Osnovni zakoni fizike. Osnovni pojmovi i zakoni fizike i svojstva elementarnih čestica materije

Helen Czerski

Fizičar, okeanograf, voditelj popularnih naučnih programa na BBC-u.

Kada je fizika u pitanju, iznosimo neke formule, nešto čudno i neshvatljivo, nepotrebno običnom čovjeku. Možda smo čuli nešto o kvantnoj mehanici i kosmologiji. Ali između ova dva pola je upravo sve što čini naš svakodnevni život: planete i sendviči, oblaci i vulkani, mehurići i muzički instrumenti. I svi su vođeni relativno malim brojem fizičkih zakona.

Ove zakone možemo stalno pratiti na djelu. Uzmite, na primjer, dva jaja - sirova i kuhana - i zavrtite ih, a zatim zaustavite. Kuhano jaje će ostati nepomično, sirovo će se ponovo početi okretati. To je zato što ste samo zaustavili školjku, a tečnost unutra nastavlja da rotira.

Ovo je jasna demonstracija zakona održanja ugaonog momenta. Pojednostavljeno, može se formulirati na sljedeći način: počevši da se okreće oko konstantne ose, sistem će nastaviti da se okreće sve dok ga nešto ne zaustavi. Ovo je jedan od osnovnih zakona univerzuma.

Dobro dođe ne samo kada treba razlikovati kuhano jaje od sirovog. Takođe se može koristiti da se objasni kako svemirski teleskop Hubble, budući da nema ikakvog oslonca u svemiru, usmjerava sočivo na određeni dio neba. Unutra se samo vrte žiroskopi, koji se u suštini ponašaju isto kao sirovo jaje. Sam teleskop rotira oko njih i tako mijenja svoj položaj. Ispostavilo se da zakon, koji možemo testirati u našoj kuhinji, objašnjava i uređaj jedne od najistaknutijih tehnologija čovječanstva.

Poznavajući osnovne zakone koji regulišu naš svakodnevni život, prestajemo da se osećamo bespomoćno.

Da bismo razumjeli kako svijet oko nas funkcionira, prvo moramo razumjeti njegove osnove -. Moramo shvatiti da fizika nisu samo čudni naučnici u laboratorijama ili komplikovane formule. To je ispred nas, dostupno svima.

Odakle početi, mogli biste pomisliti. Sigurno ste primijetili nešto čudno ili neshvatljivo, ali umjesto da razmišljate o tome, rekli ste sebi da ste odrasli i da nemate vremena za ovo. Chersky savjetuje da se takve stvari ne odbacuju, već da se počne s njima.

Ako ne želite da čekate da se desi nešto zanimljivo, stavite grožđice u sok i vidite šta će se desiti. Gledajte kako se prosuta kafa suši. Kucnite kašikom po ivici šoljice i osluškujte zvuk. Na kraju, pokušajte da sendvič ispustite tako da ne padne sa stranom putera nadole.

Sesija se bliži i vrijeme je da pređemo s teorije na praksu. Tokom vikenda smo sjeli i pomislili da bi mnogim učenicima bilo dobro da imaju pri ruci kolekciju osnovnih fizičkih formula. Suhe formule s objašnjenjem: kratke, sažete, ništa više. Vrlo korisna stvar pri rješavanju problema, znate. Da, i na ispitu, kada mi iz glave može „iskočiti” tačno ono što je surovo naučeno prethodnog dana, takav odabir će vam dobro poslužiti.

Većina zadataka se obično daje u tri najpopularnija dijela fizike. Ovo Mehanika, termodinamika I Molekularna fizika, struja. Uzmimo ih!

Osnovne formule u fizici dinamika, kinematika, statika

Počnimo s najjednostavnijim. Dobro staro omiljeno pravolinijsko i ujednačeno kretanje.

Kinematske formule:

Naravno, ne zaboravimo na kretanje u krugu, a onda prijeđimo na dinamiku i Newtonove zakone.

Nakon dinamike, vrijeme je da razmotrimo uslove za ravnotežu tijela i tekućina, tj. statiku i hidrostatiku

Sada dajemo osnovne formule na temu "Rad i energija". Gdje bismo bili bez njih!

Osnovne formule molekularne fizike i termodinamike

Hajde da završimo deo mehanike sa formulama za vibracije i talase i pređimo na molekularnu fiziku i termodinamiku.

Efikasnost, Gay-Lussacov zakon, Clapeyron-Mendeleev jednadžba - sve ove slatke formule su sakupljene u nastavku.

Između ostalog! Za sve naše čitaoce imamo popust 10% na .

Osnovne formule u fizici: elektricitet

Vrijeme je da prijeđemo na električnu energiju, iako je termodinamika manje voli. Počnimo s elektrostatikom.

I, do bubnja, završavamo sa formulama za Ohmov zakon, elektromagnetnu indukciju i elektromagnetne oscilacije.

To je sve. Naravno, moglo bi se dati čitavo brdo formula, ali to je beskorisno. Kada ima previše formula, lako se možete zbuniti, a onda potpuno istopiti mozak. Nadamo se da će vam naša varalica osnovnih fizičkih formula pomoći da brže i efikasnije riješite svoje omiljene probleme. A ako želite nešto razjasniti ili niste pronašli formulu koja vam je potrebna: pitajte stručnjake studentska služba. Naši autori drže stotine formula u svojim glavama i klikću zadatke poput oraha. Kontaktirajte nas i uskoro će vam svaki zadatak biti "pretežak".

Pogledajmo ovo malo. Ono što je Snow mislio kada je rekao da ne možete pobijediti je da pošto se materija i energija čuvaju, ne možete dobiti jedno, a da ne izgubite drugo (tj. E=mc²). To takođe znači da morate da obezbedite toplotu za pokretanje motora, ali u nedostatku savršeno zatvorenog sistema, nešto toplote će neizbežno pobeći u otvoreni svet, što će dovesti do drugog zakona.

Drugi zakon – gubici su neizbježni – znači da se zbog povećanja entropije ne možete vratiti u prethodno energetsko stanje. Energija koncentrisana na jednom mjestu uvijek će težiti mjestima niže koncentracije.

Konačno, treći zakon – ne možete izaći iz igre – odnosi se na najnižu teoretski moguću temperaturu – minus 273,15 stepeni Celzijusa. Kada sistem dostigne apsolutnu nulu, kretanje molekula prestaje, što znači da će entropija dostići najnižu vrijednost i neće biti ni kinetičke energije. Ali u stvarnom svijetu nemoguće je dostići apsolutnu nulu - samo vrlo blizu nje.

Arhimedova snaga

Nakon što je drevni grčki Arhimed otkrio njegov princip uzgona, navodno je uzviknuo "Eureka!" (Pronađen!) i trčao gol kroz Sirakuzu. Tako kaže legenda. Otkriće je bilo tako važno. Legenda takođe kaže da je Arhimed otkrio princip kada je primetio da se voda u kadi diže kada je telo uronjeno u nju.

Prema Arhimedovom principu uzgona, sila koja djeluje na potopljeni ili djelomično potopljeni objekt jednaka je masi fluida koju predmet istiskuje. Ovaj princip je od najveće važnosti u proračunima gustoće, kao iu dizajnu podmornica i drugih okeanskih plovila.

Evolucija i prirodna selekcija

Sada kada smo uspostavili neke od osnovnih koncepata o tome kako je svemir nastao i kako fizički zakoni utiču na naš svakodnevni život, hajde da skrenemo pažnju na ljudski oblik i saznamo kako smo došli do ove tačke. Prema većini naučnika, sav život na Zemlji ima zajedničkog pretka. Ali da bi se stvorila tako velika razlika između svih živih organizama, neki od njih morali su se pretvoriti u zasebnu vrstu.

