ĆWICZ CODZIENNIE SWÓJ UMYSŁ,
BY WIDZIEĆ DOBRO WE WSZYSTKIM
Na co dzień jestem Liczbologiem. Studiuję, badam i nauczam wszystkiego, co ma związek z liczbami. Zdają się one żyć i być całkowicie niezależnie od nas...
01. POMIAR I PRZYBLIŻENIA
Pomiar i przybliżenia to miejsce i czas, w którym dowiemy się, że nauka fizyki, to pewien rodzaj obserwacji, której celem jest poszukiwanie porządku.
To nie tylko zbieranie faktów i tworzenie teorii. To przede wszystkim aktywna kreatywność, w której proces wchodzi nasza wiedza, wyobraźnia, wytrwałość oraz chęć poznania nieznanego i nowego.
W tym momencie dowiemy się czym tak naprawdę jest dokładność i co od niej zależy. Wykorzystamy wiedzę z szacowania wyników i wkroczymy w świat rzeczywisty, w którym nie wszystko jest idealne.
INNE DZIEDZINY
MODELE I TEORIE
NIEPEWNOŚĆ POMIAROWA
UKŁAD SI
FILOZOFIA PRZYRODY
02. KINEMATYKA
Kinematyka to ruch wszelkich obiektów.
Począwszy od najmniejszych cząstek na świecie, szaleńczo rozpędzonych w przestrzeni, przez piłki na boisku, auta jeżdżące po ulicach, lekkoatletów na stadionach, aż do wirujących w swym tańcu gwiazd i planet.
To dział mechaniki, który rozwinął się w szesnastym i siedemnastym wieku m.in. dzięki Galileuszowi i Newtonowi. Zajmiemy się tutaj ruchami w jednym i dwóch wymiarach bez uwzględniania rotacji ciał.
PRZEMIESZCZENIE I CZAS
PRZYSPIESZENIE
SPADEK SWOBODNY
SKALARY I WEKTORY
RZUT UKOŚNY
03. DYNAMIKA
Dynamika to dział, w którym prześledzimy związek pomiędzy siłą i ruchem. Ponieważ, żeby nastąpił ruch, potrzebna jest siła, która go spowodowała.
Odpowiemy sobie na pytania dlaczego ciało przyspiesza, dlaczego hamuje i co musi się stać, by ze spoczynku zaczęło swój ruch. Wszystko to w oparciu o pojęcia poznane w kinematyce, takie jak na przykład przyspieszenie, prędkość, droga i czas.
CIĘŻAR
BEZWŁADNOŚĆ
SIŁA
AKCJA I REAKCJA
RÓWNA POCHYŁA
04. GRAWITACJA I RUCH PO OKRĘGU
Grawitacja to nie tylko mistyczna siła, o której do tej pory wiemy bardzo niewiele. To również czas na to, by poznać skutki jej działania.
Znamy już ruch postępowy. Do tego momentu poznamy też różnego rodzaju rzuty, w których istotne będą kąty. Będziemy też już po ruchu obrotowym. Grawitacja, to oddziaływanie, które badał dawno temu sir Isaac Newton. Ma związek z ruchem obrotowym Księżyca wokół Ziemi czy Ziemi wokół Słońca.
Prawo powszechnego ciążenia, to kamień milowy do dalszej pracy nad poznawaniem naszego fizycznego świata.
RUCH PO OKRĘGU
SIŁA DOŚRODKOWA
POWSZECHNE CIĄŻENIE
NIEWAŻKOŚĆ
PRAWA KEPLERA
05. PRACA, ENERGIA I MOC
Praca, Energia i Moc to czas, gdzie będziemy wykorzystywać znajomość trzech zasad dynamiki Newtona. Ale nie tylko.
