Fiziğin temel ilkeleri – Mekanik ve optik

Fizik cansız doğadaki fenomenleri gözlemlemeye ve açıklamaya çalışır

Fizik alanındaki bilimsel araştırmalar, modern teknolojilerin vazgeçilmez temelleri olan kilit buluşlara ulaşılmasını sağlamıştır. Klasik araştırma alanlarıyla birlikte yeni araştırma alanları fiziksel kimya ve biyofizik gibi bilim dalları arası yaklaşımlar sayesinde bütünlemiştir. Ne var ki, bilinen bütün fizik teorilerini birleştirerek her şeyi kapsayacak bir teori oryaya koyma çabası fizikçilerin şimdiye kadar gerçekleştiremediği görkemli bir düştür.

Fiziğin temel ilkeleri – Mekanik

Birçok mekanik fenomen, bilimsel açıdan incelenmeden önce uygulama alanı bulmuştur. Günümüzde, yoğunlaşmış madde fiziği gibi birçok yeni alanda yoğun araştırmalar yürütülüyor. Mekanik, nesnelerin hareketini ve onlara etkide bulunan kuvvetleri inceler. Hesaba katılan faktörlerden bazıları şunlardır: Hız ve ivme, ağırlık ve kuvvet, momentum ve enerji. Mekanik aynı zamanda gezegenlerin yörüngede dolanışı, bir sarkacın sallanışı ve maddedeki dalgaların davranışı gibi periyodik devinimleri de inceler. Mekaniğin temel kavramlarının kullanıldığı düzenekler arasında kaldıraçlar, yaylar, jiroskoplar, dişliler, makaralar ve sarkaçlar sayılabilir.

Newton mekaniği

Mekaniğin temelini atan kişi Sir Isaac Newton'dur (1643-1727). Newton kuvvet, ivme ve kütle arasındaki temel ilişkiyi buldu. Hızı (v) belli bir zamanda (t) alınan mesafe (x) olarak tanımladı. İvme (a) hızın ne kadar çabuk değiştiğini gösterir. Duran bir nesneyi belli bir sürede belli bir hıza ulaştırmak için, nesneye bir kuvvet (F) uygulamak gerekir. Bu ivmenin miktarı nesnenin kütlesine bağlıdır. Nesne ne kadar ağırsa, ona belli bir ivme kazandırmak için gerekli kuvvet o ölçüde artar. Bir nesnenin ivmeye karşı koymasını sağlayan dirence "eylemsizlik" denir.

Karmaşık sistemler

Dairesel devinim ve diğer periyodik devinim türleri nesnelerin doğrusal devinimine oranla daha karmaşıktır. İdeal koşulların varsayılmadığı ve sürtünmenin (örneğin, aerodinamik direnç) göz önünde tutulmadığı durumlarda hesaplamalar daha da karmaşık hale gelir. Jiroskop gibi üç boyutlu nesnelerin döngüsel devinimi de karmaşıktır.

Mekanik enerji

Enerji bilim ve teknolojinin birçok alanında kilit bir önem taşır. Mekanikte enerji, belli bir miktarda iş (W) yapma kapasitesidir. Enerjiye sahip bir cisim, enerjisini başka bir cisme aktararak bir iş yerine getirebilir.

Kütlesi 1 kg olan bir litre su bir saniyede 1 m yukarıya kaldırıldığında, suya bir jul enerji aktarılır ve bir watt elektrik üretilir. Bir jul enerji potansiyel enerji biçiminde ortaya çıkar. Potansiyel enerji, örneğin suyu bir su çarkına dökme yoluyla kinetik enerjiye ve daha sonra bir jeneratörle elektrik enerjisine dönüştürülebilir.

Çizgisel momentumun korunumu

Foucault sarkacı her zaman aynı yönde sallanır, Hareket eden şey altındaki yerküredir
Foucault sarkacı her zaman aynı yönde sallanır, Hareket eden şey altındaki yerküredir

Yan yana konan bir dizi sarkaçla momentum konumunu görülebilir. Momentum kütle ve hızın çarpımı olarak tanımlanır. Tek bir top yukarıya çekildiğinde aşağıya doğru sallanır ve momentumunu bitişikteki topa aktarır; harekete geçen bu topla, momentum bir sonraki topa geçer. En sonra top ilk topla aynı yönde ve aynı hızla sallanır. Eş zamanlı olarak yukarıya çekilen iki topun diğer yana doğru sallanması topların aynı kütleye sahip olduğunu gösterir. Hava direncinin ya da sürtünmenin bulunmadığı ideal bir sistem sonsuza kadar sallanır.