U opštem smislu, ova diferencijacija se dogodila u procesu evolucije. Populacije organizama i njihove osobine prošle su kroz mehanizme kao što su mutacije. Oni sa više osobina preživljavanja, poput smeđih žaba koje se kamufliraju u močvarama, prirodno su odabrani za preživljavanje. Odatle dolazi termin prirodna selekcija.

Ove dvije teorije možete pomnožiti mnogo, mnogo puta, a zapravo je Darvin to učinio u 19. vijeku. Evolucija i prirodna selekcija objašnjavaju ogromnu raznolikost života na Zemlji.

Opća teorija relativnosti Alberta Ajnštajna bila je i ostala je veliko otkriće koje je zauvek promenilo naš pogled na univerzum. Ajnštajnov glavni proboj bila je izjava da prostor i vreme nisu apsolutni, a gravitacija nije samo sila primenjena na objekat ili masu. Umjesto toga, gravitacija ima veze s činjenicom da masa iskrivljuje prostor i vrijeme (prostor vrijeme).

Da biste ovo shvatili, zamislite da se vozite preko Zemlje u pravoj liniji u istočnom smjeru sa, recimo, sjeverne hemisfere. Nakon nekog vremena, ako neko želi precizno odrediti vašu lokaciju, bit ćete mnogo južnije i istočno od svoje prvobitne pozicije. To je zato što je zemlja zakrivljena. Da biste vozili pravo na istok, morate uzeti u obzir oblik Zemlje i voziti pod uglom blago sjeverno. Uporedite okruglu loptu i list papira.

Prostor je skoro isti. Na primjer, putnicima rakete koja leti oko Zemlje bit će očigledno da lete pravolinijski u svemiru. Ali u stvarnosti, prostor-vrijeme oko njih se savija pod silom Zemljine gravitacije, zbog čega se kreću naprijed i ostaju u Zemljinoj orbiti.

Ajnštajnova teorija imala je ogroman uticaj na budućnost astrofizike i kosmologije. Objasnila je malu i neočekivanu anomaliju u Merkurovoj orbiti, pokazala kako se svjetlost zvijezda savija i postavila teorijske temelje za crne rupe.

Heisenbergov princip nesigurnosti

Ajnštajnova ekspanzija relativnosti nam je rekla više o tome kako univerzum funkcioniše i pomogla je da se postavi temelj za kvantnu fiziku, što je dovelo do potpuno neočekivane sramote teorijske nauke. Godine 1927. spoznaja da su svi zakoni univerzuma fleksibilni u određenom kontekstu dovela je do zapanjujućeg otkrića njemačkog naučnika Wernera Heisenberga.

Postulirajući svoj princip nesigurnosti, Heisenberg je shvatio da je nemoguće znati dva svojstva čestice istovremeno sa visokim nivoom tačnosti. Možete znati položaj elektrona sa visokim stepenom tačnosti, ali ne i njegov impuls, i obrnuto.

Kasnije je Niels Bohr došao do otkrića koje je pomoglo da se objasni Heisenbergov princip. Bohr je otkrio da elektron ima kvalitete i čestice i vala. Koncept je postao poznat kao dualitet talas-čestica i formirao je osnovu kvantne fizike. Stoga, kada mjerimo položaj elektrona, definišemo ga kao česticu u određenoj tački u prostoru sa neodređenom talasnom dužinom. Kada mjerimo impuls, smatramo elektron kao val, što znači da možemo znati amplitudu njegove dužine, ali ne i poziciju.

Uvod

1. Newtonovi zakoni

1.1. Zakon inercije (prvi Newtonov zakon)

1.2 Zakon kretanja

1.3. Zakon održanja impulsa (Zakon održanja impulsa)

1.4. Sile inercije

1.5. Zakon viskoznosti

2.1. Zakoni termodinamike

1. 
   Zakon gravitacije

3.2. Gravitaciona interakcija

3.3. Nebeska mehanika

1. 
   Jaka gravitaciona polja

3.5. Moderne klasične teorije gravitacije

Zaključak

Književnost

Uvod

Osnovni zakoni fizike opisuju najvažnije pojave u prirodi i svemiru. Oni nam omogućavaju da objasnimo, pa čak i predvidimo mnoge pojave. Dakle, oslanjajući se samo na fundamentalne zakone klasične fizike (Newtonove zakone, zakone termodinamike, itd.), čovječanstvo uspješno istražuje svemir, šalje svemirske letjelice na druge planete.

Želim u ovom radu razmotriti najvažnije zakone fizike i njihov odnos. Najvažniji zakoni klasične mehanike su Newtonovi zakoni, koji su dovoljni za opisivanje pojava u makrokosmosu (ne uzimajući u obzir visoke vrijednosti brzine ili mase, što se proučava u GR – Općoj relativnosti, ili SRT – Specijalnoj relativnosti).

1. 
   Newtonovi zakoni

Njutnovi zakoni mehanike - tri zakona u osnovi tzv. klasična mehanika. Formulisao I. Newton (1687). Prvi zakon: „Svako tijelo nastavlja biti u stanju mirovanja ili ravnomjernog i pravolinijskog kretanja sve dok ga primjenjene sile ne prisile da promijeni ovo stanje.” Drugi zakon: "Promjena količine gibanja je proporcionalna primijenjenoj pokretačkoj sili i događa se u smjeru prave linije duž koje ova sila djeluje." Treći zakon: "Uvijek postoji jednaka i suprotna reakcija na akciju, inače su interakcije dvaju tijela jedna protiv druge jednake i usmjerene u suprotnim smjerovima."

1.1. Zako ́ n ine ́ rcije (Prvi zakon, novi ́ ton) : slobodno tijelo, na koje ne djeluju sile drugih tijela, nalazi se u stanju mirovanja ili ravnomjernog pravolinijskog kretanja (koncept brzine ovdje se primjenjuje na centar mase tijela u slučaju netranslacijskog kretanja). Drugim riječima, tijela karakterizira inercija (od latinskog inertia - "neaktivnost", "inercija"), odnosno fenomen održavanja brzine ako se na njih kompenziraju vanjski utjecaji.

Referentni okviri u kojima je ispunjen zakon inercije nazivaju se inercijski referentni okviri (ISR).

Zakon inercije prvi je formulirao Galileo Galilei, koji je, nakon mnogih eksperimenata, zaključio da nije potreban nikakav vanjski uzrok da bi se slobodno tijelo kretalo konstantnom brzinom. Prije toga, bilo je općenito prihvaćeno drugačije gledište (koji datira još od Aristotela): slobodno tijelo miruje, a da bi se kretalo konstantnom brzinom, mora se primijeniti stalna sila.

Nakon toga, Newton je formulisao zakon inercije kao prvi od svoja tri poznata zakona.

Galileov princip relativnosti: u svim inercijskim referentnim okvirima, svi fizički procesi se odvijaju na isti način. U referentnom okviru dovedenom u stanje mirovanja ili ravnomjernog pravolinijskog kretanja u odnosu na inercijalni referentni okvir (uslovno „u mirovanju“), svi procesi se odvijaju na potpuno isti način kao u okviru u mirovanju.

Treba napomenuti da je koncept inercijalnog referentnog okvira apstraktni model (neki idealan objekt se razmatra umjesto stvarnog objekta. Apsolutno kruto tijelo ili bestežinska nit služe kao primjeri apstraktnog modela), stvarni referentni okviri su uvek povezan sa nekim objektom i korespondencija stvarno posmatranog kretanja tela u takvim sistemima sa rezultatima proračuna biće nepotpuna.

1.2 Zakon kretanja - matematička formulacija o tome kako se tijelo kreće ili kako se događa kretanje općenitijeg oblika.

U klasičnoj mehanici materijalne tačke, zakon kretanja su tri zavisnosti tri prostorne koordinate od vremena, ili zavisnost jedne vektorske veličine (radijus vektora) o vremenu, oblika

Zakon kretanja se može pronaći, zavisno od zadatka, ili iz diferencijalnih zakona mehanike ili iz integralnih.

