Leggi fondamentali della fisica. Concetti e leggi fondamentali della fisica e proprietà delle particelle elementari della materia

Elena Czerski

Fisico, oceanografo, presentatore di popolari programmi scientifici sulla BBC.

Quando si tratta di fisica, presentiamo alcune formule, qualcosa di strano e incomprensibile, non necessario per una persona comune. Potremmo aver sentito parlare di meccanica quantistica e cosmologia. Ma tra questi due poli c'è proprio tutto ciò che compone la nostra quotidianità: pianeti e sandwich, nuvole e vulcani, bolle e strumenti musicali. E sono tutti governati da un numero relativamente piccolo di leggi fisiche.

Possiamo costantemente osservare queste leggi in azione. Prendi, ad esempio, due uova - crude e bollite - e falle girare, quindi fermati. L'uovo sodo rimarrà immobile, quello crudo ricomincerà a ruotare. Questo perché hai solo fermato il guscio e il liquido all'interno continua a ruotare.

Questa è una chiara dimostrazione della legge di conservazione del momento angolare. Semplificato, può essere formulato come segue: iniziando a ruotare attorno ad un asse costante, il sistema continuerà a ruotare finché qualcosa non lo fermerà. Questa è una delle leggi fondamentali dell'universo.

È utile non solo quando devi distinguere un uovo sodo da uno crudo. Può anche essere usato per spiegare come il telescopio spaziale Hubble, essendo privo di qualsiasi supporto nello spazio, punti l'obiettivo su una certa parte del cielo. Ha solo giroscopi rotanti all'interno, che essenzialmente si comportano come un uovo crudo. Il telescopio stesso ruota attorno a loro e quindi cambia posizione. Si scopre che la legge, che possiamo testare nella nostra cucina, spiega anche il dispositivo di una delle tecnologie più straordinarie dell'umanità.

Conoscendo le leggi fondamentali che regolano la nostra vita quotidiana, smettiamo di sentirci impotenti.

Per capire come funziona il mondo che ci circonda, dobbiamo prima capirne le basi -. Dobbiamo capire che la fisica non è solo strani scienziati nei laboratori o formule complicate. È proprio di fronte a noi, a disposizione di tutti.

Da dove cominciare, potresti pensare. Sicuramente hai notato qualcosa di strano o incomprensibile, ma invece di pensarci ti sei detto che sei un adulto e non hai tempo per questo. Chersky consiglia di non ignorare queste cose, ma di iniziare con esse.

Se non vuoi aspettare che succeda qualcosa di interessante, metti l'uvetta nella soda e guarda cosa succede. Guarda il caffè versato prosciugarsi. Tocca il cucchiaio sul bordo della tazza e ascolta il suono. Infine, prova a far cadere il panino in modo che non cada con il burro rivolto verso il basso.

La sessione si avvicina ed è tempo per noi di passare dalla teoria alla pratica. Durante il fine settimana, ci siamo seduti e abbiamo pensato che molti studenti avrebbero fatto bene ad avere a portata di mano una raccolta di formule fisiche di base. Formule asciutte con spiegazione: brevi, concise, niente di più. Una cosa molto utile quando si risolvono problemi, sai. Sì, e nell'esame, quando esattamente ciò che è stato crudelmente memorizzato il giorno prima può "saltare fuori" dalla mia testa, una tale selezione ti servirà bene.

La maggior parte dei compiti viene solitamente assegnata nelle tre sezioni più popolari della fisica. Questo Meccanica, termodinamica E Fisica molecolare, elettricità. Prendiamoli!

Formule di base in fisica dinamica, cinematica, statica

Iniziamo con il più semplice. Il buon vecchio movimento rettilineo e uniforme preferito.

Formule cinematiche:

Certo, non dimentichiamoci del movimento in cerchio, per poi passare alla dinamica e alle leggi di Newton.

Dopo la dinamica, è il momento di considerare le condizioni per l'equilibrio di corpi e liquidi, ad es. statica e idrostatica

Ora diamo le formule di base sull'argomento "Lavoro ed energia". Dove saremmo senza di loro!

Formule fondamentali di fisica molecolare e termodinamica

Concludiamo la sezione della meccanica con le formule per le vibrazioni e le onde e passiamo alla fisica molecolare e alla termodinamica.

Efficienza, legge di Gay-Lussac, equazione di Clapeyron-Mendeleev: tutte queste dolci formule sono raccolte di seguito.

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Formule di base in fisica: l'elettricità

È ora di passare all'elettricità, anche se la termodinamica la ama meno. Iniziamo con l'elettrostatica.

E, con il rullo di tamburi, finiamo con le formule per la legge di Ohm, l'induzione elettromagnetica e le oscillazioni elettromagnetiche.

È tutto. Certo, si potrebbe dare un'intera montagna di formule, ma questo è inutile. Quando ci sono troppe formule, puoi facilmente confonderti e quindi sciogliere completamente il cervello. Ci auguriamo che il nostro cheat sheet di formule di base in fisica ti aiuti a risolvere i tuoi problemi preferiti in modo più rapido ed efficiente. E se vuoi chiarire qualcosa o non hai trovato la formula che ti serve: chiedi agli esperti servizio studenti. I nostri autori tengono in testa centinaia di formule e fanno clic su compiti come matti. Contattaci e presto qualsiasi compito sarà "troppo difficile" per te.

Diamo un'occhiata a questo un po '. Ciò che Snow intendeva dicendo che non puoi vincere è che poiché la materia e l'energia si conservano, non puoi guadagnarne una senza perdere l'altra (cioè E=mc²). Significa anche che è necessario fornire calore per far funzionare il motore, ma in assenza di un sistema perfettamente chiuso, parte del calore inevitabilmente fuoriuscirà nel mondo aperto, portando alla seconda legge.

La seconda legge - le perdite sono inevitabili - significa che a causa dell'aumento dell'entropia, non è possibile tornare allo stato energetico precedente. L'energia concentrata in un posto tenderà sempre verso luoghi di minore concentrazione.

Infine, la terza legge - non puoi uscire dal gioco - si riferisce alla temperatura più bassa teoricamente possibile - meno 273,15 gradi Celsius. Quando il sistema raggiunge lo zero assoluto, il movimento delle molecole si arresta, il che significa che l'entropia raggiungerà il suo valore più basso e non ci sarà nemmeno energia cinetica. Ma nel mondo reale è impossibile raggiungere lo zero assoluto, solo molto vicino ad esso.

Forza di Archimede

Dopo che l'antico greco Archimede scoprì il suo principio di galleggiamento, avrebbe gridato "Eureka!" (Trovato!) e corse nudo per Siracusa. Così dice la leggenda. La scoperta è stata così importante. La leggenda dice anche che Archimede scoprì il principio quando notò che l'acqua nella vasca da bagno sale quando un corpo vi è immerso.

Secondo il principio di galleggiamento di Archimede, la forza che agisce su un oggetto sommerso o parzialmente sommerso è uguale alla massa di fluido che l'oggetto sposta. Questo principio è di fondamentale importanza nei calcoli della densità, così come nella progettazione di sottomarini e altre navi oceaniche.

Evoluzione e selezione naturale

Ora che abbiamo stabilito alcuni dei concetti di base su come è nato l'universo e su come le leggi fisiche influenzano la nostra vita quotidiana, rivolgiamo la nostra attenzione alla forma umana e scopriamo come siamo arrivati ​​a questo punto. Secondo la maggior parte degli scienziati, tutta la vita sulla Terra ha un antenato comune. Ma per formare una così grande differenza tra tutti gli organismi viventi, alcuni di loro hanno dovuto trasformarsi in una specie separata.

