Fenomene fizice, marimi fizice, unitati de masura

Fenomene fizice, marimi fizice, unitati de masura

Fizica (gr. physis: natura) este stiinta care studiaza proprietatile si structura materiei, formele de miscare, interactiunile si transformarile acesteia.

Fizica este numita adesea stiinta fundamentala a naturii, deoarece abordeaza legile universului, intr-o mare varietate de sisteme, atat la nivel macro- cat si la nivel micro-. Desprinzandu-se din filosofie in perioada Renasterii, ca stiinta pozitiva, aceasta descrie natura de pe o pozitie rational-obiectivista, iar validarea teoriilor, principiilor, legilor sau modelelor propuse se realizeaza prin raportarea la odinea naturala.

Dupa specificul obiectului de studiu fizica are o serie de ramuri, in cadrul carora se dezvolta tot mai multe subramuri (domenii de studiu specifice). Principalele ramuri ale fizicii sunt: mecanica clasica, acustica, fizica moleculara, caldura, termodinamica, fizica statistica, electromagnetismul, optica, electrodinamica, fizica relativista, fizica atomica, mecanica cuantica, fizica corpului solid, fizica plasmei, fizica nucleara.

Fenomenul fizic este o schimbare sau transformare care se produce intr-un sistem fizic, adica intr-un sistem alcatuit din masa si energie.

Metodele clasice de studiu in fizica sunt observatia, experimentul si modelarea, in cadrul acestora dezvoltandu-se pana in prezent o mare varietate de tehnici moderne de cercetare (ex: rezonanta magnetica si nucleara, analiza termica diferentiala, simularea Monte-Carlo, etc.).

Prin metoda observatiei fenomenele fizice sunt studiate in desfasurarea lor naturala, fara interventia explicita a cercetatorului. Niels Bohr (1885-1962), unul fondatorii mecanicii cuantice, sublinia importanta observatiei afirmand ca "nici un fenomen fizic nu poate fi definit ca atare daca nu este observabil"[1]. Probabil unul dintre cele mai simple si mai banale exemple de observatie in fizica este cel care sta la baza descoperirii de catre Isaac Newton (1643-1727) a legii gravitatiei: observand ca un mar cade pe Pamant in timp ce Luna nu cade, Newton a concluzionat Pamantul atrage corpurile cu o forta direct proportionala cu masa acestora. Nu toate fenomenele fizice sunt insa direct observabile. Pentru a spori acuratetea, calitatea si utilitatea metodei, cercetatorii au creat de-a lungul timpului diverse instrumente: lunete, telescoape, microscoape, osciloscoape, interferometre, spectrometre, etc., realizand cu acestea observatii sistematice. De pilda, detectorii de particule de la CERN permit astazi observarea traiectoriilor particulelor elementare de la nivelul atomului.

Metoda experimentala presupune reproducerea (sau producerea) controlata a unui fenomen, in conditii bine stabilite, in scopul studierii acestuia. Experimentele se realizeaza cu ajutorul aparatelor care permit reproducerea sistematica a fenomenului respectiv, modificarea conditiilor si masurarea parametrilor caracteristici. De exemplu, pentru a testa ipoteza conform careia corpurile cad pe Pamant cu o viteza care creste proportional cu masa, Galileo Galilei (1564-1642) a efectuat un experiment in care a aruncat corpuri cu masa diferita din Turnul din Pisa, a masurat masa acestora si, cu o ingenioasa clepsidra cu apa, timpul scurs pana atingeau Pamantul, constand in final din datele obtinute ca cele doua variabile respecta o relatie de directa proportionalitate. Intr-un alt experiment celebru, dorind sa demonstreze miscarea heliocentrica a Pamantului, J. B. Leon Foucault (1851) a suspendat un pendul de 28 de kg la o inaltime de 67 de km din cladirea Panteonului din Paris. Miscarea lenta a acestuia in sens contrar acelor de ceasornic a constituit un argument stiintific valid pentru heliocentrism. Desigur, aparatura experimentala din ce in ce mai dezvoltata din zilele noastre permite desfasurarea unui mare numar de experimente in laboratoarele lumii.

Modelarea sau simularea in laborator a fenomenelor fizice ofera avantajul unui plus de coerenta logico-matematica, permitand descoperirea deplina si intelegerea acestora. Modelul este o forma de reflectare a obiectelor si fenomenelor realitatii, tinand seama de proprietatile lor reale. Atunci cand fizicienii au depasit granitele fenomenelor observabile, spre macro- si spre microcosmos, modelarea a devenit o necesitate. Astfel, inca din Evul Mediu au fost concepute modele ideale precum modelul geocentric, modelul heliocentric, modelul planetar al atomului, modelul gazului ideal etc. Astazi, atentia multor cercetatori fiind indreptata spre nano-procese, simularea acestora pe computer cu ajutorul diverselor metode matematice nu mai este o noutate.