Zakon o očuvanju energije - osnovni zakon prirode, koji se sastoji u tome da se energija zatvorenog sistema čuva u vremenu. Drugim riječima, energija ne može nastati ni iz čega i ne može nestati nigdje, može samo prelaziti iz jednog oblika u drugi.

Zakon održanja energije nalazi se u raznim granama fizike i manifestuje se u očuvanju različitih vrsta energije. Na primjer, u klasičnoj mehanici, zakon se manifestira u očuvanju mehaničke energije (zbir potencijalne i kinetičke energije). U termodinamici, zakon održanja energije naziva se prvim zakonom termodinamike i govori o očuvanju energije u zbiru sa toplotnom energijom.

Budući da se zakon održanja energije ne odnosi na određene količine i pojave, već odražava opći obrazac koji je primjenjiv svuda i uvijek, ispravnije ga je nazvati ne zakonom, već principom održanja energije.

Poseban slučaj - Zakon održanja mehaničke energije - mehanička energija konzervativnog mehaničkog sistema se održava u vremenu. Jednostavno rečeno, u nedostatku sila kao što je trenje (disipativne sile), mehanička energija ne nastaje ni iz čega i ne može nigdje nestati.

Ek1+Ep1=Ek2+Ep2

Zakon održanja energije je integralni zakon. To znači da se sastoji od djelovanja diferencijalnih zakona i da je svojstvo njihovog zajedničkog djelovanja. Na primjer, ponekad se kaže da je nemogućnost stvaranja vječnog motora posljedica zakona održanja energije. Ali nije. U stvari, u svakom projektu vječnog motora, aktivira se jedan od diferencijalnih zakona i on je taj koji čini motor neoperativnim. Zakon održanja energije jednostavno generalizira ovu činjenicu.

Prema Noetherovoj teoremi, zakon održanja mehaničke energije je posljedica homogenosti vremena.

1.3. Zako ́ n sačuvati ́ i ́ puls (Zako ́ n sačuvati ́ ako ́ kvalitet pokreta) tvrdi da je zbir impulsa svih tijela (ili čestica) zatvorenog sistema konstantna vrijednost.

Iz Newtonovih zakona može se pokazati da se pri kretanju u praznom prostoru zamah zadržava u vremenu, a u prisustvu interakcije, brzina njegove promjene je određena zbirom primijenjenih sila. U klasičnoj mehanici, zakon održanja količine kretanja obično se izvodi kao posljedica Newtonovih zakona. Međutim, ovaj zakon održanja važi iu slučajevima kada je Njutnova mehanika neprimenljiva (relativistička fizika, kvantna mehanika).

Kao i svaki od zakona održanja, zakon održanja impulsa opisuje jednu od osnovnih simetrija, homogenost prostora

Njutnov treći zakon objašnjava šta se dešava sa dva tela u interakciji. Uzmimo za primjer zatvoreni sistem koji se sastoji od dva tijela. Prvo tijelo može djelovati na drugo nekom silom F12, a drugo - na prvo sa silom F21. Kako su sile povezane? Treći Newtonov zakon kaže da je sila djelovanja jednaka po veličini i suprotnog smjera od sile reakcije. Naglašavamo da se te sile primjenjuju na različita tijela, pa se stoga uopće ne kompenziraju.

sam zakon:

Tijela djeluju jedno na drugo silama usmjerenim duž iste prave, jednake po veličini i suprotnog smjera: .

1.4. Sile inercije

Njutnovi zakoni, strogo govoreći, važe samo u inercijalnim referentnim okvirima. Ako iskreno zapišemo jednačinu kretanja tijela u neinercijskom referentnom okviru, onda će se ona po izgledu razlikovati od drugog Newtonovog zakona. Međutim, često se, radi pojednostavljenja razmatranja, uvodi neka fiktivna "sila inercije", a zatim se ove jednačine kretanja prepisuju u obliku vrlo sličnom Newtonovom drugom zakonu. Matematički, ovdje je sve točno (tačno), ali sa stanovišta fizike, nova fiktivna sila se ne može smatrati nečim stvarnim, kao rezultat neke stvarne interakcije. Još jednom naglašavamo: “inercijalna sila” je samo zgodna parametrizacija kako se zakoni kretanja razlikuju u inercijskom i neinercijskom referentnom okviru.

1.5. Zakon viskoznosti

Newtonov zakon viskoznosti (unutrašnje trenje) je matematički izraz koji povezuje napon unutrašnjeg trenja τ (viskozitet) i promjenu brzine medija v u prostoru

(brzina deformacije) za tečna tijela (tečnosti i gasovi):

pri čemu se vrijednost η naziva koeficijent unutrašnjeg trenja ili dinamički koeficijent viskoznosti (CGS jedinica - poise). Kinematički koeficijent viskoznosti je vrijednost μ = η / ρ (jedinica CGS je Stokes, ρ je gustina medija).

Njutnov zakon se može dobiti analitički metodama fizičke kinetike, gde se viskoznost obično razmatra istovremeno sa toplotnom provodljivošću i odgovarajućim Fourierovim zakonom za toplotnu provodljivost. U kinetičkoj teoriji plinova, koeficijent unutrašnjeg trenja se izračunava po formuli

gdje je prosječna brzina termičkog kretanja molekula, λ je srednji slobodni put.

2.1. Zakoni termodinamike

Termodinamika se zasniva na tri zakona, koji su formulisani na osnovu eksperimentalnih podataka i stoga se mogu prihvatiti kao postulati.

* 1. zakon termodinamike. To je formulacija generaliziranog zakona održanja energije za termodinamičke procese. U svom najjednostavnijem obliku, može se zapisati kao δQ \u003d δA + d "U, gdje je dU ukupni diferencijal unutrašnje energije sistema, a δQ i δA su elementarna količina topline i elementarni rad obavljen na Treba imati na umu da se δA i δQ ne mogu smatrati diferencijalima u uobičajenom smislu ovog pojma. Sa stanovišta kvantnih koncepata, ovaj zakon se može tumačiti na sljedeći način: dU je promjena energije datom kvantnom sistemu, δA je promjena energije sistema zbog promjene populacije energetskih nivoa sistema, a δQ je promjena energije kvantnog sistema zbog promjene strukture energije nivoa.

* 2. zakon termodinamike: Drugi zakon termodinamike isključuje mogućnost stvaranja perpetualnog motora druge vrste. Postoji nekoliko različitih, ali istovremeno i ekvivalentnih formulacija ovog zakona. 1 - Clausiusov postulat. Proces u kome se ne dešavaju druge promene, osim prenosa toplote sa toplog tela na hladno, je nepovratan, odnosno toplota ne može da pređe sa hladnog na toplo telo bez ikakvih drugih promena u sistemu. Ova pojava se naziva disipacija ili disperzija energije. 2 - Kelvinov postulat. Proces u kome se rad pretvara u toplotu bez ikakvih drugih promena u sistemu je nepovratan, odnosno nemoguće je svu toplotu uzetu iz izvora sa ujednačenom temperaturom pretvoriti u rad bez drugih promena u sistemu.

* 3. zakon termodinamike: Nernstova teorema: Entropija bilo kojeg sistema na temperaturi apsolutne nule uvijek se može uzeti jednakom nuli

3.1. Zakon gravitacije

Gravitacija (univerzalna gravitacija, gravitacija) (od latinskog gravitas - "gravitacija") je fundamentalna interakcija dugog dometa u prirodi, kojoj su podložna sva materijalna tijela. Prema savremenim podacima, to je univerzalna interakcija u smislu da, za razliku od bilo koje druge sile, daje isto ubrzanje svim tijelima bez izuzetka, bez obzira na njihovu masu. Pre svega, gravitacija igra odlučujuću ulogu na kosmičkim razmerama. Termin gravitacija se takođe koristi kao naziv grane fizike koja proučava gravitacionu interakciju. Najuspješnija moderna fizička teorija u klasičnoj fizici koja opisuje gravitaciju je opća teorija relativnosti; kvantna teorija gravitacijske interakcije još nije izgrađena.