In senso generale, questa differenziazione si è verificata nel processo di evoluzione. Le popolazioni di organismi e le loro caratteristiche sono passate attraverso meccanismi come le mutazioni. Quelli con più tratti di sopravvivenza, come le rane brune che si mimetizzano nelle paludi, sono stati naturalmente selezionati per la sopravvivenza. Da qui deriva il termine selezione naturale.

Puoi moltiplicare queste due teorie per molte, molte volte, e in realtà Darwin lo fece nel 19° secolo. L'evoluzione e la selezione naturale spiegano l'enorme diversità della vita sulla Terra.

La teoria generale della relatività di Albert Einstein è stata, e rimane, una scoperta importante che ha cambiato per sempre la nostra visione dell'universo. La principale scoperta di Einstein fu l'affermazione che spazio e tempo non sono assoluti e che la gravità non è solo una forza applicata a un oggetto oa una massa. Piuttosto, la gravità ha a che fare con il fatto che la massa deforma lo spazio e il tempo stesso (spaziotempo).

Per dare un senso a questo, immagina di guidare attraverso la Terra in linea retta in direzione est, diciamo, dall'emisfero settentrionale. Dopo un po', se qualcuno vuole determinare con precisione la tua posizione, ti troverai molto a sud e ad est della tua posizione originale. Questo perché la terra è curva. Per guidare dritto verso est, devi tenere conto della forma della Terra e guidare con un angolo leggermente verso nord. Confronta una palla rotonda e un foglio di carta.

Lo spazio è praticamente lo stesso. Ad esempio, sarà ovvio per i passeggeri di un razzo che vola intorno alla Terra che stanno volando in linea retta nello spazio. Ma in realtà, lo spazio-tempo intorno a loro si sta curvando sotto la forza di gravità terrestre, facendoli avanzare e rimanere nell'orbita terrestre.

La teoria di Einstein ha avuto un enorme impatto sul futuro dell'astrofisica e della cosmologia. Ha spiegato una piccola e inaspettata anomalia nell'orbita di Mercurio, ha mostrato come la luce delle stelle si piega e ha gettato le basi teoriche per i buchi neri.

Principio di indeterminazione di Heisenberg

L'espansione della relatività di Einstein ci ha insegnato di più su come funziona l'universo e ha contribuito a gettare le basi per la fisica quantistica, portando a un imbarazzo completamente inaspettato della scienza teorica. Nel 1927, la consapevolezza che tutte le leggi dell'universo sono flessibili in un certo contesto portò alla sorprendente scoperta dello scienziato tedesco Werner Heisenberg.

Postulando il suo principio di indeterminazione, Heisenberg si rese conto che era impossibile conoscere simultaneamente due proprietà di una particella con un alto livello di accuratezza. Puoi conoscere la posizione di un elettrone con un alto grado di precisione, ma non la sua quantità di moto, e viceversa.

Più tardi, Niels Bohr fece una scoperta che aiutò a spiegare il principio di Heisenberg. Bohr scoprì che l'elettrone ha le qualità sia di una particella che di un'onda. Il concetto divenne noto come dualità onda-particella e costituì la base della fisica quantistica. Pertanto, quando misuriamo la posizione di un elettrone, lo definiamo come una particella in un certo punto dello spazio con una lunghezza d'onda indefinita. Quando misuriamo la quantità di moto, consideriamo l'elettrone come un'onda, il che significa che possiamo conoscere l'ampiezza della sua lunghezza, ma non la posizione.

introduzione

1. Le leggi di Newton

1.1. Legge di inerzia (prima legge di Newton)

1.2 Legge del moto

1.3. Legge di conservazione della quantità di moto (Legge di conservazione della quantità di moto)

1.4. Forze di inerzia

1.5. Legge di viscosità

2.1. Leggi della termodinamica

1. 
   Legge di gravità

3.2. Interazione gravitazionale

3.3. Meccanica celeste

1. 
   Forti campi gravitazionali

3.5. Moderne teorie classiche della gravità

Conclusione

Letteratura

introduzione

Le leggi fondamentali della fisica descrivono i fenomeni più importanti della natura e dell'universo. Ci permettono di spiegare e persino prevedere molti fenomeni. Quindi, basandosi solo sulle leggi fondamentali della fisica classica (leggi di Newton, leggi della termodinamica, ecc.), L'umanità esplora con successo lo spazio, invia veicoli spaziali su altri pianeti.

Voglio considerare in questo lavoro le leggi più importanti della fisica e la loro relazione. Le leggi più importanti della meccanica classica sono le leggi di Newton, che sono sufficienti per descrivere i fenomeni nel macrocosmo (senza tener conto di valori elevati di velocità o massa, che si studiano in GR - Relatività Generale, o SRT - Relatività Speciale).

1. 
   Le leggi di Newton

Le leggi della meccanica di Newton - tre leggi alla base del cosiddetto. meccanica classica. Formulato da I. Newton (1687). Prima legge: “Ogni corpo continua ad essere tenuto nel suo stato di quiete o di moto uniforme e rettilineo fino a quando e in quanto è costretto dalle forze applicate a mutare questo stato”. La seconda legge: "La variazione di quantità di moto è proporzionale alla forza motrice applicata e avviene nella direzione della retta lungo la quale agisce questa forza". La terza legge: "C'è sempre una reazione uguale e contraria a un'azione, altrimenti le interazioni di due corpi l'una contro l'altra sono uguali e dirette in direzioni opposte".

1.1. Zako ́ nove ́ zioni (Prima Legge Nuova ́ tono) : un corpo libero, che non risente delle forze di altri corpi, è in uno stato di quiete o di moto rettilineo uniforme (il concetto di velocità qui si applica al centro di massa del corpo nel caso di moto non traslatorio). In altre parole, i corpi sono caratterizzati dall'inerzia (dal latino inertia - "inattività", "inerzia"), ovvero il fenomeno del mantenimento della velocità se vengono compensate le influenze esterne su di essi.

I sistemi di riferimento in cui è soddisfatta la legge di inerzia sono chiamati sistemi di riferimento inerziali (ISR).

La legge di inerzia fu formulata per la prima volta da Galileo Galilei, il quale, dopo molti esperimenti, concluse che non è necessaria alcuna causa esterna affinché un corpo libero si muova a velocità costante. Prima di questo, era generalmente accettato un diverso punto di vista (risalente ad Aristotele): un corpo libero è in quiete, e per muoversi a velocità costante è necessaria l'applicazione di una forza costante.

Successivamente, Newton formulò la legge di inerzia come la prima delle sue tre famose leggi.

Principio di relatività di Galileo: in tutti i sistemi di riferimento inerziali, tutti i processi fisici procedono allo stesso modo. In un sistema di riferimento portato a uno stato di quiete o di moto rettilineo uniforme rispetto a un sistema di riferimento inerziale (condizionalmente "a riposo"), tutti i processi procedono esattamente come in un sistema di riferimento a riposo.

Va notato che il concetto di un sistema di riferimento inerziale è un modello astratto (qualche oggetto ideale considerato invece di un oggetto reale. Un corpo assolutamente rigido o un filo senza peso servono come esempi di un modello astratto), i sistemi di riferimento reali sono sempre associato a qualche oggetto e la corrispondenza del movimento effettivamente osservato dei corpi in tali sistemi con i risultati dei calcoli sarà incompleta.

1.2 Legge del moto - una formulazione matematica di come si muove un corpo o di come avviene un movimento di una forma più generale.

Nella meccanica classica di un punto materiale, la legge del moto è costituita da tre dipendenze di tre coordinate spaziali dal tempo, o dalla dipendenza di una quantità vettoriale (raggio vettore) dal tempo, della forma

La legge del moto può essere ricavata, a seconda del compito, o dalle leggi differenziali della meccanica o da quelle integrali.

Legge di conservazione dell'energia - la legge fondamentale della natura, che consiste nel fatto che l'energia di un sistema chiuso si conserva nel tempo. In altre parole, l'energia non può sorgere dal nulla e non può scomparire nel nulla, può solo passare da una forma all'altra.