Oczywiście siły będą odgrywać główną rolę w determinowaniu pojęcia ruchu, ale poznamy też wielkości takie jak energia i moc. W większości wypadków energia pozostaje stała i jest to jedna z fundamentalnych zasad fizyki, która może nam pomóc w głębszym zrozumieniu wszechświata. Będzie też nieodzowna w obliczaniu praktycznych problemów.
PRACA I MOC
ENERGIA KINETYCZNA
ENERGIA POTENCJALNA
ENERGIA SPRĘŻYSTOŚCI
ZACHOWANIE ENERGII
06. PĘD
Pęd to dział, w którym prześledzimy związek pomiędzy masą i szybkością. Zasada zachowania pędu do kolejna z fundamentalnych reguł naszego świata.
Odpowiemy sobie na pytania dlaczego i jak ciała się od siebie odbijają. Pojawią się tutaj wcześniej poznane zasady dynamiki Newtona oraz zasady zachowania energii. Pojawi się również środek ciężkości i dużo zderzeń.
07. RUCH OBROTOWY
Ruch obrotowy to kolejny etap na drodze poznania funkcjonowania naszej przyrody i rzeczy, które nas otaczają.
Z poprzednich działów, wiemy już co nie co, jak działa kinematyka i dynamika w ruchu postępowym. Teraz spróbujemy zobaczyć czy te zasady panują w ruchu obrotowym. Może dostrzeżemy jakieś analogie?
W każdym razie, badanie ruchu po okręgu znacząco zwiększy naszą wiedzę. Od kręcących się kół w rowerze i dysków kompaktowych, przez diabelskie młyny w parkach rozrywki, tricki i figury akrobatyczne w skateparkach, aż do rotacji naszego globu – odkryjemy wiele ciekawych rzeczy, a pewne na pewno Was zaskoczą.
08. RÓWNOWAGA STATYCZNA
Równowaga statyczna to specyficzny dział, w którym zbadamy moment, gdzie zarówno siła wypadkowa jak i moment siły są równe zeru.
Oznacza to, że zajmiemy się głównie ciałami będącymi w spoczynku. Niemniej jednak nie będzie to nudna przygoda, ponieważ ciężko jest sobie wyobrazić, że na jakieś ciało nie działają żadne siły.
Przejdziemy tu przez momenty, gdzie materiał może ulec zniszczeniu lub zniekształceniu. Od budynków, mostów, maszyn i pojazdów do wszelkich innych rzeczy, który przy użyciu nieodpowiedniej siły mogą np. pęknąć.
Wiedza na ten temat przydaje się również lekarzom, fizjoterapeutom czy lekkoatletom.
09. PŁYNY
Płyny to całkiem nowy dla nas dział. W poprzednich bowiem, mieliśmy do czynienia ze stałymi kształtami – solidnymi formami materii.
Teraz zajmiemy się cieczami i gazami, które mogą sobie ‘przepływać’. Zajmiemy się zarówno statyczną jak i dynamiczną częścią związaną z nimi.
Weźcie zatem głęboki oddech, ponieważ zanurzymy się całkiem głęboko, w niepoznany nam jeszcze dotąd świat.
10. DRGANIA I FALE
Drgania i Fale są działem, gdzie wykorzystamy bardzo dużo znajomość funkcji trygonometrycznych.
Będzie też trochę muzyki i ruchu, ponieważ na co dzień, to właśnie przez drgania cząstek w powietrzu, możemy słyszeć co do siebie mówimy. To właśnie przez oscylowanie tych małych atomów czujemy ciężarówkę przejeżdżającą przez most. To dzięki drobnym drganiom pająk wyczuwa swoją ofiarę.
Fale są mocno skorelowane z drganiami, dlatego omówimy je w jednym dziale. Ponadto przeanalizujemy ruch fali, włączając w to światło, które jest falą elektromagnetyczną.
11. DŹWIĘK
Dźwięk jest związany bezpośrednio z naszym zmysłem słuchu, fizjologią naszego ucha i funkcjonowaniem naszego umysłu. Mózg odbiera bowiem bodźce zewnętrzne, które docierają do naszego aparatu słuchowego w postaci tak zwanych fal podłużnych.