3.2. Gravitaciona interakcija

Gravitaciona interakcija jedna je od četiri fundamentalne interakcije u našem svijetu. U okviru klasične mehanike, gravitacionu interakciju opisuje Newtonov zakon univerzalne gravitacije, koji kaže da je sila gravitacionog privlačenja između dvije materijalne točke mase m1 i m2, razdvojene rastojanjem R, jednaka

Ovdje je G gravitaciona konstanta, jednaka m³ / (kg s²). Znak minus znači da je sila koja djeluje na tijelo uvijek jednaka u smjeru radijus vektora usmjerenog na tijelo, tj. gravitacijska interakcija uvijek dovodi do privlačenja bilo kojeg tijela.

Gravitaciono polje je potencijalno. To znači da je moguće uvesti potencijalnu energiju gravitacionog privlačenja para tijela, a ta energija se neće promijeniti nakon pomicanja tijela po zatvorenoj konturi. Potencijalnost gravitacionog polja podrazumeva zakon održanja zbira kinetičke i potencijalne energije, a kada se proučava kretanje tela u gravitacionom polju, često uveliko pojednostavljuje rešenje. U okviru Njutnove mehanike, gravitaciona interakcija je dugog dometa. To znači da bez obzira na to kako se masivno tijelo kreće, u bilo kojoj tački u prostoru gravitacijski potencijal ovisi samo o položaju tijela u datom trenutku.

Veliki svemirski objekti - planete, zvijezde i galaksije imaju ogromnu masu i stoga stvaraju značajna gravitacijska polja. Gravitacija je najslabija sila. Međutim, budući da djeluje na svim udaljenostima i da su sve mase pozitivne, ona je ipak vrlo važna sila u svemiru. Za poređenje: ukupni električni naboj ovih tijela je nula, budući da je tvar u cjelini električno neutralna. Također, gravitacija je, za razliku od drugih interakcija, univerzalna po svom djelovanju na svu materiju i energiju. Nisu pronađeni objekti koji nemaju nikakvu gravitacionu interakciju.

Zbog svoje globalne prirode, gravitacija je odgovorna za tako velike efekte kao što su struktura galaksija, crne rupe i širenje Univerzuma, te za elementarne astronomske fenomene - orbite planeta, te za jednostavno privlačenje Zemljine površine i tijela koja padaju.

Gravitacija je bila prva interakcija koju opisuje matematička teorija. U antičko doba Aristotel je vjerovao da objekti različite mase padaju različitim brzinama. Tek mnogo kasnije, Galileo Galilei je eksperimentalno utvrdio da to nije slučaj - ako se eliminiše otpor zraka, sva tijela jednako ubrzavaju. Zakon gravitacije Isaka Newtona (1687) bio je dobar opis opšteg ponašanja gravitacije. Godine 1915. Albert Ajnštajn je stvorio Opću teoriju relativnosti, koja preciznije opisuje gravitaciju u smislu geometrije prostor-vremena.

3.3. Nebeska mehanika i neki njeni problemi

Odjeljak mehanike koji proučava kretanje tijela u praznom prostoru samo pod utjecajem gravitacije naziva se nebeska mehanika.

Najjednostavniji zadatak nebeske mehanike je gravitaciona interakcija dvaju tijela u praznom prostoru. Ovaj problem se rješava analitički do kraja; rezultat njegovog rješenja često se formuliše u obliku Keplerova tri zakona.

Kako se broj tijela u interakciji povećava, problem postaje mnogo komplikovaniji. Dakle, već poznati problem tri tijela (tj. kretanje tri tijela s masama različitim od nule) ne može se analitički riješiti u opštem obliku. Kod numeričkog rješenja, nestabilnost rješenja u odnosu na početne uslove nastupa prilično brzo. Kada se primeni na Sunčev sistem, ova nestabilnost onemogućava predviđanje kretanja planeta na razmerama većim od sto miliona godina.

U nekim posebnim slučajevima moguće je pronaći približno rješenje. Najvažniji je slučaj kada je masa jednog tijela znatno veća od mase drugih tijela (primjeri: Sunčev sistem i dinamika Saturnovih prstenova). U ovom slučaju, u prvoj aproksimaciji, možemo pretpostaviti da svjetlosna tijela ne interaguju jedno s drugim i da se kreću duž Keplerovih putanja oko masivnog tijela. Interakcije između njih mogu se uzeti u obzir u okviru teorije perturbacije i usredsređivati ​​tokom vremena. U ovom slučaju mogu nastati netrivijalne pojave, kao što su rezonancije, atraktori, slučajnost, itd. Dobar primjer takvih pojava je netrivijalna struktura Saturnovih prstenova.

Uprkos pokušajima da se opiše ponašanje sistema velikog broja privlačećih tijela približno iste mase, to nije moguće zbog fenomena dinamičkog haosa.

3.4. Jaka gravitaciona polja

U jakim gravitacionim poljima, pri kretanju relativističkim brzinama, počinju da se pojavljuju efekti opšte teorije relativnosti:

Odstupanje zakona gravitacije od Newtonovog;

Kašnjenje potencijala povezano s konačnom brzinom širenja gravitacijskih perturbacija; pojava gravitacionih talasa;

Nelinearni efekti: gravitacijski talasi teže međusobnoj interakciji, tako da princip superpozicije talasa u jakim poljima više ne važi;

Promjena geometrije prostor-vremena;

Pojava crnih rupa;

3.5. Moderne klasične teorije gravitacije

Zbog činjenice da su kvantni efekti gravitacije izuzetno mali čak i pod najekstremnijim eksperimentalnim i opservacijskim uvjetima, još uvijek nema pouzdanih opažanja o njima. Teorijske procjene pokazuju da se u ogromnoj većini slučajeva može ograničiti na klasičan opis gravitacijske interakcije.

Postoji moderna kanonska klasična teorija gravitacije - opća teorija relativnosti, i mnoge hipoteze koje je rafiniraju i teorije različitog stepena razvoja koje se međusobno takmiče (vidi članak Alternativne teorije gravitacije). Sve ove teorije daju vrlo slična predviđanja u okviru aproksimacije u kojoj se trenutno provode eksperimentalni testovi. Sljedeće su neke od glavnih, najrazvijenijih ili najpoznatijih teorija gravitacije.

Newtonova teorija gravitacije zasniva se na konceptu gravitacije, koja je sila velikog dometa: djeluje trenutno na bilo kojoj udaljenosti. Ova trenutna priroda radnje nije u skladu sa paradigmom polja moderne fizike, a posebno sa specijalnom teorijom relativnosti koju je 1905. godine stvorio Ajnštajn, inspirisan radom Poincarea i Lorentza. U Ajnštajnovoj teoriji, nijedna informacija ne može da putuje brže od brzine svetlosti u vakuumu.

Matematički, Newtonova gravitaciona sila je izvedena iz potencijalne energije tijela u gravitacionom polju. Gravitacijski potencijal koji odgovara ovoj potencijalnoj energiji podliježe Poissonovoj jednadžbi, koja nije invarijantna prema Lorentzovoj transformaciji. Razlog za neinvarijantnost je taj što energija u specijalnoj teoriji relativnosti nije skalarna veličina, već ulazi u vremensku komponentu 4-vektora. Pokazalo se da je vektorska teorija gravitacije slična Maxwellovoj teoriji elektromagnetnog polja i dovodi do negativne energije gravitacijskih valova, što je povezano s prirodom interakcije: poput naboja (mase) u gravitaciji privlače, a ne odbijaju, jer u elektromagnetizmu. Dakle, Newtonova teorija gravitacije nije u skladu s temeljnim principom specijalne teorije relativnosti - nepromjenjivosti zakona prirode u bilo kojem inercijskom referentnom okviru i direktnom vektorskom generalizacijom Newtonove teorije, koju je Poincaré prvi predložio 1905. rad "O dinamici elektrona", dovodi do fizički nezadovoljavajućih rezultata.