La legge di conservazione dell'energia si trova in vari rami della fisica e si manifesta nella conservazione di vari tipi di energia. Ad esempio, nella meccanica classica, la legge si manifesta nella conservazione dell'energia meccanica (la somma delle energie potenziale e cinetica). In termodinamica, la legge di conservazione dell'energia è chiamata la prima legge della termodinamica e parla della conservazione dell'energia in totale con l'energia termica.

Poiché la legge di conservazione dell'energia non si riferisce a quantità e fenomeni specifici, ma riflette uno schema generale applicabile ovunque e sempre, è più corretto chiamarla non una legge, ma il principio di conservazione dell'energia.

Un caso particolare - La legge di conservazione dell'energia meccanica - l'energia meccanica di un sistema meccanico conservativo si conserva nel tempo. In poche parole, in assenza di forze come l'attrito (forze dissipative), l'energia meccanica non nasce dal nulla e non può scomparire da nessuna parte.

Mik1+Mip1=Mid2+Mip2

La legge di conservazione dell'energia è una legge integrale. Ciò significa che è costituito dall'azione di leggi differenziali ed è una proprietà della loro azione combinata. Ad esempio, a volte si dice che l'impossibilità di creare una macchina a moto perpetuo sia dovuta alla legge di conservazione dell'energia. Ma non lo è. Infatti, in ogni progetto di macchina a moto perpetuo, scatta una delle leggi differenziali ed è proprio lui a rendere inoperante il motore. La legge di conservazione dell'energia generalizza semplicemente questo fatto.

Secondo il teorema di Noether, la legge di conservazione dell'energia meccanica è una conseguenza dell'omogeneità del tempo.

1.3. Zako ́ n salva ́ E ́ polso (Zako ́ n salva ́ Se ́ qualità del movimento) afferma che la somma dei momenti di tutti i corpi (o particelle) di un sistema chiuso è un valore costante.

Dalle leggi di Newton si può dimostrare che quando ci si muove nello spazio vuoto, la quantità di moto si conserva nel tempo e, in presenza di interazione, la velocità della sua variazione è determinata dalla somma delle forze applicate. Nella meccanica classica, la legge di conservazione della quantità di moto è solitamente derivata come conseguenza delle leggi di Newton. Tuttavia, questa legge di conservazione è vera anche nei casi in cui la meccanica newtoniana è inapplicabile (fisica relativistica, meccanica quantistica).

Come qualsiasi legge di conservazione, la legge di conservazione della quantità di moto descrive una delle simmetrie fondamentali, l'omogeneità dello spazio

Terza legge di Newton spiega cosa succede a due corpi che interagiscono. Prendiamo ad esempio un sistema chiuso costituito da due corpi. Il primo corpo può agire sul secondo con una forza F12 e il secondo sul primo con la forza F21. Come sono correlate le forze? La terza legge di Newton afferma che la forza di azione è uguale in grandezza e opposta in direzione alla forza di reazione. Sottolineiamo che queste forze sono applicate a corpi diversi e quindi non sono affatto compensate.

La legge stessa:

I corpi agiscono l'uno sull'altro con forze dirette lungo la stessa retta, uguali in modulo e opposte in direzione: .

1.4. Forze di inerzia

Le leggi di Newton, in senso stretto, sono valide solo nei sistemi di riferimento inerziali. Se scriviamo onestamente l'equazione del moto di un corpo in un sistema di riferimento non inerziale, allora differirà nell'aspetto dalla seconda legge di Newton. Tuttavia, spesso, per semplificare la considerazione, viene introdotta qualche "forza d'inerzia" fittizia, e poi queste equazioni del moto vengono riscritte in una forma molto simile alla seconda legge di Newton. Matematicamente, tutto qui è corretto (corretto), ma dal punto di vista della fisica, una nuova forza fittizia non può essere considerata come qualcosa di reale, come risultato di una qualche interazione reale. Sottolineiamo ancora una volta: la "forza inerziale" è solo una comoda parametrizzazione di come le leggi del moto differiscono nei sistemi di riferimento inerziali e non inerziali.

1.5. Legge di viscosità

La legge della viscosità di Newton (attrito interno) è un'espressione matematica che mette in relazione lo stress dell'attrito interno τ (viscosità) e la variazione della velocità del mezzo v nello spazio

(velocità di deformazione) per corpi fluidi (liquidi e gas):

dove il valore di η è chiamato coefficiente di attrito interno o coefficiente dinamico di viscosità (unità CGS - poise). Il coefficiente cinematico di viscosità è il valore μ = η / ρ (l'unità CGS è Stokes, ρ è la densità del mezzo).

La legge di Newton può essere ottenuta analiticamente con metodi di cinetica fisica, dove la viscosità è solitamente considerata simultaneamente con la conducibilità termica e la corrispondente legge di Fourier per la conducibilità termica. Nella teoria cinetica dei gas, il coefficiente di attrito interno è calcolato dalla formula

dove è la velocità media del moto termico delle molecole, λ è il cammino libero medio.

2.1. Leggi della termodinamica

La termodinamica si basa su tre leggi, che sono formulate sulla base di dati sperimentali e quindi possono essere accettate come postulati.

* 1a legge della termodinamica. È una formulazione della legge di conservazione dell'energia generalizzata per i processi termodinamici. Nella sua forma più semplice, può essere scritto come δQ \u003d δA + d "U, dove dU è il differenziale totale dell'energia interna del sistema, e δQ e δA sono la quantità elementare di calore e il lavoro elementare svolto sul sistema, rispettivamente.Va tenuto presente che δA e δQ non possono essere considerati come differenziali nel senso usuale di questo concetto.Dal punto di vista dei concetti quantistici, questa legge può essere interpretata come segue: dU è il cambiamento nell'energia di un dato sistema quantistico, δA è il cambiamento nell'energia del sistema dovuto al cambiamento nella popolazione dei livelli energetici del sistema, e δQ è il cambiamento nell'energia del sistema quantistico dovuto al cambiamento nella struttura di livelli energetici.

* 2a legge della termodinamica: La seconda legge della termodinamica esclude la possibilità di creare una macchina a moto perpetuo del secondo tipo. Esistono diverse formulazioni diverse, ma allo stesso tempo equivalenti, di questa legge. 1 - Postulato di Clausius. Un processo in cui non avvengono altri cambiamenti, ad eccezione del trasferimento di calore da un corpo caldo a uno freddo, è irreversibile, cioè il calore non può passare da un corpo freddo a uno caldo senza altri cambiamenti nel sistema. Questo fenomeno è chiamato dissipazione o dispersione di energia. 2 - Postulato di Kelvin. Il processo in cui il lavoro viene convertito in calore senza altre modifiche nel sistema è irreversibile, cioè è impossibile convertire tutto il calore prelevato da una sorgente a temperatura uniforme in lavoro senza apportare altre modifiche al sistema.

* 3a legge della termodinamica: il teorema di Nernst: l'entropia di qualsiasi sistema a temperatura zero assoluto può sempre essere presa uguale a zero

3.1. Legge di gravità

La gravità (gravitazione universale, gravitazione) (dal latino gravitas - "gravità") è un'interazione fondamentale a lungo raggio in natura, a cui sono soggetti tutti i corpi materiali. Secondo i dati moderni, è un'interazione universale nel senso che, a differenza di qualsiasi altra forza, dà la stessa accelerazione a tutti i corpi senza eccezioni, indipendentemente dalla loro massa. Principalmente la gravità gioca un ruolo decisivo su scala cosmica. Il termine gravità è anche usato come nome di una branca della fisica che studia l'interazione gravitazionale. La teoria fisica moderna di maggior successo nella fisica classica che descrive la gravità è la teoria generale della relatività; la teoria quantistica dell'interazione gravitazionale non è stata ancora costruita.