Ek bilgiler

  • Antik çağ filozofları maddelerin dünyasına ilişkin teoriler geliştirmişlerdi.
  • Fiziksel süreçlerin düzenliliği ön görülmelerine olanak verir.
  • Makaralardan nükleer fizyona kadar bütün teknik uygulamalarda fizik yasalarından yararlanılır.
  • Her şeyi kapsayan bir teori ortaya koymak fizikçilerin ulaşamadığı bir hedeftir.

Fiziğin temel ilkeleri – Optik

Optik daha iyi mercekler yapmanın ötesinde bir anlam taşır ve fotonlar, lazer ışın demetleri, holografi gibi birçok alandaki araştırmaları kapsar. Işığın özellikleri günlük yaşamımıza olağanüstü etkide bulunur. Örneğin, bir cam tabakası dışarıdan gelen ışığın bir bölümünü geçirirken, bir bölümünü yansıtır. Işığın bir mecradan başka bir mecraya geçişine kırınım denir. Bir ışık demeti mecralar arasındaki arayüze bir açıyla vurduğunda yön değiştirir. Bir prizma kırınımdan dolayı beyaz ışığı bileşimindeki farklı renklere ayırır. Bu durum atmosferdeki su damlacıklarının güneş ışığıyla birlikte gökkuşağı oluşumuna nasıl yol açtığını açıklar.

Büyütme ve evirme

Bir dışbükey mercek ("büyüteç"), paralel ışık demetlerinin odak noktasında bir araya gelmesini sağlar. Odak noktasında merceğe olan uzaklığa odak mesafesi denir. Küçük bir nesnenin büyütülmüş bir görüntüsünü ya da büyük bir nesnenin evrilmiş küçük bir görüntüsünü yaratmada bu etkiden yararlanabilir. Dışbükey merceklerin iki dışbükey yüzeyi vardır. İçbükey yüzeyleri olan mercekler ışık demetlerinin ayrılmasına yol açar ve nesneden daha küçük görüntüler yaratır. Kameralar, teleskoplar ve mikroskoplarda istenen görüntüleri elde etmek için çok sayıda mercek kullanılır. Kameralar nesnelerin daha küçük, mikroskoplar ve teleskoplar ise daha büyük görünmesini sağlar.

Işığın dalga-parçacık ikiliği

Geometrik optik, ışığın yeni bir mecraya girip kırınıma uğrayana kadar tekil ışınlardan oluştuğunu öngörür. Dalga optiğinde ise ışık renklerinin dalga boyları ve ışığın dalga özellikleri göz önünde tutulur. Işık uzamda titreşen elektrik alanları ve manyetik alanlardan oluşmuş bir elektromanyetik dalga sayılır. Işık, mikrodalga ve radyo dalgası arasındaki farklılık dalga boyu uzunluğuna dayanır.

Kutuplanmış ışık, lazerler ve hologramlar

Işığın dalga boyu dışında da özellikleri vardır. Yayılmanın yönüne dikey bir düzlemde, elektrik alanları ve manyetik alanlar titreşir. Kutuplanmış ışıkta manyetik alanların ve elektrik alanlarının titreşimi tek yönde olur. Kutuplayıcı bir ekran sadece belli bir kutupluluktaki ışığın geçmesini sağlamaya yönelik uzun moleküllerden oluşur. LCD ekranlarında kutuplayıcılar kullanılır. Lazer ışınları çoğunlukla çok yüksek yoğunlukta kutuplanmış ışıktır. Optik araştırmaların diğer bir ileri teknoloji uygulaması hologramlardır. Hologramlarda üç boyutlu görüntüler elde etmek üzere içindeki ışık dalgalarının arasındaki girişim kullanılır.

Gökyüzü niçin mavidir?

Gökyüzü ışığı algılamamızdaki özelliklerinden dolayı mavi görünür
Gökyüzü ışığı algılamamızdaki özelliklerinden dolayı mavi görünür

Yeryüzüne ulaşan güneş ışığının atmosferdeki hava moleküllerinin ve su damlacıklarının içinden geçmesi bütün yönlere doğru saçılmasına yol açar. Bu saçılmanın miktarı, tıpkı ışık yansımasında olduğu gibi, ışığın dalga boyuna bağlıdır. Örneğin, mor ışık kırmızı ışıktan 16 kat daha fazla saçılır. Daha kısa dalga boyları bütün yönlere doğru daha güçlü saçılır; böylece göz, tayfın bu kısmındaki ışığı daha çok görür. Gökyüzünün mor yerine mavi görünmesinin sebebi, gözün maviye daha duyarlı olmasıdır.

Ek bilgiler

  • Işık tayfı insanların algılayabileceğinden daha geniştir.
  • Arılar morötesi ışığı görür, ama kırmızı ışığı göremez. Ayrıca ışığın kutuplanma yönünü de belirleyebilir.
  • Kurbağa kırmızı ışığı zayıf saçılımından dolayı diğer renklere oranla daha iyi görür.