Ajnštajn je počeo da traga za teorijom gravitacije koja bi bila kompatibilna sa principom nepromenljivosti zakona prirode u odnosu na bilo koji referentni okvir. Rezultat ove pretrage bila je opšta teorija relativnosti, zasnovana na principu identičnosti gravitacione i inercijalne mase.

Princip jednakosti gravitacionih i inercijskih masa

U klasičnoj Njutnovoj mehanici postoje dva koncepta mase: prvi se odnosi na drugi Newtonov zakon, a drugi na zakon univerzalne gravitacije. Prva masa - inercijska (ili inercijska) - je omjer negravitacijske sile koja djeluje na tijelo i njegovog ubrzanja. Druga masa - gravitaciona (ili, kako se ponekad naziva, teška) - određuje silu privlačenja tijela od strane drugih tijela i vlastitu silu privlačenja. Uopšteno govoreći, ove dvije mase mjere se, kao što se vidi iz opisa, u različitim eksperimentima, tako da uopće ne moraju biti proporcionalne jedna drugoj. Njihova stroga proporcionalnost nam omogućava da govorimo o jednoj tjelesnoj masi u negravitacijskim i gravitacijskim interakcijama. Odgovarajućim izborom jedinica, ove mase mogu biti jednake jedna drugoj.

Sam princip je izneo Isak Njutn, a jednakost masa je on eksperimentalno potvrdio sa relativnom tačnošću od 10−3. Krajem 19. vijeka Eötvös je izvodio suptilnije eksperimente, dovodeći tačnost verifikacije principa na 10−9. Tokom 20. veka eksperimentalne tehnike su omogućile da se potvrdi jednakost masa sa relativnom tačnošću od 10−12-10−13 (Braginski, Dike, itd.).

Ponekad se princip jednakosti gravitacionih i inercijskih masa naziva slabim principom ekvivalencije. Albert Ajnštajn ju je stavio u osnovu opšte teorije relativnosti.

Princip kretanja po geodetskim linijama

Ako je gravitaciona masa tačno jednaka inercijskoj masi, tada se u izrazu za ubrzanje tijela, na koje djeluju samo gravitacijske sile, obje mase smanjuju. Dakle, ubrzanje tijela, a time i njegova putanja, ne zavise od mase i unutrašnje strukture tijela. Ako sva tijela u istoj tački u prostoru primaju isto ubrzanje, onda se to ubrzanje može povezati ne sa svojstvima tijela, već sa svojstvima samog prostora u ovoj tački.

Dakle, opis gravitacijske interakcije između tijela može se svesti na opis prostor-vremena u kojem se tijela kreću. Prirodno je pretpostaviti, kao što je to radio Ajnštajn, da se tela kreću po inerciji, odnosno na takav način da je njihovo ubrzanje u sopstvenom referentnom okviru nula. Putanja tela će tada biti geodetske linije, čiju su teoriju razvili matematičari još u 19. veku.

Same geodetske linije mogu se pronaći specificiranjem u prostor-vremenu analoga udaljenosti između dva događaja, koji se tradicionalno naziva interval ili svjetska funkcija. Interval u trodimenzionalnom prostoru i jednodimenzionalnom vremenu (drugim riječima, u četverodimenzionalnom prostor-vremenu) dat je sa 10 nezavisnih komponenti metričkog tenzora. Ovih 10 brojeva čine prostornu metriku. Definira "udaljenost" između dvije beskonačno bliske tačke prostor-vremena u različitim smjerovima. Geodetske linije koje odgovaraju svjetskim linijama fizičkih tijela čija je brzina manja od brzine svjetlosti pokazuju se kao linije najvećeg pravog vremena, odnosno vremena koje mjeri sat čvrsto pričvršćen za tijelo koje slijedi ovu putanju.

Moderni eksperimenti potvrđuju kretanje tijela duž geodetskih linija sa istom preciznošću kao i jednakost gravitacijske i inercijalne mase.

Zaključak

Neki zanimljivi zaključci odmah slijede iz Newtonovih zakona. Dakle, treći Newtonov zakon kaže da, bez obzira na to kako tijela stupaju u interakciju, ne mogu promijeniti svoj ukupni impuls: javlja se zakon održanja količine gibanja. Nadalje, potrebno je zahtijevati da interakcijski potencijal dva tijela zavisi samo od modula razlike u koordinatama ovih tijela U(|r1-r2|). Tada nastaje zakon održanja ukupne mehaničke energije tijela u interakciji:

Njutnovi zakoni su osnovni zakoni mehanike. Iz njih se mogu izvesti svi drugi zakoni mehanike.

Istovremeno, Newtonovi zakoni nisu najdublji nivo formulacije klasične mehanike. U okviru Lagranžove mehanike postoji samo jedna formula (zapis mehaničkog dejstva) i jedan jedini postulat (tela se kreću tako da je dejstvo minimalno), iz čega se mogu izvesti svi Njutnovi zakoni. Štaviše, u okviru Lagranžovog formalizma lako se mogu razmatrati hipotetičke situacije u kojima radnja ima neki drugi oblik. U ovom slučaju, jednadžbe kretanja više neće ličiti na Newtonove zakone, ali će i dalje biti primjenjiva klasična mehanika...

Rješenje jednadžbi kretanja

Jednačina F = ma (odnosno, Newtonov drugi zakon) je diferencijalna jednačina: ubrzanje je drugi izvod koordinate u odnosu na vrijeme. To znači da se evolucija mehaničkog sistema u vremenu može nedvosmisleno odrediti ako su specificirane njegove početne koordinate i početne brzine. Imajte na umu da kada bi jednačine koje opisuju naš svijet bile jednačine prvog reda, onda bi fenomeni kao što su inercija, oscilacije i valovi nestali iz našeg svijeta.

Proučavanje osnovnih zakona fizike potvrđuje da se nauka progresivno razvija: svaka faza, svaki otkriveni zakon je faza u razvoju, ali ne daje definitivne odgovore na sva pitanja.

književnost:

1. 
   Velika sovjetska enciklopedija (Njutnovi zakoni mehanike i drugi članci), 1977, “Sovjetska enciklopedija”
2. 
   Online enciklopedija www.wikipedia.com

Federalna agencija za obrazovanje

GOU VPO Rybinsk State Aviation Academy. P.A. Solovjova

Katedra za opštu i tehničku fiziku

SAŽETAK

Tema: “Osnovni zakoni fizike”

Grupa ZKS-07

Predavač: Vasilyuk O.V.

10.2. FUNDAMENTALNI FIZIČKI ZAKONI

Osnovni fizikalni zakoni su najpotpuniji do sada, ali približan odraz objektivnih procesa u prirodi. Različite forme kretanja materije opisuju različite fundamentalne teorije. Svaka od ovih teorija opisuje dobro definisane fenomene: mehaničko ili toplotno kretanje, elektromagnetne pojave.
Postoje opštiji zakoni u strukturi fundamentalnih fizičkih teorija, koji pokrivaju sve oblike kretanja materije i sve procese. To su zakoni simetrije, ili invarijantnosti, i zakoni održanja fizičkih veličina koji su s njima povezani.