Observatiile si experimentele au condus la elaborarea si validarea unor legi fizice, care exprima legatura dintre diferitele marimi care definesc un fenomen. Majoritatea acestor legi sunt cantitative, fiind exprimate prin formule matematice. De exemplu, celebra lege a lui Ohm pentru conductorii liniari parcursi de curent electric, stabileste o relatie de directa proportionalitate intre tensiune (U) si intensitatea curentului (I), exprimata matematic prin formula: U = ρ I, ρ fiind constanta numita rezistivitate.

Atunci cand numeroase experimente conduc la acelasi rezultat, care poate fi generalizat, acesta devine principiu. Cu alte cuvinte, principiul este o lege fizica care nu mai are nevoie de demonstratie, a carui valoare de adevar nu mai poate fi pusa la indoiala sau contestata. Exemple de principii fizice sunt legea conservarii energiei, principiile mecanicii clasice, etc.

Majoritatea legilor fizice sunt cantitative, fiind exprimate prin formule matematice. Pentru a stabili astfel de relatii intre marimile fizice, este nevoie de masurarea acestora. Prin masurare se realizeaza compararea unei marimi fizice cu o marime de aceeasi natura, considerata ca unitate (etalon).

Marimile fizice se impart in fundamentale si derivate. Marimilor fundamentale in Sistemul International sunt urmatoarele: lungimea, masa, timpul, intensitatea curentului electric, temperatura termodinamica, intensitatea luminoasa. Marimile derivate se pot reduce la marimile fundamentale pe baza operatiilor de definitie.

Unitatile fundamentale in Sistemul International sunt urmatoarele:

Metrul (m): Lungimea egala cu 1 650 763, 73 lungimi de unda in vid, a radiatiei emise de izotopul cu numarul de masa 86 al kriptonului, in tranzitia dintre nivelele 2p₁₀ si 5d₅. Acest etalon corespunde exact lungimii vechiului etalon al metrului-bara confectionat din aliaj de platina-iridiu.

Kilogramul (kg): Masa prototipului international confectionat din platina iradiata care se gaseste la Biroul International de Masuri si Greutati din Sèvres.

Secunda (s): Durata unui numar de 9 192 631 770 perioade ale radiatiei corespunzatoare tranzitiei intre cele doua nivele hiperfine ale starii fundamentale a izotopului cu numarul de masa 133 al cesiului

Amperul (A): Intensitatea curentului electric constant care strabate doi conductori rectilinii, paraleli, de lungime infinita si de sectiune circulara neglijabila, situati in vid la distanta de 1 m, care produce o forta de 2·10^-7 N.

Kelvinul (K): Fractiunea 1/273,16 din temperatura termodinamica a punctului triplu al apei.

Candela (cd): Intensitatea luminoasa emisa in directia normalei, la temperatura de solidificare a platinei si presiune atmosferica normala, de catre suprafata unui radiator integral (corp negru) cu aria de 1/600 000 m².

Molul (mol): Cantitatea de substanta a unui sistem care contine atatea entitati elementare cati atomi exista in 0,012 kg de carbon -12.

Alaturi de marimile fundamentale, in S.I. mai exista doua marimi suplimentare (auxiliare): unghiul plan si unghiul solid, avand ca unitati de masura radianul, respectiv steradianul.

Radianul (rad) este unghiul plan cu varful in centrul unui cerc cuprins intre doua raze care delimiteaza pe circumferinta cercului un arc a carui lungime este egala cu raza cercului.

Steradianul este unghiul solid cu varful in centrul unei sfere cuprins de o suprafata conica ce delimiteaza pe suprafata sferei o arie egala cu aria unui patrat a carui latura este egala cu raza sferei.

Marimile si unitatile derivate se pot exprima in functie de marimile si unitatile fundamentale prin intermediul formulelor de definitie. Expresiile care stabilesc dependenta dintre aceste marimi, se numesc formule dimensionale ale marimilor derivate.

De exemplu, din formula de definitie a vitezei: v = s/t, se obtine formula dimensionala a vitezei: [v] = LT^-1. Similar, din formula de definitie a acceleratiei, a = v/t, rezulta formula dimensionala [v] = LT^-2.

Formulele dimensionale permit verificarea relatiilor dintre marimile fizice pe baza criteriului de omogenitate. Aceasta conditie impune uneori dimensiunile coeficientilor din formulele care exprima legile fizice. De exemplu, dimensiunile constantei atractiei universale sunt determinate din legea atractiei universale, pe baza criteriului de omogenitate, astfel: F = m_1·m₂/r², adica G = F_·r²/ m_1·m₂, cu dimensiunile [G] = M^-1L³T^-2.