3.2. Interazione gravitazionale

L'interazione gravitazionale è una delle quattro interazioni fondamentali nel nostro mondo. Nell'ambito della meccanica classica, l'interazione gravitazionale è descritta dalla legge di gravitazione universale di Newton, la quale afferma che la forza di attrazione gravitazionale tra due punti materiali di massa m1 e m2, separati da una distanza R, è

Qui G è la costante gravitazionale, pari a m³ / (kg s²). Il segno meno significa che la forza che agisce sul corpo è sempre uguale in direzione al raggio vettore diretto al corpo, cioè l'interazione gravitazionale porta sempre all'attrazione di qualsiasi corpo.

Il campo gravitazionale è potenziale. Ciò significa che è possibile introdurre l'energia potenziale dell'attrazione gravitazionale di una coppia di corpi, e questa energia non cambierà dopo aver spostato i corpi lungo un contorno chiuso. La potenzialità del campo gravitazionale implica la legge di conservazione della somma dell'energia cinetica e potenziale, e quando si studia il moto dei corpi in un campo gravitazionale, spesso semplifica notevolmente la soluzione. Nel quadro della meccanica newtoniana, l'interazione gravitazionale è a lungo raggio. Ciò significa che non importa come si muove un corpo massiccio, in qualsiasi punto dello spazio il potenziale gravitazionale dipende solo dalla posizione del corpo in un dato momento nel tempo.

Grandi oggetti spaziali: pianeti, stelle e galassie hanno una massa enorme e, quindi, creano campi gravitazionali significativi. La gravità è la forza più debole. Tuttavia, poiché opera a tutte le distanze e tutte le masse sono positive, è comunque una forza molto importante nell'universo. Per confronto: la carica elettrica totale di questi corpi è zero, poiché la sostanza nel suo insieme è elettricamente neutra. Inoltre, la gravità, a differenza di altre interazioni, è universale nei suoi effetti su tutta la materia e l'energia. Non sono stati trovati oggetti che non abbiano alcuna interazione gravitazionale.

A causa della sua natura globale, la gravità è responsabile di effetti su larga scala come la struttura delle galassie, i buchi neri e l'espansione dell'Universo, e di fenomeni astronomici elementari - le orbite dei pianeti, e per la semplice attrazione sulla superficie terrestre e corpi cadenti.

La gravità è stata la prima interazione descritta da una teoria matematica. Nei tempi antichi, Aristotele credeva che oggetti con masse diverse cadessero a velocità diverse. Solo molto più tardi, Galileo Galilei determinò sperimentalmente che non era così: se la resistenza dell'aria viene eliminata, tutti i corpi accelerano allo stesso modo. La legge di gravità di Isaac Newton (1687) era una buona descrizione del comportamento generale della gravità. Nel 1915, Albert Einstein creò la Teoria Generale della Relatività, che descrive più accuratamente la gravità in termini di geometria dello spaziotempo.

3.3. Meccanica celeste e alcuni dei suoi problemi

La sezione della meccanica che studia il moto dei corpi nello spazio vuoto solo sotto l'influenza della gravità è chiamata meccanica celeste.

Il compito più semplice della meccanica celeste è l'interazione gravitazionale di due corpi nello spazio vuoto. Questo problema è risolto analiticamente fino in fondo; il risultato della sua soluzione è spesso formulato sotto forma delle tre leggi di Keplero.

Con l'aumentare del numero di corpi che interagiscono, il problema diventa molto più complicato. Quindi, il già famoso problema dei tre corpi (cioè il moto di tre corpi con masse diverse da zero) non può essere risolto analiticamente in una forma generale. Con una soluzione numerica, l'instabilità delle soluzioni rispetto alle condizioni iniziali si manifesta piuttosto rapidamente. Quando applicata al sistema solare, questa instabilità rende impossibile prevedere il moto dei pianeti su scale superiori a cento milioni di anni.

In alcuni casi particolari è possibile trovare una soluzione approssimata. Il più importante è il caso in cui la massa di un corpo è significativamente maggiore della massa di altri corpi (esempi: il sistema solare e la dinamica degli anelli di Saturno). In questo caso, in prima approssimazione, possiamo assumere che i corpi leggeri non interagiscono tra loro e si muovono lungo traiettorie kepleriane attorno a un corpo massiccio. Le interazioni tra di loro possono essere prese in considerazione nell'ambito della teoria delle perturbazioni e calcolate la media nel tempo. In questo caso possono sorgere fenomeni non banali, come risonanze, attrattori, casualità, ecc. Un buon esempio di tali fenomeni è la struttura non banale degli anelli di Saturno.

Nonostante i tentativi di descrivere il comportamento di un sistema di un gran numero di corpi attrattivi di circa la stessa massa, ciò non è possibile a causa del fenomeno del caos dinamico.

3.4. Forti campi gravitazionali

Nei forti campi gravitazionali, quando ci si muove a velocità relativistiche, iniziano a manifestarsi gli effetti della teoria generale della relatività:

Deviazione della legge di gravità dal newtoniano;

Ritardo dei potenziali associato alla velocità finita di propagazione delle perturbazioni gravitazionali; la comparsa delle onde gravitazionali;

Effetti non lineari: le onde gravitazionali tendono ad interagire tra loro, quindi il principio della sovrapposizione delle onde nei campi forti non è più valido;

Cambiare la geometria dello spazio-tempo;

L'emergere dei buchi neri;

3.5. Moderne teorie classiche della gravità

A causa del fatto che gli effetti quantistici della gravità sono estremamente piccoli anche nelle condizioni sperimentali e osservative più estreme, non ci sono ancora osservazioni affidabili su di essi. Le stime teoriche mostrano che nella stragrande maggioranza dei casi ci si può limitare alla descrizione classica dell'interazione gravitazionale.

Esiste una moderna teoria classica canonica della gravità - la teoria generale della relatività, e molte ipotesi che la perfezionano e teorie di vari gradi di sviluppo che competono tra loro (vedi l'articolo Teorie alternative della gravità). Tutte queste teorie danno previsioni molto simili all'interno dell'approssimazione in cui sono attualmente in corso i test sperimentali. Quelle che seguono sono alcune delle teorie gravitazionali più importanti, più sviluppate o conosciute.

La teoria della gravità di Newton si basa sul concetto di gravità, che è una forza a lungo raggio: agisce istantaneamente a qualsiasi distanza. Questa natura istantanea dell'azione è incompatibile con il paradigma di campo della fisica moderna e, in particolare, con la teoria della relatività ristretta creata nel 1905 da Einstein, ispirandosi al lavoro di Poincaré e Lorentz. Nella teoria di Einstein, nessuna informazione può viaggiare più veloce della velocità della luce nel vuoto.

Matematicamente, la forza gravitazionale di Newton è derivata dall'energia potenziale di un corpo in un campo gravitazionale. Il potenziale gravitazionale corrispondente a questa energia potenziale obbedisce all'equazione di Poisson, che non è invariante rispetto alle trasformazioni di Lorentz. La ragione della non invarianza è che l'energia nella teoria della relatività ristretta non è una quantità scalare, ma entra nella componente temporale del quadrivettore. La teoria vettoriale della gravità risulta essere simile alla teoria del campo elettromagnetico di Maxwell e porta all'energia negativa delle onde gravitazionali, che è associata alla natura dell'interazione: come le cariche (masse) nella gravità si attraggono e non si respingono, come nell'elettromagnetismo. Pertanto, la teoria della gravità di Newton è incompatibile con il principio fondamentale della teoria della relatività ristretta - l'invarianza delle leggi della natura in qualsiasi sistema di riferimento inerziale e la generalizzazione vettoriale diretta della teoria di Newton, proposta per la prima volta da Poincaré nel 1905 nel suo il lavoro "Sulla dinamica dell'elettrone", porta a risultati fisicamente insoddisfacenti.