10.2.1. Zakoni održanja fizičkih veličina
10.2.1.1. Zakon održanja mase
10.2.1.2. Zakon održanja impulsa
10.2.1.3. Zakon održanja naboja
10.2.1.4. Zakon održanja energije u mehaničkim procesima

10.2.1. Zakoni održanja fizičkih veličina

Zakoni održanja fizičkih veličina su tvrdnje prema kojima se numeričke vrijednosti ovih veličina ne mijenjaju s vremenom ni u jednom procesu ili klasi procesa. U stvari, u mnogim slučajevima, zakoni očuvanja jednostavno slijede iz principa simetrije.
Ideja o očuvanju prvo se pojavila kao čisto filozofska pretpostavka o prisutnosti nepromjenjivog (stabilnog) u svijetu koji se stalno mijenja. Čak su i antički filozofi-materijalisti došli do koncepta materije kao neuništive i nestvarne osnove svega što postoji. S druge strane, promatranje stalnih promjena u prirodi dovelo je do ideje o vječnom kretanju materije kao njenom važnom svojstvu. Sa pojavom matematičke formulacije mehanike, na ovoj osnovi su se pojavili zakoni održanja.
Zakoni održanja su usko povezani sa svojstvima simetrije fizičkih sistema. U ovom slučaju, simetrija se shvata kao invarijantnost fizičkih zakona u odnosu na određenu grupu transformacija veličina koje su u njih uključene. Prisustvo simetrije dovodi do činjenice da za dati sistem postoji očuvana fizička veličina. Ako su svojstva simetrije sistema poznata, obično je moguće pronaći zakon održanja za njega i obrnuto.
Dakle, zakoni očuvanja su:
1. Predstavljaju najopštiji oblik determinizma.
2. Potvrdite strukturno jedinstvo materijalnog svijeta.
3. Omogućavaju da se izvuče zaključak o prirodi ponašanja sistema.
4. Otkrivaju postojanje duboke veze između različitih oblika kretanja materije.
Najvažniji zakoni očuvanja koji važe za sve izolovane sisteme su:
- zakon održanja i transformacije energije;
- zakon održanja impulsa;
- zakon održanja električnog naboja;
- zakon održanja mase.
Pored univerzalnih, postoje zakoni očuvanja koji važe samo za ograničenu klasu sistema i pojava. Tako, na primjer, postoje zakoni očuvanja koji djeluju samo u mikrokosmosu. Ovo:
- zakon održanja barionskog ili nuklearnog naboja;
- zakon održanja leptonskog naboja;
- zakon održanja izotopskog spina;
- zakon održanja neobičnosti.
U modernoj fizici otkrivena je određena hijerarhija zakona održanja i principa simetrije. Neki od ovih principa su ispunjeni u bilo kojoj interakciji, dok drugi - samo u jakim. Ova hijerarhija se jasno manifestuje u unutrašnjim principima simetrije koji deluju u mikrokosmosu.
Razmotrite najvažnije zakone o očuvanju.

10.2.1.1. Zakon održanja mase

Transformacije i promjene materije u prirodi su beskonačno raznolike. Istraživače je zabrinulo pitanje: da li se supstanca čuva tokom ovih promjena? Svako od nas morao je gledati kako se bilo koja stvar, čak i čelik, s vremenom troši, smanjuje u veličini. Ali da li to znači da i najmanje čestice metala nestaju bez traga? Ne, samo se izgube, razbacuju se u različitim smjerovima, izbačeni sa smećem, odlete, stvarajući prašinu.
Druge transformacije se dešavaju u prirodi. Na primjer, pušite cigaretu. Prođe nekoliko minuta i ništa nije ostalo od duvana, osim male gomile pepela i laganog plavkastog dima koji se raspršio u vazduhu. Ili, na primjer, gori svijeća. Postepeno postaje sve manji i manji. Čak ni pepeo nije ostao ovde. Sagorijevanje bez ostatka, svijeća i ono od čega se sastoji prolaze kroz hemijsku transformaciju supstance. Čestice duhana i svijeće se ne raspršuju na strane, ne gube se postepeno na različitim mjestima. Oni gore i spolja nestaju bez traga.
Promatrajući prirodu, ljudi su dugo obraćali pažnju na druge pojave, kada se čini da supstanca nastaje iz „ničega“. Tako, na primjer, iz malog sjemena izraste velika biljka u saksiji za cvijeće, a težina zemlje koja se nalazi u loncu ostaje gotovo ista. Može li nešto što postoji u svijetu zaista nestati ili se, naprotiv, pojaviti ni iz čega? Drugim riječima, da li je materija od koje je izgrađena sva raznolikost našeg svijeta razoriva ili neuništiva?
Za 2400 godina prije Krista. e. čuveni filozof antičke Grčke Demokrit je napisao: „Ništa ne može nastati iz ničega, ništa što postoji ne može biti uništeno.
Mnogo kasnije, u XVI-XVII vijeku. ova ideja je ponovo oživljena i izražena od strane mnogih naučnika. Međutim, takve izjave bile su samo nagađanje, a ne naučna teorija, potvrđena eksperimentima. Po prvi put je ovaj stav dokazao i iskustvom potvrdio veliki ruski naučnik M.V. Lomonosov.
Lomonosov je bio čvrsto uvjeren u neuništivost materije, da ništa na svijetu ne može nestati bez traga. Sa bilo kakvim promjenama u tvarima, kemijskim interakcijama - bilo da se jednostavna tijela kombinuju u složena, ili, obrnuto, složena tijela se razlažu u odvojene kemijske elemente - ukupna količina materije ostaje nepromijenjena. Drugim riječima, za sve promjene, ukupna težina tvari mora ostati nepromijenjena. Pretpostavimo da kao rezultat bilo koje reakcije nestanu dvije tvari koje međusobno djeluju i da se dobije nepoznata treća - težina novonastalog spoja trebala bi biti jednaka težini prve dvije.
Savršeno dobro shvatajući značaj zakona očuvanja, neuništivost materije za nauku, Lomonosov je tražio potvrdu svojih misli. Odlučio je da ponovi eksperimente engleskog naučnika iz 17. vijeka. R. Boyle.
Boylea su zanimale promjene u težini metala pri zagrijavanju. Postavio je sljedeći eksperiment: stavio je komad metala u staklenu retortu i izmjerio ga.
Zatim, zalemivši uski vrat posude, zagrijao ga je na vatri. Dva sata kasnije, Boyle je izvadio posudu iz plamena, odlomio vrat retorte i nakon što je ohladio, izvagao je. Metal je povećao težinu.
Boyle je razlog vidio u činjenici da najsitnije čestice "materije vatre" prodiru kroz staklo u posudu i spajaju se s metalom. U vrijeme Boylea i Lomonosova, naučnici su objašnjavali neshvatljive pojave prirode uz pomoć raznih neuhvatljivih „materija“, ali nisu mogli reći šta su. Lomonosov nije priznao postojanje misteriozne "materije". Bio je siguran da razlog povećanja težine leži negdje drugdje, te je odlučio da dokaže da ne postoji “fina sveprožimajuća materija vatre”, kao i da se tokom hemijskih transformacija ukupna težina tvari elemenata koji učestvuju u reakcija ostaje nepromijenjena.
Lomonosov je ponovio Boyleov eksperiment i dobio isti rezultat: težina metala se povećala. Zatim je modificirao eksperiment: nakon zagrijavanja retorte na vatri i hlađenja, posuda se važe bez prekidanja vrata. Tako je dokazao da će "bez dopuštanja vanjskog zraka, težina spaljenog metala ostati u jednoj mjeri, bez obzira da vatra prodre u retortu."
Povećanje težine u slučaju kada je retorta otvorena prije vaganja, Lomonosov je objasnio ovisnošću o apsorpciji zraka od strane metala. Sada znamo da kada se zagriju, metali oksidiraju, spajaju se s kisikom. U Boyleovom eksperimentu, metal uzima kisik iz zraka u zatvorenoj retorti. Istovremeno, njegova težina raste tačno onoliko koliko se smanjuje težina zraka u retorti. Zbog toga se ukupna težina zatvorene retorte i tijela smještenog u nju ne mijenja. Iako se ovdje događa oksidacija, ukupna količina tvari se ne smanjuje niti povećava - težina tvari koje sudjeluju u reakciji se ne mijenja. Ali kada se retorta otvori, umjesto kisika iz zraka koji je apsorbirao metal, vanjski zrak će upasti u bocu, zbog čega će se težina retorte povećati.
Dakle, M.V. Lomonosov je otkrio zakon održanja materije ili, kako se zove, zakon održanja mase. Sedamnaest godina nakon Lomonosova, ovaj zakon je brojnim eksperimentima potvrdio francuski hemičar A. Lavoisier. Nakon toga, zakon održanja mase više puta je potvrđen brojnim i raznovrsnim eksperimentima. Trenutno je to jedan od osnovnih zakona koji se nalaze u osnovi nauke o prirodi.