By w ogóle mówić o dźwięku musimy być świadomi tego, że wyróżnia się trzy jego aspekty. Po pierwsze, musi mieć on swoje wibrujące źródło. Po drugie, musi zostać przekazana energia w postaci fali podłużnej. I po trzecie, ten dźwięk musi zostać gdzieś odebrany, zarejestrowany.
12. TEMPERATURA
Temperatura jak i kinetyczna teoria gazów, to wstęp do działów takich jak ciepło i termodynamika.
Omówimy tu głównie fakt, że materia składa się z atomów, które permanentnie i w całkowicie dowolny sposób poruszają się. Stąd nazwa teorii kinetycznej.
Dowiemy się czym jest idea temperatury, jak i czym ją mierzyć oraz co ją łączy z właściwościami gazów.
13. CIEPŁO
Ciepło... wyobraźcie sobie, że kładziemy czajnik nad kuchenką, by podgrzać wodę. Mówimy, że ciepło przepływa z ciepłego palnika do zimnej wody. Dzieje się tak dlatego, że ciała o różnych temperaturach dążą do tak zwanej równowagi termodynamicznej - tzn. do wyrównania swoich temperatur.
Weźmy na przykład taki termometr, gdy mierzycie podczas gorączki swoją temperaturę. Jego wskazanie będzie rosło do momentu, dopóki nie zrówna się z temperaturą Waszego ciała. Później nie będzie odbywał się już żaden przepływ ciepła.
Ciepło i temperatura są często mylone, a w rzeczywistości obrazują coś zupełnie innego. Omówimy tutaj wpływ ciepła na zmianę stanu skupienia i procesy przekazywania ciepła - kondukcję, konwekcję i promieniowanie.
14. TERMODYNAMIKA
Termodynamika zawdzięcza swoją nazwę procesom, którym towarzyszy transfer energii jako ciepła lub pracy.
Troszkę już możemy wiedzieć o energiach, które są przenoszone z obiektu na obiekt w sensie mechanicznym. Teraz zajmiemy się przekazywaniem ciepła jako transferu energii z ciał o wyższej temperaturze, do tych z niższą.
Ponadto dowiemy się o mierze nieuporządkowania jako kolejnym fundamencie naszego świata. Być może skłoni to nas do robienia porządków. Być może zachęci do życia w bałaganie? Nie wiem, zobaczymy.
15. ELEKTROSTATYKA
Elektrostatyka może kojarzyć się z elektrycznością. To dobrze. Zajmiemy się ponownie światłem, silnikami, elektroniką i komputerami.
Siły elektrostatyczne odgrywają ważną rolę w naszym życiu. Przede wszystkim nie pozwalają naszym atomom się rozpaść. Nie tylko naszym, ale i w całym wszechświecie. Są niezwykle istotne w procesach metabolicznych zachodzących w naszym ciele. Większość innych sił, które poznaliśmy do tej pory, są tylko wynikiem działania na poziomie atomowym tych właśnie oddziaływań.
Samą elektrostatyką zajmowano się już w starożytności. Niemniej jednak dopiero od dwóch wieków mamy styczność z jej dużą ekspansją.
16. POTENCJAŁ ELEKTRYCZNY
Potencjał elektryczny to nic innego jak energia potencjalna elektryczności. Ogromna jej ilość może zgromadzić się np. w chmurach. Różnica pojedynczych potencjałów, gdy jest odpowiednio duża, może wyzwolić w elektronach tak ogromną energię kinetyczną, by mogły opuścić atom.
Błyskawica, a właściwie jej napięcie, może osiągnąć setki milionów woltów. Taki przepływ ładunków elektrycznych zmniejsza różnicę potencjałów. Dzięki temu swobodne elektrony mogą na nową połączyć się z jonami, by stworzyć z powrotem neutralne atomy.