Einstein iniziò a cercare una teoria della gravità che fosse compatibile con il principio dell'invarianza delle leggi della natura rispetto a qualsiasi quadro di riferimento. Il risultato di questa ricerca fu la teoria generale della relatività, basata sul principio di identità della massa gravitazionale e inerziale.

Il principio di uguaglianza delle masse gravitazionali e inerziali

Nella meccanica newtoniana classica esistono due concetti di massa: il primo si riferisce alla seconda legge di Newton e il secondo alla legge di gravitazione universale. La prima massa - inerziale (o inerziale) - è il rapporto tra la forza non gravitazionale che agisce sul corpo e la sua accelerazione. La seconda massa - gravitazionale (o, come viene talvolta chiamata, pesante) - determina la forza di attrazione del corpo da parte di altri corpi e la propria forza di attrazione. In generale, queste due masse vengono misurate, come si può vedere dalla descrizione, in esperimenti diversi, quindi non devono essere affatto proporzionali tra loro. La loro stretta proporzionalità ci permette di parlare di una singola massa corporea sia nelle interazioni non gravitazionali che gravitazionali. Con un'opportuna scelta di unità, queste masse possono essere rese uguali tra loro.

Il principio stesso è stato proposto da Isaac Newton e l'uguaglianza delle masse è stata da lui verificata sperimentalmente con una precisione relativa di 10−3. Alla fine del XIX secolo, Eötvös condusse esperimenti più sottili, portando l'accuratezza della verifica del principio a 10−9. Durante il XX secolo, tecniche sperimentali hanno permesso di confermare l'uguaglianza delle masse con una precisione relativa di 10−12-10−13 (Braginsky, Dicke, ecc.).

A volte il principio di uguaglianza delle masse gravitazionali e inerziali è chiamato principio debole di equivalenza. Albert Einstein lo mise alla base della teoria generale della relatività.

Il principio del movimento lungo le linee geodetiche

Se la massa gravitazionale è esattamente uguale alla massa inerziale, allora nell'espressione per l'accelerazione di un corpo, su cui agiscono solo le forze gravitazionali, entrambe le masse sono ridotte. Pertanto, l'accelerazione del corpo, e quindi la sua traiettoria, non dipende dalla massa e dalla struttura interna del corpo. Se tutti i corpi nello stesso punto nello spazio ricevono la stessa accelerazione, allora questa accelerazione può essere associata non alle proprietà dei corpi, ma alle proprietà dello spazio stesso in questo punto.

Pertanto, la descrizione dell'interazione gravitazionale tra i corpi può essere ridotta a una descrizione dello spazio-tempo in cui i corpi si muovono. È naturale supporre, come fece Einstein, che i corpi si muovano per inerzia, cioè in modo tale che la loro accelerazione nel proprio sistema di riferimento sia zero. Le traiettorie dei corpi saranno quindi linee geodetiche, la cui teoria è stata sviluppata dai matematici nel XIX secolo.

Le stesse linee geodetiche possono essere trovate specificando nello spazio-tempo un analogo della distanza tra due eventi, tradizionalmente chiamato intervallo o funzione del mondo. L'intervallo nello spazio tridimensionale e nel tempo unidimensionale (in altre parole, nello spazio-tempo quadridimensionale) è dato da 10 componenti indipendenti del tensore metrico. Questi 10 numeri formano la metrica dello spazio. Definisce la "distanza" tra due punti infinitamente vicini dello spazio-tempo in direzioni diverse. Le linee geodetiche corrispondenti alle linee d'universo dei corpi fisici la cui velocità è inferiore a quella della luce risultano essere le linee del tempo proprio massimo, cioè il tempo misurato da un orologio rigidamente fissato al corpo che segue questa traiettoria.

Gli esperimenti moderni confermano il moto dei corpi lungo le linee geodetiche con la stessa accuratezza dell'uguaglianza delle masse gravitazionali e inerziali.

Conclusione

Alcune conclusioni interessanti derivano immediatamente dalle leggi di Newton. Quindi, la terza legge di Newton dice che, indipendentemente da come i corpi interagiscono, non possono cambiare la loro quantità di moto totale: sorge la legge di conservazione della quantità di moto. Inoltre, è necessario richiedere che il potenziale di interazione di due corpi dipenda solo dal modulo della differenza nelle coordinate di questi corpi U(|r1-r2|). Quindi sorge la legge di conservazione dell'energia meccanica totale dei corpi interagenti:

Le leggi di Newton sono le leggi fondamentali della meccanica. Tutte le altre leggi della meccanica possono essere derivate da esse.

Allo stesso tempo, le leggi di Newton non sono il livello più profondo di formulazione della meccanica classica. Nell'ambito della meccanica lagrangiana esiste una sola formula (che registra l'azione meccanica) e un solo postulato (i corpi si muovono in modo tale che l'azione sia minima), e da questo si possono derivare tutte le leggi di Newton. Inoltre, nell'ambito del formalismo lagrangiano, si possono facilmente considerare situazioni ipotetiche in cui l'azione ha qualche altra forma. In questo caso, le equazioni del moto non assomiglieranno più alle leggi di Newton, ma la stessa meccanica classica sarà ancora applicabile...

Soluzione delle equazioni del moto

L'equazione F = ma (ovvero la seconda legge di Newton) è un'equazione differenziale: l'accelerazione è la derivata seconda della coordinata rispetto al tempo. Ciò significa che l'evoluzione di un sistema meccanico nel tempo può essere determinata senza ambiguità se vengono specificate le sue coordinate iniziali e velocità iniziali. Si noti che se le equazioni che descrivono il nostro mondo fossero equazioni del primo ordine, allora fenomeni come l'inerzia, le oscillazioni e le onde scomparirebbero dal nostro mondo.

Lo studio delle leggi fondamentali della fisica conferma che la scienza si sta progressivamente sviluppando: ogni stadio, ogni legge scoperta è uno stadio di sviluppo, ma non dà risposte definitive a tutte le domande.

Letteratura:

1. 
   Great Soviet Encyclopedia (Leggi della meccanica di Newton e altri articoli), 1977, "Soviet Encyclopedia"
2. 
   Enciclopedia online, su wikipedia.com

Agenzia federale per l'istruzione

GOU VPO Rybinsk State Aviation Academy. PA Solovyova

Dipartimento di Fisica Generale e Tecnica

ASTRATTO

Argomento: "Leggi fondamentali della fisica"

Gruppo ZKS-07

Docente: Vasilyuk O.V.

10.2. LEGGI FISICHE FONDAMENTALI

Le leggi fisiche fondamentali sono le più complete fino ad oggi, ma un riflesso approssimativo dei processi oggettivi in ​​natura. Varie forme di moto della materia sono descritte da varie teorie fondamentali. Ognuna di queste teorie descrive fenomeni ben definiti: moto meccanico o termico, fenomeni elettromagnetici.
Esistono leggi più generali nella struttura delle teorie fisiche fondamentali, che coprono tutte le forme di movimento della materia e tutti i processi. Queste sono le leggi di simmetria, o invarianza, e le leggi di conservazione delle quantità fisiche ad esse associate.