10.2.1.2. Zakon održanja impulsa

Mirovanje i kretanje tijela su relativni, brzina kretanja ovisi o izboru referentnog okvira. Prema drugom Newtonovom zakonu, bez obzira da li je tijelo mirovalo ili se kretalo jednoliko i pravolinijski, do promjene brzine kretanja može doći samo pod djelovanjem sile, tj. kao rezultat interakcije sa drugim tijelima.
Postoji fizička veličina koja se jednako mijenja za sva tijela pod djelovanjem istih sila, ako je vrijeme djelovanja sile isto, jednako umnošku mase tijela i njegove brzine i naziva se impuls tijelo. Promjena količine gibanja jednaka je impulsu primijenjene sile. Zamah tijela je kvantitativna karakteristika translacijskog kretanja tijela.
Eksperimentalna istraživanja interakcija različitih tijela - od planeta i zvijezda do atoma i elektrona, elementarnih čestica - pokazala su da u bilo kojem sistemu tijela koji međusobno djeluju, u odsustvu sila drugih tijela koja nisu uključena u sistem, ili ako je zbir djelujućih sila jednak nuli, geometrijski zbir impulsa tijela ostaje konstantan.
Sistem tijela koji ne stupaju u interakciju s drugim tijelima koja nisu uključena u ovaj sistem naziva se zatvorenim. Dakle, u zatvorenom sistemu, geometrijski zbir impulsa tijela ostaje konstantan za bilo koju interakciju tijela ovog sistema jedno s drugim. Ovaj fundamentalni zakon prirode naziva se zakon održanja količine kretanja.
Neophodan uslov za primenljivost zakona održanja impulsa na sistem tela u interakciji je upotreba inercijalnog referentnog okvira. Mlazni pogon se zasniva na zakonu održanja momenta, koristi se u proračunu usmjerenih eksplozija, na primjer, pri postavljanju tunela u planinama. Let u svemir postao je moguć zahvaljujući upotrebi višestepenih raketa.

10.2.1.3. Zakon održanja naboja

Ne mogu se sve prirodne pojave razumjeti i objasniti na osnovu koncepata i zakona mehanike, molekularno-kinetičke teorije strukture materije i termodinamike. Ove nauke ne govore ništa o prirodi sila koje vezuju pojedinačne atome i molekule, drže atome i molekule materije u čvrstom stanju na određenoj udaljenosti jedan od drugog. Zakoni interakcije između atoma i molekula mogu se razumjeti i objasniti na osnovu ideje da električni naboji postoje u prirodi.
Najjednostavniji i najsvakodnevniji fenomen u kojem se otkriva činjenica postojanja električnih naboja u prirodi je naelektrizacija tijela pri dodiru. Interakcija tijela otkrivena tokom naelektrisanja naziva se elektromagnetna interakcija, a fizička veličina koja određuje elektromagnetnu interakciju naziva se električni naboj. Sposobnost električnih naboja da privlače i odbijaju ukazuje na postojanje dvije različite vrste naboja: pozitivnog i negativnog.
Električni naboji se mogu pojaviti ne samo kao rezultat naelektrisanja kada tijela dođu u kontakt, već i tijekom drugih interakcija, na primjer, pod utjecajem sile (piezoelektrični efekat). Ali uvijek u zatvorenom sistemu, koji ne uključuje naboje, za bilo kakve interakcije tijela, algebarski (tj. uzimajući u obzir predznak) zbir električnih naboja svih tijela ostaje konstantan. Ova eksperimentalno utvrđena činjenica naziva se zakon održanja električnog naboja.
Nigdje i nikada u prirodi ne nastaju i nestaju električni naboji istog znaka. Pojavu pozitivnog naboja uvijek prati pojava negativnog naboja jednakog po apsolutnoj vrijednosti, ali suprotnog predznaka. Ni pozitivni ni negativni naboji ne mogu nestati odvojeno jedno od drugog ako su jednaki po apsolutnoj vrijednosti.
Pojava i nestanak električnih naboja na tijelima u većini slučajeva objašnjava se prijelazima elementarnih nabijenih čestica - elektrona - iz jednog tijela u drugo. Kao što znate, sastav bilo kojeg atoma uključuje pozitivno nabijeno jezgro i negativno nabijene elektrone. U neutralnom atomu, ukupni naboj elektrona je tačno jednak naboju atomskog jezgra. Tijelo koje se sastoji od neutralnih atoma i molekula ima ukupan električni naboj jednak nuli.
Ako, kao rezultat bilo koje interakcije, dio elektrona prijeđe s jednog tijela na drugo, tada jedno tijelo prima negativan električni naboj, a drugo - pozitivan naboj jednak apsolutnoj vrijednosti. Kada dva suprotno nabijena tijela dođu u kontakt, obično električni naboji ne nestaju bez traga, a višak elektrona prelazi sa negativno nabijenog tijela na tijelo u kojem su neki od atoma imali nepotpun skup elektrona na svojoj ljusci.
Poseban slučaj je susret elementarnih nabijenih antičestica, na primjer, elektrona i pozitrona. U ovom slučaju pozitivni i negativni električni naboji zaista nestaju, poništavaju se, ali u potpunosti u skladu sa zakonom održanja električnog naboja, budući da je algebarski zbir naboja elektrona i pozitrona jednak nuli.

