pęd jednego ciała może być ujemną wartością pędu ciała drugiego (na skutek zderzenia ciał). Wówczas:
m1v1 = -m2v2 =>m1v1 + m2v2 = 0 =>m1/m2 = v1/v2
Siła zdefiniowana jest jako iloczyn masy ciała i nadanego mu chwilowo przyśpieszenia (oczywiście, jest to także wielkość wektorowa, ponieważ wektorem jest a):
F = am
[F] = [1N]
Znając definicje sił i prędkości oraz wyniki wielu eksperymentów z ciałami materialnymi Isaac Newton sformułował w XVII słynne trzy zasady dynamiki:
- Pierwsza Zasada Dynamiki Newtona: Gdy na ciało nie działają żadne siły, lub też siły działające równoważą się, ciało to pozostaje w spoczynku albo porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.
- Druga Zasada Dynamiki Newtona: Gdy na ciało oddziaływuje pewna wypadkowa siła, ciało nabiera przyśpieszenia (względnie: opóźnienia) i zaczyna poruszać się ruchem jednostajnie przyśpieszonym, przy czym obowiązuje relacja: F = ma lub inaczej: F = Δp/Δt.
- Trzecia Zasada Dynamiki Newtona: jeżeli ciało A działa na ciało B pewną siłą FAB, to również ciało B działa na ciało A siłą -FBA, równą sile FAB co do wartości i kierunku, ale o przeciwnym zwrocie. Inna nazwa tej zasady to "prawo akcji i reakcji": FAB = -FBA