10.2.1. Leggi di conservazione delle grandezze fisiche
10.2.1.1. Legge di conservazione della massa
10.2.1.2. Legge di conservazione della quantità di moto
10.2.1.3. Legge di conservazione della carica
10.2.1.4. La legge di conservazione dell'energia nei processi meccanici

10.2.1. Leggi di conservazione delle grandezze fisiche

Le leggi di conservazione delle quantità fisiche sono affermazioni secondo le quali i valori numerici di queste quantità non cambiano nel tempo in nessun processo o classe di processi. Infatti, in molti casi, le leggi di conservazione derivano semplicemente dai principi di simmetria.
L'idea di conservazione è apparsa per la prima volta come una congettura puramente filosofica sulla presenza dell'immutabile (stabile) in un mondo in continua evoluzione. Anche gli antichi filosofi-materialisti arrivarono al concetto di materia come base indistruttibile e non creabile di tutto ciò che esiste. D'altra parte, l'osservazione dei continui cambiamenti della natura ha portato all'idea del moto perpetuo della materia come sua importante proprietà. Con l'avvento della formulazione matematica della meccanica, su questa base sono apparse le leggi di conservazione.
Le leggi di conservazione sono strettamente correlate alle proprietà di simmetria dei sistemi fisici. In questo caso, la simmetria è intesa come l'invarianza delle leggi fisiche rispetto a un certo gruppo di trasformazioni delle quantità in esse incluse. La presenza di simmetria porta al fatto che per un dato sistema esiste una quantità fisica conservata. Se le proprietà di simmetria di un sistema sono note, di solito è possibile trovare una legge di conservazione per esso, e viceversa.
Le leggi di conservazione sono quindi:
1. Rappresenta la forma più generale di determinismo.
2. Confermare l'unità strutturale del mondo materiale.
3. Consentono di trarre una conclusione sulla natura del comportamento del sistema.
4. Scoprono l'esistenza di una profonda connessione tra le varie forme di moto della materia.
Le più importanti leggi di conservazione valide per qualsiasi sistema isolato sono:
- la legge di conservazione e trasformazione dell'energia;
- la legge di conservazione della quantità di moto;
- la legge di conservazione della carica elettrica;
- la legge di conservazione della massa.
Oltre a quelle universali, esistono leggi di conservazione valide solo per una classe limitata di sistemi e fenomeni. Quindi, per esempio, ci sono leggi di conservazione che operano solo nel microcosmo. Questo:
- la legge di conservazione del barione o carica nucleare;
- legge di conservazione della carica leptonica;
- legge di conservazione dello spin isotopico;
- la legge di conservazione della stranezza.
Nella fisica moderna è stata scoperta una certa gerarchia di leggi di conservazione e principi di simmetria. Alcuni di questi principi sono soddisfatti in qualsiasi interazione, mentre altri - solo in quelli forti. Questa gerarchia si manifesta chiaramente nei principi interni di simmetria che operano nel microcosmo.
Considera le leggi di conservazione più importanti.

10.2.1.1. Legge di conservazione della massa

Le trasformazioni e i cambiamenti della materia in natura sono infinitamente vari. I ricercatori erano preoccupati per la domanda: la sostanza è preservata durante questi cambiamenti? Ognuno di noi ha dovuto osservare come qualsiasi cosa, anche l'acciaio, si consuma nel tempo, diminuisce di dimensioni. Ma questo significa che le più piccole particelle di metallo scompaiono senza lasciare traccia? No, si perdono, si disperdono in direzioni diverse, vengono gettati via con la spazzatura, volano via, creando polvere.
Altre trasformazioni avvengono in natura. Ad esempio, fumi una sigaretta. Passano pochi minuti e del tabacco non rimane più nulla, se non un mucchietto di cenere e un leggero fumo bluastro che si è dissipato nell'aria. O, ad esempio, una candela sta bruciando. A poco a poco diventa sempre più piccolo. Qui non rimangono nemmeno le ceneri. Bruciando senza lasciare residui, la candela e ciò che la compone subiscono una trasformazione chimica della sostanza. Le particelle di tabacco e una candela non si disperdono ai lati, non si perdono gradualmente in luoghi diversi. Bruciano e scompaiono esternamente senza lasciare traccia.
Osservando la natura, le persone hanno da tempo prestato attenzione ad altri fenomeni, quando la sostanza sembra sorgere dal "nulla". Così, ad esempio, da un piccolo seme cresce una grande pianta in un vaso di fiori, e il peso della terra contenuta nel vaso rimane pressoché lo stesso. Può davvero scomparire qualcosa che esiste nel mondo o, al contrario, apparire dal nulla? In altre parole, la materia da cui è costruita tutta la diversità del nostro mondo è distruttibile o indistruttibile?
Per 2400 anni a.C. e. il famoso filosofo dell'antica Grecia Democrito scrisse che: "Nulla può nascere dal nulla, nulla di ciò che esiste può essere distrutto".
Molto più tardi, nei secoli XVI-XVII. questa idea è stata ripresa ed espressa già da molti scienziati. Tuttavia, tali affermazioni erano solo un'ipotesi, e non una teoria scientifica, confermata da esperimenti. Per la prima volta questa posizione è stata dimostrata e confermata dall'esperienza del grande scienziato russo M.V. Lomonosov.
Lomonosov era fermamente convinto dell'indistruttibilità della materia, che nulla al mondo potesse scomparire senza lasciare traccia. Con qualsiasi cambiamento nelle sostanze, interazioni chimiche - sia che corpi semplici si combinino per formare corpi complessi o, al contrario, corpi complessi si decompongano in elementi chimici separati - la quantità totale di materia rimane invariata. In altre parole, per tutte le modifiche, il peso totale della sostanza deve rimanere invariato. Supponiamo che a seguito di qualsiasi reazione scompaiano due sostanze interagenti e si ottenga un terzo sconosciuto: il peso del composto appena formato deve essere uguale al peso dei primi due.
Comprendendo perfettamente il significato delle leggi di conservazione, l'indistruttibilità della materia per la scienza, Lomonosov ha cercato conferma dei suoi pensieri. Decise di ripetere gli esperimenti dello scienziato inglese del XVII secolo. R. Boyle.
Boyle era interessato ai cambiamenti nel peso di un metallo quando riscaldato. Organizzò il seguente esperimento: mise un pezzo di metallo in una storta di vetro e lo soppesò.
Quindi, dopo aver saldato il collo stretto della nave, lo riscaldò sul fuoco. Due ore dopo, Boyle tolse il recipiente dal fuoco, spezzò il collo della storta e, dopo averlo raffreddato, lo soppesò. Il metallo è aumentato di peso.
Boyle ha visto la ragione nel fatto che le particelle più piccole della "materia di fuoco" penetrano attraverso il vetro nel vaso e si combinano con il metallo. Al tempo di Boyle e Lomonosov, gli scienziati spiegavano fenomeni naturali incomprensibili con l'aiuto di varie "questioni" sfuggenti, ma non potevano dire cosa fossero. Lomonosov non ha riconosciuto l'esistenza della misteriosa "materia". Era sicuro che la ragione dell'aumento di peso risiedesse altrove, e decise di dimostrare che non esiste una "materia sottile di fuoco che penetra tutto", e anche che durante le trasformazioni chimiche, il peso totale della sostanza degli elementi che partecipano a la reazione rimane invariata.
Lomonosov ha ripetuto l'esperimento di Boyle e ha ottenuto lo stesso risultato: il peso del metallo è aumentato. Quindi modificò l'esperimento: dopo aver riscaldato la storta sul fuoco e averla raffreddata, il recipiente viene pesato senza spezzare il collo. Così ha dimostrato che "senza l'immissione di aria esterna, il peso del metallo bruciato rimarrà in una misura, indipendentemente dal fatto che il fuoco penetri nella storta".
L'aumento di peso nel caso in cui la storta fosse aperta prima della pesatura, Lomonosov spiegava con la dipendenza dall'assorbimento di aria da parte del metallo. Ora sappiamo che quando vengono riscaldati, i metalli si ossidano, si combinano con l'ossigeno. Nell'esperimento di Boyle, il metallo prende ossigeno dall'aria in una storta chiusa. Allo stesso tempo, il suo peso aumenta esattamente quanto diminuisce il peso dell'aria nella storta. A causa di ciò, il peso totale della storta chiusa e del corpo posto in essa non cambia. Sebbene qui si verifichi l'ossidazione, la quantità totale della sostanza non diminuisce né aumenta: il peso delle sostanze che partecipano alla reazione non cambia. Ma quando la storta viene aperta, al posto dell'ossigeno dell'aria assorbita dal metallo, l'aria esterna irromperà nel pallone, per cui il peso della storta aumenterà.
Quindi M.V. Lomonosov ha scoperto la legge di conservazione della materia o, come viene chiamata, la legge di conservazione della massa. Diciassette anni dopo Lomonosov, questa legge fu confermata da numerosi esperimenti del chimico francese A. Lavoisier. Successivamente, la legge di conservazione della massa è stata più volte confermata da numerosi e vari esperimenti. Al momento, è una delle leggi fondamentali alla base delle scienze della natura.