10.2.1.4. Zakon održanja energije u mehaničkim procesima

Mehanička energija se dijeli na dvije vrste: potencijalnu i kinetičku. Potencijalna energija karakterizira tijela u interakciji, a kinetička energija koja se kreću. I potencijalna i kinetička energija se mijenjaju samo kao rezultat takve interakcije tijela, u kojoj sile koje djeluju na tijela vrše rad koji je različit od nule.
Razmotrimo sada pitanje promjene energije tokom interakcije tijela koja formiraju zatvoreni sistem. Ako više tijela međusobno djeluju samo gravitacijskim i elastičnim silama, a vanjske sile ne djeluju, tada za bilo koju interakciju tijela zbroj kinetičke i potencijalne energije tijela ostaje konstantan. Ova izjava se zove zakon održanja energije u mehaničkim procesima.
Zbir kinetičke i potencijalne energije tijela naziva se ukupna mehanička energija. Stoga se zakon održanja energije može formulisati na sljedeći način: ukupna mehanička energija zatvorenog sistema tijela koja djeluju u interakciji sa silama gravitacije i elastičnosti ostaje konstantna.
Osnovni sadržaj zakona održanja energije nije samo utvrđivanje činjenice očuvanja ukupne mehaničke energije, već i utvrđivanje mogućnosti međusobnih transformacija kinetičke i potencijalne energije u jednakoj kvantitativnoj mjeri tokom interakcije tijela.
Zakon održanja ukupne mehaničke energije u procesima koji uključuju elastične i gravitacijske sile jedan je od temeljnih zakona mehanike. Poznavanje ovog zakona pojednostavljuje rješavanje mnogih problema koji su od velikog značaja u praktičnom životu.
Na primjer, riječna energija se široko koristi za proizvodnju električne energije. U tu svrhu se grade brane, blokiraju rijeke. Pod dejstvom gravitacije, voda iz rezervoara iza brane ubrzano se kreće niz bunar i dobija određenu kinetičku energiju. Kada se brza struja vode sudari sa lopaticama hidraulične turbine, kinetička energija translacionog kretanja vode pretvara se u kinetičku energiju rotacionog kretanja rotora turbine, a zatim, pomoću električnog generatora, u električnu energiju .
Mehanička energija se ne čuva ako između tijela djeluju sile trenja. Automobil koji se kreće vodoravnim dijelom puta nakon gašenja motora prolazi određenu udaljenost i zaustavlja se pod djelovanjem sila trenja. Tokom kočenja automobila zagrijale su se kočione pločice, automobilske gume i asfalt. Kao rezultat djelovanja sila trenja, kinetička energija automobila nije nestala, već se pretvorila u unutrašnju energiju toplinskog kretanja molekula.
Dakle, u bilo kojoj fizičkoj interakciji energija ne nastaje, već samo prelazi iz jednog oblika u drugi. Ova eksperimentalno utvrđena činjenica naziva se zakon održanja i transformacije energije.
Izvori energije na Zemlji su veliki i raznovrsni. Nekada su ljudi poznavali samo jedan izvor energije - snagu mišića i snagu domaćih životinja. Energija se obnavljala kroz hranu. Mašine sada obavljaju većinu posla, pokreću ih fosilna goriva kao što su ugalj, treset, nafta, voda i vjetar.
Ako uđete u trag "pedigreu" svih ovih raznih vrsta energije, ispostaviće se da su sve to energija sunčevih zraka. Energiju vanjskog prostora koji nas okružuje akumulira Sunce u obliku energije atomskih jezgri, kemijskih elemenata, elektromagnetnih i gravitacijskih polja. Sunce, zauzvrat, daje Zemlji energiju koja se manifestuje u obliku energije vetra i talasa, plime, u obliku geomagnetizma, raznih vrsta zračenja (uključujući radioaktivnost unutrašnjosti, itd.), mišićne energije životinje svijet.
Geofizička energija se oslobađa u obliku prirodnih katastrofa (vulkanizam, potresi, grmljavine, cunami itd.), metabolizma u živim organizmima (koji čine osnovu života), korisnog rada za kretanje tijela, promjenu njihove strukture, kvaliteta, prijenos informacija , skladištenje energije u raznim vrstama baterija, kondenzatora, u elastičnoj deformaciji opruga, membrana.
Bilo koji oblici energije, koji se pretvaraju jedan u drugi kroz mehaničko kretanje, hemijske reakcije i elektromagnetsko zračenje, na kraju se pretvaraju u toplotu i raspršuju se u okolni prostor. Ovaj fenomen se manifestuje u obliku eksplozivnih procesa, sagorevanja, raspadanja, topljenja, isparavanja, deformacije i radioaktivnog raspada. U prirodi postoji kruženje energije, karakterizirano činjenicom da se u svemiru ne ostvaruje samo haos, već i proces obrnut od njega – uređenje struktura, koje se jasno vide prvenstveno u formiranju zvijezda, transformaciji i nastanku nova elektromagnetna i gravitaciona polja, a oni opet nose svoju energiju novim "solarnim sistemima". I sve se vrati u normalu.
Zakon održanja mehaničke energije formulisao je njemački naučnik A. Leibniz. Tada je njemački naučnik Yu.R. Mayer, engleski fizičar J. Joule i njemački naučnik G. Helmholtz eksperimentalno su otkrili zakone održanja energije u nemehaničkim pojavama.
Dakle, sredinom XIX vijeka. oblikovali su se zakoni održanja mase i energije, koji su tumačeni kao zakoni održanja materije i kretanja. Početkom XX veka. oba ova zakona održanja su podvrgnuta radikalnoj reviziji u vezi s pojavom specijalne teorije relativnosti: pri opisivanju kretanja brzinama bliskim brzini svjetlosti, klasična Njutnova mehanika je zamijenjena relativističkom mehanikom. Pokazalo se da masa, određena inercijskim svojstvima tijela, ovisi o njegovoj brzini i stoga karakterizira ne samo količinu materije, već i njeno kretanje. Koncept energije je također doživio promjenu: ukupna energija se pokazala proporcionalnom masi (E = ms2). Dakle, zakon održanja energije u specijalnoj teoriji relativnosti prirodno je kombinovao zakone održanja mase i energije koji su postojali u klasičnoj mehanici. Posebno, ovi zakoni se ne provode, tj. nemoguće je okarakterisati količinu materije bez uzimanja u obzir njenog kretanja i interakcije.
Evolucija zakona održanja energije pokazuje da zakoni održanja, izvučeni iz iskustva, trebaju s vremena na vrijeme eksperimentalnu provjeru i usavršavanje. Nemoguće je biti siguran da će sa širenjem granica ljudskog znanja dati zakon ili njegova specifična formulacija ostati na snazi. Zakon održanja energije, postajući sve precizniji, postepeno se iz neodređenog i apstraktnog iskaza pretvara u tačan kvantitativni oblik.

10.2.1.5. Zakoni očuvanja u mikrosvijetu

Zakoni održanja igraju važnu ulogu u kvantnoj teoriji, posebno u fizici elementarnih čestica. Zakoni o konzervaciji definišu pravila selekcije, čije bi kršenje dovelo do kršenja zakona o konzervaciji. Pored navedenih zakona održanja, koji se odvijaju u fizici makroskopskih tijela, u teoriji elementarnih čestica nastali su mnogi specifični zakoni održanja, koji omogućavaju tumačenje pravila selekcije uočenih u iskustvu. Takav je, na primjer, zakon održanja barionskog ili nuklearnog naboja, koji vrijedi za sve vrste interakcija. Prema njemu, nuklearna materija je očuvana: razlika između broja teških čestica (bariona) i broja njihovih antičestica se ne mijenja ni u jednom procesu. Lake elementarne čestice - leptoni (elektroni, neutrini, itd.) su također konzervirani.
Postoje i približni zakoni o očuvanju koji vrijede u nekim procesima, a krše se u drugim. Takvi zakoni očuvanja imaju smisla ako se može odrediti klasa procesa u kojima se izvode. Na primjer, zakoni održanja neobičnosti, izotopskog spina i parnosti strogo se poštuju u procesima koji nastaju uslijed jake interakcije, ali se krše u procesima slabe interakcije. Elektromagnetna interakcija krši zakon održanja izotopskog spina. Stoga su nas studije elementarnih čestica ponovo podsjetile na potrebu testiranja postojećih zakona održanja u svakoj oblasti fenomena. Izvode se složeni eksperimenti s ciljem otkrivanja mogućih slabih kršenja zakona očuvanja u mikrokosmosu.
Verifikacija mehaničkih zakona održanja je verifikacija odgovarajućih fundamentalnih svojstava prostora-vremena. Dugo se vjerovalo da pored navedenih elemenata simetrije (očuvanje energije je povezano s homogenošću vremena, očuvanje količine kretanja - s homogenošću prostora), prostor-vrijeme ima i zrcalnu simetriju, tj. invarijantnost prema prostornoj inverziji. Tada treba sačuvati paritet. Međutim, 1857. godine eksperimentalno je otkriveno paritetno neočuvanje u slaboj interakciji, što je postavilo pitanje revizije gledišta o simetriji prostor-vremena i osnovnih zakona održanja (posebno o zakonima održanja energije i impulsa).