Rozpatrywanie elektryczności z punktu widzenia energii jest niezwykle przydatne. Nie tylko poszerza zasadę zachowania energii, ale daje nowe możliwości, by spojrzeć na zjawiska elektryczne.
17. PRĄD ELEKTRYCZNY
Prąd elektryczny to początek ruchu, którego nie było w elektrostatyce. Wprowadzona dynamika, pozwala na przepływ ładunków elektrycznych, który zapoczątkował prąd.
Używamy go dziś na co dzień, żeby podgrzewać mieszkania i oświetlać je. Wykorzystujemy go w kuchni, by zjeść ciepły posiłek oraz w każdym sprzęcie elektronicznym. Podczas ruchu ładunków przez przewodnik, zazwyczaj wytwarza się pole elektryczne. Możemy nim manipulować przy pomocy różnicy potencjałów, ale o tym pewnie więcej przy konstruowaniu baterii.
18. PRZEWODY ELEKTRYCZNE
Przewody elektryczne są nieodzownym elementem urządzeń elektrycznych takich jak radia, telewizory, komputery czy smartfony. Naukowe pomiary idąc od fizyki do biologii, ściślej mówiąc medycyny pokazują jak użyteczne one są.
Co nieco już wiemy o ładunkach elektrycznych i samym prądzie, więc zastosujemy tę wiedzę do przeanalizowania połączeń między bateriami, opornikami, kondensatorami i wieloma innymi instrumentami fizycznymi.
Będziemy to wszystko robić dla przewodów w stanie stabilnym, bez rozpatrywania zmian w nich zachodzących.
19. MAGNETYZM
Magnetyzm ma swój początek tysiące lat temu w starożytnym regionie zwanym Magnezją, gdzie odnalezione ze specyficznymi właściwościami kamienie nazwano magnesami.
Jednak dopiero od dziewiętnastego wieku zaczęto wykorzystywać dobra płynące z materiałów magnetycznych. Są one ściśle powiązane z wytwarzaniem prądu. Zobaczymy jak to się dzieje na przykładzie m. in. kompasów, silników, głośników, pamięci komputerowej czy generatorów prądotwórczych.
20. INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA
Magnetyzm i Indukcja Elektromagnetyczna ma w dzisiejszych czasach swój piedestał na polu całej fizyki. Zmiana strumienia magnetycznego produkuje pole elektromagnetyczne.
Jakkolwiek trudno, by to nie brzmiało, zasadę działania indukcji wykorzystujemy na co dzień m.in. we wszystkich generatorach, alternatorach, transformatorach, płytach w kuchni, dyskach komputerowych itd.
21. FALE ELEKTROMAGNETYCZNE
Fale elektromagnetyczne to kulminacja teorii elektromagnetycznej XIX wieku. Dzięki jej przewidywaniom i eksperymentalnej weryfikacji, wiemy, że fale elektromagnetyczne mogą podróżować przez przestrzeń.
To osiągnięcie otworzyło cały nowy świat komunikacji. Zaczynając od bezprzewodowego telegrafu, idąc przez radio i telewizje, aż do telefonów komórkowych, smartfonów i wszystkich dzisiejszych bezprzewodowych urządzeń.
Dzięki ogromnym antenom i teleskopom w przestrzeni ponad Ziemią, możemy badać odległe galaktyki i cały widzialny Kosmos.
22. OPTYKA GEOMETRYCZNA
Optyka geometryczna to przejście całkowicie w stronę światła z zupełne innej perspektywy. W poprzednim dziale dowiedzieliśmy się, że jest falą.
Teraz czas na świat zwierciadeł i soczewek. Świat odbić i załamań. Dowiemy się tutaj po części, czemu w ogóle widzimy. Co widzimy i dlaczego nasz wzrok postrzega rzeczy tak, a nie inaczej. Zobaczymy różnicę między światłem emitowanym, a światłem odbitym. Poznamy trochę wady wzroku i dowiemy się jak je korygować.