10.2.1.2. Legge di conservazione della quantità di moto

Il riposo e il movimento del corpo sono relativi, la velocità del movimento dipende dalla scelta del quadro di riferimento. Secondo la seconda legge di Newton, indipendentemente dal fatto che il corpo fosse fermo o si muovesse in modo uniforme e rettilineo, un cambiamento nella sua velocità di movimento può avvenire solo sotto l'azione di una forza, ad es. come risultato dell'interazione con altri organismi.
C'è una quantità fisica che cambia ugualmente per tutti i corpi sotto l'azione delle stesse forze, se il tempo di azione della forza è lo stesso, uguale al prodotto della massa del corpo e della sua velocità e si chiama quantità di moto di il corpo. La variazione di quantità di moto è uguale alla quantità di moto della forza applicata. La quantità di moto di un corpo è una caratteristica quantitativa del moto traslatorio dei corpi.
Studi sperimentali sulle interazioni di vari corpi - da pianeti e stelle ad atomi ed elettroni, particelle elementari - hanno dimostrato che in qualsiasi sistema di corpi che interagiscono tra loro, in assenza di forze provenienti da altri corpi che non sono inclusi nel sistema, oppure se la somma delle forze agenti è uguale a zero, la somma geometrica della quantità di moto dei corpi rimane costante.
Un sistema di corpi che non interagiscono con altri corpi che non sono inclusi in questo sistema è chiamato chiuso. Pertanto, in un sistema chiuso, la somma geometrica dei momenti dei corpi rimane costante per qualsiasi interazione dei corpi di questo sistema tra loro. Questa legge fondamentale della natura è chiamata legge di conservazione della quantità di moto.
Condizione necessaria per l'applicabilità della legge di conservazione della quantità di moto a un sistema di corpi interagenti è l'uso di un sistema di riferimento inerziale. La propulsione a getto si basa sulla legge di conservazione della quantità di moto, viene utilizzata nel calcolo delle esplosioni dirette, ad esempio durante la posa di tunnel in montagna. Il volo nello spazio è diventato possibile grazie all'uso di razzi multistadio.

10.2.1.3. Legge di conservazione della carica

Non tutti i fenomeni naturali possono essere compresi e spiegati sulla base dei concetti e delle leggi della meccanica, della teoria cinetico-molecolare della struttura della materia e della termodinamica. Queste scienze non dicono nulla sulla natura delle forze che legano i singoli atomi e molecole, tengono gli atomi e le molecole della materia in uno stato solido a una certa distanza l'uno dall'altro. Le leggi di interazione di atomi e molecole possono essere comprese e spiegate sulla base dell'idea che in natura esistano cariche elettriche.
Il fenomeno più semplice e quotidiano in cui si rivela il fatto dell'esistenza di cariche elettriche in natura è l'elettrificazione dei corpi al contatto. L'interazione dei corpi rivelata durante l'elettrificazione è chiamata interazione elettromagnetica e la quantità fisica che determina l'interazione elettromagnetica è chiamata carica elettrica. La capacità delle cariche elettriche di attrarsi e respingersi indica la presenza di due diversi tipi di cariche: positive e negative.
Le cariche elettriche possono apparire non solo come risultato dell'elettrificazione quando i corpi entrano in contatto, ma anche durante altre interazioni, ad esempio sotto l'influenza della forza (effetto piezoelettrico). Ma sempre in un sistema chiuso, che non include cariche, per qualsiasi interazione di corpi, la somma algebrica (cioè tenendo conto del segno) delle cariche elettriche di tutti i corpi rimane costante. Questo fatto stabilito sperimentalmente è chiamato legge di conservazione della carica elettrica.
Da nessuna parte e mai in natura sorgono e scompaiono cariche elettriche dello stesso segno. La comparsa di una carica positiva è sempre accompagnata dalla comparsa di una carica negativa uguale in valore assoluto, ma di segno opposto. Né le cariche positive né quelle negative possono scomparire separatamente l'una dall'altra se sono uguali in valore assoluto.
L'apparizione e la scomparsa delle cariche elettriche sui corpi nella maggior parte dei casi è spiegata dalle transizioni di particelle cariche elementari - elettroni - da un corpo all'altro. Come sapete, la composizione di qualsiasi atomo include un nucleo caricato positivamente ed elettroni caricati negativamente. In un atomo neutro, la carica totale degli elettroni è esattamente uguale alla carica del nucleo atomico. Un corpo costituito da atomi e molecole neutri ha una carica elettrica totale pari a zero.
Se, a seguito di qualsiasi interazione, parte degli elettroni passa da un corpo all'altro, allora un corpo riceve una carica elettrica negativa e il secondo una carica positiva uguale in valore assoluto. Quando due corpi con carica opposta entrano in contatto, di solito le cariche elettriche non scompaiono senza lasciare traccia e un numero in eccesso di elettroni passa da un corpo con carica negativa a un corpo in cui alcuni degli atomi avevano un insieme incompleto di elettroni sui loro gusci.
Un caso speciale è l'incontro di antiparticelle cariche elementari, ad esempio un elettrone e un positrone. In questo caso, le cariche elettriche positive e negative scompaiono davvero, si annichilano, ma nel pieno rispetto della legge di conservazione della carica elettrica, poiché la somma algebrica delle cariche di un elettrone e di un positrone è uguale a zero.