To też przede wszystkim miejsce dla sztuki i dużej ilości rysunków, także… ołówki w dłoń.
23. FALOWA NATURA ŚWIATŁA
Falowa natura światła przydaje nam się chociażby do tego, żeby określić dlaczego w słoneczny dzień na bańce mydlanej czy podłodze przed balkonem cudownie mienią się kolory tęczy. To również wytłumaczenie jak działają okulary 3D oraz ekrany LCD.
Ponadto, każdy kto kiedykolwiek przykładał lupę do kawałka papieru i wypalał w nim dziurę, jest świadom tego, że światło przenosi energię.
Pytanie tylko czy robi to jako strumień cząstek świetlnych, nazwanych przez nas fotonami, czy robi to jak morska fala, rozprzestrzeniając się z dala od swojego źródła?
24. INSTRUMENTY OPTYCZNE
Instrumenty optyczne były już przez nas wykorzystywane w poprzednich działach. Teraz jednak zajmiemy się ich budową i działaniem.
Szkło powiększające, aparaty cyfrowe, kamery, ludzkie oko, teleskopy, mikroskopy, tomografy, lampy rentgenowskie i inne nowoczesne sprzęty służące do obrazowania.
Będziemy odwoływali się do diagramów z optyki jak i do falowej natury światła, by zrozumieć niektóre aspekty działania tych przyrządów.
25. SZCZEGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI
Szczególna teoria względności razem z ogólną teorią względności kojarzą się nam niezmiennie od około stu lat z Albertem Einsteinem.
Jego spojrzenie na świat dały zupełnie nowy pogląd na fizykę. Wszystkie dotychczasowe odkrycia, które rzekomo dawały przeświadczenie, że niewiele brakuje, by zrozumieć nasz Wszechświat, odeszły lekko na bok.
Zaczęły się nowe czasy dla naukowców, a wraz z nimi skończyła się klasyczna fizyka Newtonowska i zaczęła fizyka współczesna - do dziś znana tylko garstce osób w skali całej populacji. Nie oznacza to, że to co do tej pory poznaliśmy nie działa. Po prostu jest niewystarczające.
26. WCZESNA TEORIA KWANTOWA
Wczesna teoria kwantowa zaraz obok teorii relatywistycznej Einsteina jest prekursorem fizyki współczesnej. Jednak w odróżnieniu do swojej koleżanki potrzebowała ponad 30 lat na odpowiednie rozwinięcie i opis matematyczny.
Swój początek miała zaraz po odkryciu elektronu, pod koniec XIX wieku. Dzisiaj bardzo dynamicznie rozwija się w korelacji z innymi dziedzinami, ale rządzi się prawami, które dalej nie są dla nas jasne.
Dzięki niej możemy dzisiaj np. stworzyć trójwymiarowy obraz bakterii lub naszego kodu genetycznego i leczyć choroby, z którymi wcześniej nie dalibyśmy rady.
27. MECHANIKA KWANTOWA
Mechanika kwantowa to dział, który bada między innymi atomy i zmiany poziomów energetycznych. Dowiemy się też w nim co nieco o fermionach i ich spinach.
Model atomu Bohra dał nam pierwszy i jakikolwiek pogląd na to czym jest i jak wygląda atom. Zaproponował wyjaśnienie absorpcji i emisji światła, dla bardzo konkretnych długości fal. Nie tłumaczył jednak tak wielu rzeczy, że potrzebny był dokładniejszy obraz atomu.
Było to stanem przejściowym pomiędzy ideami klasycznymi i kwantowymi. W dwa lata po hipotezie de Broglie'a zostały przedstawione nowe modele, które utrzymują się po dzień dzisiejszy.
28. CZĄSTECZKI I CIAŁA STAŁE
Cząsteczki i ciała stałe to rozszerzenie oraz pokazanie zastosowania mechaniki kwantowej.
Poruszymy tu rodzaje wiązań pomiędzy atomami i tworzenie się ciał stałych. Następnie omówimy zachowania cząsteczek. Zajmiemy się metalami i półprzewodnikami, które stosujemy w elektronice.
Żeby być na bieżąco z danymi, to chyba trzeba byłoby je raz w miesiącu aktualizować, ale jako ciekawostkę mogę powiedzieć, że już w 2004 roku chip komputerowy procesora Pentium 4 posiadał ponad 125 milionów tranzystorów, diod i innych rodzajów elementów półprzewodnikowych.
29. FIZYKA JĄDROWA
Fizyka jądrowa i radioaktywność to wejście jeszcze głębiej w atom. Mechanika kwantowa i eksperyment Rutherforda przyczyniły się do odkrycia jądra atomowego.
Badając je, Maria Curie-Skłodowska odkryła zjawisko radioaktywności. Dzięki temu mamy nowe pole do popisu w dziedzinach takich jak geologia, archeologia, medycyna czy po prostu nowe technologie.
Zajmiemy się rozkładami promieniotwórczymi, czasem połowicznego rozpadu pierwiastków oraz datowaniem radioaktywnym izotopem węgla.
30. ENERGIA JĄDROWA
Energia jądrowa to głównie efekty i zastosowanie promieniowania. Zajmiemy się dalszym badaniem fizyki jądrowej.
Od analizy reakcji jądrowych takich jak rozszczepienie czy fuzja nuklearna przejdziemy do wykorzystania promieniowania m.in. w obrazowaniu magnetycznym i innych urządzeniach medycznych.
Nie omieszkam nie napomknąć o tragicznych wydarzeniach z sierpnia 1944 roku w Hirosimie i Nagasaki oraz fragmencie Zimnej Wojny.
31. CZĄSTKI FUNDAMENTALNE
Fizyka cząstek fundamentalnych jak sama nazwa wskazuje zajmuje się czymś bardzo podstawowym. Może być to jednak mylna nazwa, ponieważ odnosi się do złożonych cząstek subatomowych.
Greckie słowo atomos oznacza niepodzielny. Gdy doszliśmy jednak do niepodzielnych pierwiastków, okazało się, że posiadają jądra, złożone z protonów i neutronów.
Te zaś składają się z kwarków, a tych jest kilka rodzajów. Oprócz nich są jeszcze hadrony, bozony, leptony, miony i całe rzesze innych maluchów tworzących naszą materię oraz... antymaterię.
Całe to cząsteczkowe zoo poszerza się w zastraszającym tempie. Są też np. nośniki sił takie jak gluony czy fotony. Wszystkie razem tworzą tak zwany model standardowy, który... jak się okaże w następnym i ostatnim już dziale, wcale nie wystarczy do opisu Wszachświata.
32. ASTROFIZYKA I KOSMOLOGIA
Astrofizyka i kosmologia to kontynuacja poznanej wcześniej materii i tego co jest ‘poza’ nią. Ciemna materia, ciemna energia...
To podróż po całym wszechświecie. Po galaktykach i gwiazdach. To studium historyczne wszystkiego co nas otacza. Poznamy tu między innymi kwazary, pulsary i czarne dziury. Dowiemy się o największych obiektach w znanym nam wszechświecie.
W porównaniu do tych najmniejszych cząstek, których nie widzimy gołym okiem, wykazują one bardzo podobne właściwości w oddziaływaniu między sobą.
Kiedy rozpoczął się wszechświat? Kiedy się skończy? Czy istniał zawsze? Czy jest nieskończony? A może skończony? Te i wiele innych, niewyobrażalnie trudnych pytań pojawią się podczas nauki. Nie wiem, czy na którekolwiek z nich będziemy w stanie odpowiedzieć. Wiem natomiast, że będziemy próbować, że damy z siebie tyle ile możemy, by poznać na nie odpowiedzi.