10.2.1.4. La legge di conservazione dell'energia nei processi meccanici

L'energia meccanica è divisa in due tipi: potenziale e cinetica. L'energia potenziale caratterizza i corpi interagenti e l'energia cinetica caratterizza quelli in movimento. Sia l'energia potenziale che quella cinetica cambiano solo come risultato di una tale interazione di corpi, in cui le forze che agiscono sui corpi lavorano in modo diverso da zero.
Consideriamo ora la questione del cambiamento di energia durante l'interazione di corpi che formano un sistema chiuso. Se diversi corpi interagiscono tra loro solo per forze gravitazionali ed elastiche e non agiscono forze esterne, allora per qualsiasi interazione di corpi, la somma delle energie cinetiche e potenziali dei corpi rimane costante. Questa affermazione è chiamata legge di conservazione dell'energia nei processi meccanici.
La somma delle energie cinetiche e potenziali dei corpi si chiama energia meccanica totale. Pertanto, la legge di conservazione dell'energia può essere formulata come segue: l'energia meccanica totale di un sistema chiuso di corpi che interagiscono con le forze di gravità e l'elasticità rimane costante.
Il contenuto principale della legge di conservazione dell'energia non è solo stabilire il fatto di conservazione dell'energia meccanica totale, ma anche stabilire la possibilità di trasformazioni reciproche di energie cinetiche e potenziali in uguale misura quantitativa durante l'interazione dei corpi.
La legge di conservazione dell'energia meccanica totale nei processi che coinvolgono forze elastiche e gravitazionali è una delle leggi fondamentali della meccanica. La conoscenza di questa legge semplifica la soluzione di molti problemi che sono di grande importanza nella vita pratica.
Ad esempio, l'energia fluviale è ampiamente utilizzata per generare elettricità. A tale scopo vengono costruite dighe, i fiumi vengono bloccati. Sotto l'azione della gravità, l'acqua proveniente dal serbatoio dietro la diga si sposta lungo il pozzo ad un ritmo accelerato e acquisisce una certa energia cinetica. Quando un flusso d'acqua in rapido movimento si scontra con le pale di una turbina idraulica, l'energia cinetica del movimento traslatorio dell'acqua viene convertita nell'energia cinetica del movimento rotatorio dei rotori della turbina e quindi, utilizzando un generatore elettrico, in energia elettrica energia.
L'energia meccanica non si conserva se tra i corpi agiscono forze di attrito. Un'auto che si muove lungo un tratto orizzontale di strada dopo aver spento il motore percorre una certa distanza e si ferma sotto l'azione delle forze di attrito. Durante la frenata dell'auto, le pastiglie dei freni, le gomme dell'auto e l'asfalto si sono riscaldati. Come risultato dell'azione delle forze di attrito, l'energia cinetica dell'auto non è scomparsa, ma si è trasformata nell'energia interna del movimento termico delle molecole.
Pertanto, in qualsiasi interazione fisica, l'energia non sorge, ma si trasforma solo da una forma all'altra. Questo fatto stabilito sperimentalmente è chiamato legge di conservazione e trasformazione dell'energia.
Le fonti di energia sulla terra sono grandi e varie. C'era una volta, le persone conoscevano solo una fonte di energia: la forza muscolare e la forza degli animali domestici. L'energia veniva rinnovata attraverso il cibo. Le macchine ora fanno la maggior parte del lavoro, alimentate da vari tipi di combustibili fossili: carbone, torba, petrolio, ma anche acqua ed energia eolica.
Se si rintraccia il "pedigree" di tutti questi vari tipi di energia, si scopre che sono tutta l'energia dei raggi del sole. L'energia dello spazio esterno che ci circonda è accumulata dal Sole sotto forma di energia di nuclei atomici, elementi chimici, campi elettromagnetici e gravitazionali. Il Sole, a sua volta, fornisce energia alla Terra, manifestata sotto forma di energia del vento e delle onde, maree, sotto forma di geomagnetismo, vari tipi di radiazioni (compresa la radioattività delle viscere, ecc.), Energia muscolare dell'animale mondo.
L'energia geofisica viene rilasciata sotto forma di disastri naturali (vulcanismo, terremoti, temporali, tsunami, ecc.), metabolismo negli organismi viventi (che costituiscono la base della vita), lavoro utile per spostare i corpi, modificarne la struttura, qualità, trasferimento di informazioni , energia di accumulo in vari tipi di batterie, condensatori, nella deformazione elastica di molle, membrane.
Qualsiasi forma di energia, trasformandosi l'una nell'altra attraverso movimenti meccanici, reazioni chimiche e radiazioni elettromagnetiche, alla fine si trasforma in calore e si dissipa nello spazio circostante. Questo fenomeno si manifesta sotto forma di processi esplosivi, combustione, decadimento, fusione, evaporazione, deformazione e decadimento radioattivo. Esiste una circolazione di energia in natura, caratterizzata dal fatto che nello spazio esterno non si realizza solo il caos, ma anche il processo inverso ad esso: l'ordinamento delle strutture, che si vede chiaramente principalmente nella formazione stellare, nella trasformazione e nell'emergere di nuovi campi elettromagnetici e gravitazionali, e portano di nuovo la loro energia nuovi "sistemi solari". E tutto torna alla normalità.
La legge di conservazione dell'energia meccanica è stata formulata dallo scienziato tedesco A. Leibniz. Quindi lo scienziato tedesco Yu.R. Mayer, il fisico inglese J. Joule e lo scienziato tedesco G. Helmholtz hanno scoperto sperimentalmente le leggi di conservazione dell'energia nei fenomeni non meccanici.
Così, entro la metà del XIX secolo. presero forma le leggi di conservazione della massa e dell'energia, che furono interpretate come le leggi di conservazione della materia e del moto. All'inizio del XX secolo. entrambe queste leggi di conservazione subirono una revisione radicale in connessione con l'avvento della teoria della relatività ristretta: nella descrizione di moti con velocità prossime a quella della luce, la meccanica newtoniana classica fu sostituita dalla meccanica relativistica. Si è scoperto che la massa, determinata dalle proprietà inerziali del corpo, dipende dalla sua velocità e, quindi, caratterizza non solo la quantità di materia, ma anche il suo movimento. Anche il concetto di energia subì un cambiamento: l'energia totale risultò essere proporzionale alla massa (E = mñ2). Pertanto, la legge di conservazione dell'energia nella teoria della relatività speciale combinava naturalmente le leggi di conservazione della massa e dell'energia che esistevano nella meccanica classica. Separatamente, queste leggi non sono implementate, ad es. è impossibile caratterizzare la quantità di materia senza tener conto del suo movimento e della sua interazione.
L'evoluzione della legge di conservazione dell'energia mostra che le leggi di conservazione, essendo desunte dall'esperienza, necessitano di volta in volta di verifiche e affinamenti sperimentali. È impossibile essere sicuri che con l'espandersi dei limiti della conoscenza umana, una data legge o la sua specifica formulazione rimanga valida. La legge di conservazione dell'energia, diventando sempre più precisa, si trasforma gradualmente da un'affermazione indefinita e astratta in una forma quantitativa esatta.

10.2.1.5. Leggi di conservazione nel micromondo

Le leggi di conservazione giocano un ruolo importante nella teoria quantistica, in particolare nella fisica delle particelle elementari. Le leggi sulla conservazione definiscono regole di selezione, la cui violazione porterebbe alla violazione delle leggi sulla conservazione. Oltre alle leggi di conservazione elencate che hanno luogo nella fisica dei corpi macroscopici, nella teoria delle particelle elementari sono sorte molte leggi di conservazione specifiche, che consentono di interpretare le regole di selezione osservate nell'esperienza. Tale, ad esempio, è la legge di conservazione del barione o carica nucleare, valida per tutti i tipi di interazione. Secondo lui, la materia nucleare è conservata: la differenza tra il numero di particelle pesanti (barioni) e il numero delle loro antiparticelle non cambia in nessun processo. Si conservano anche particelle elementari leggere - leptoni (elettroni, neutrini, ecc.).
Esistono anche leggi di conservazione approssimative che sono valide in alcuni processi e violate in altri. Tali leggi di conservazione hanno senso se si può specificare la classe di processi in cui vengono eseguite. Ad esempio, le leggi di conservazione della stranezza, dello spin isotopico e della parità sono strettamente osservate nei processi che si verificano a causa dell'interazione forte, ma sono violate nei processi dell'interazione debole. L'interazione elettromagnetica viola la legge di conservazione dello spin isotopico. Pertanto, gli studi sulle particelle elementari ci hanno ricordato ancora una volta la necessità di testare le leggi di conservazione esistenti in ogni campo di fenomeni. Sono in corso esperimenti complicati con l'obiettivo di rilevare possibili deboli violazioni delle leggi di conservazione nel microcosmo.
La verifica delle leggi meccaniche di conservazione è la verifica delle corrispondenti proprietà fondamentali dello spazio-tempo. Per molto tempo si è creduto che oltre agli elementi di simmetria elencati (la conservazione dell'energia è associata all'omogeneità del tempo, la conservazione della quantità di moto - all'omogeneità dello spazio), lo spazio-tempo avesse una simmetria speculare, ad es. invarianza per inversione spaziale. Quindi la parità dovrebbe essere preservata. Tuttavia, nel 1857, fu scoperta sperimentalmente la non conservazione della parità nell'interazione debole, il che sollevò la questione della revisione delle opinioni sulla simmetria dello spazio-tempo e delle leggi fondamentali di conservazione (in particolare, sulle leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto).