FIZIKA

A fizika Görög φυσικός [phüszikosz]: természetes és φύσις [phüszisz]: temészet) a legszélesebb értelemben vett természettudomány, amelyből több ág vált ki a tudomány fejlődése során. A fizikusok az anyag tulajdonságait és  kölcsönhatásait tanulmányozzák az elemi részecskék szintjétől a Világegyetem  egészéig. A fizikát (mint minden természettudományt) gyakran olyan kategóriákra osztják, mint elméleti  és kísérleti fizika.  Az emberek az ókor óta próbálták megérteni az anyag viselkedését,  Arkhimédész, a nagy görög gondolkodó a mechanika és a hidrosztatika területén számos kvantitatív módon helyes következtetésre jutott. A XVII. század elején Galileo Galilei (1564-1642) olasz tudós volt az úttörője a fizikai elméletek kísérletekkel való igazolásának. Számos helyes képletet alkotott a dinamikában, különösképpen a tehetetlenség törvényében. 1687-ben Isaac Newton két átfogó és sikeres fizikai elméletét részletezte: Newton mozgástörvényeit, amiből a klasszikus mechanika fejlődött ki és a gravitációs törvényt, amely a gravitációt írja le. 

Vonatkoztatási rendszerek A mozgás az anyag alapvető tulajdonsága. Anyag (tömeg) nem képzelhető el mozgás nélkül, és mozgás anyag nélkül. A mozgás, azaz a helyváltozás minden esetben csak valamihez viszonyítva értelmezhető. Meg kell határoznunk, hogy mihez viszonyítva adjuk meg a testek helyét, helyváltozását. Azt a rendszert, amiben a testet megadjuk, mozgását leírjuk vonatkoztatási rendszernek nevezzük. Tömegpont, anyagi pont: test, melynek kiterjedésétől eltekintünk A tömegpont helyét egyértelműen megadhatjuk a vonatkoztatási rendszer origójából a testhez húzott irányított szakasszal, vektorral. ha ez a vektor változik az időben, akkor beszélünk mozgásról

Tehetetlenségi rendszerek Az inerciarendszer vagy tehetetlenségi rendszer a fizikai alaptörvények szempontjából legfontosabb rendszer, olyan rendszer, amiben érvényes Newton tehetetlenségi törvénye (Newton I. törvénye.) Abszolút rendszer nincs Inerciarendszernek tekinthető minden olyan koordináta-rendszer amelyre igazak a newtoni axiómák, a magukra hagyott testek nyugalomban vannak, vagy egyenes vonalú, egyenletes mozgást végeznek. Sok szempontból a Föld felszínéhez rögzített koordináta-rendszer is inerciarendszernek tekinthető, de ehhez el kell hanyagolnunk a Föld forgását. Nem tehetetlenségi rendszerek A nem tehetetlenségi rendszereket gyorsuló vonatkoztatási rendszereknek hívjuk. Ilyen egy mozgó személygépkocsi, vagy a forgó Föld. Az ilyen rendszerbeli leírásra nem érvényesek a Newtoni törvények, mert a testek erőhatás nélkül is látszólag gyorsulnak. 

A testek helye, helyzete és mozgása relatív A vonatkoztatási rendszerhez rögzített koordináta- rendszerben a testek helye és mozgása fizikai mennyiségekkel pontosan megadható.

Pálya – Út – Elmozdulás A pálya az a vonal, amelyen a test mozgása közben végighaladhat. Az út, a pálya azon részének hossza, amelyet adott időtartam alatt a test megtesz. Az elmozdulás, a mozgás kezdőpontja és végpontja közötti távolság.

Testek mozgásának iránya A mozgások csoportosításának egyik lehetséges szempontja a pálya alakja: egyenes vonalú mozgás, ahol a mozgás egyenes vonal mentén történik. Ha a mozgás nem egyenes, hanem valamilyen görbe mentén történik, akkor beszélünk görbe vonal mentén történő mozgásról. Ennek a mozgásnak speciális esetei a körmozgás, vízszintes vagy ferde hajítás. A testek elmozdulásának iránya és nagysága van, melyet vektor mennyiséggel tudunk ábrázolni.

Testek mozgásának jellemzői Az olyan mozgást, ahol a test egyenlő idők alatt egyenlő utakat tesz meg – bármilyen kicsik vagy nagyok is ezek az egyenlő időtartamok - , egyenletes mozgásnak nevezzük. Az út (s) egyenesen arányos (t) idővel. A mozgást jellemző egyik mennyiség: sebesség megmutatja, hogy egységnyi idő alatt mennyit mozdul el a test Jele: v (velocitas) Mértékegysége: m/s (SI:Mértékegységek Nemzetközi Rendszere 1960) v=Δs/Δt

Sebességvektor, helyvektor Egy test mozgásához nem elég a sebességét ismerni, olyan mennyiségekre van szükség mely megadja a mozgás irányát is. Azon mennyiségek, melyeknek iránya is van: vektormennyiségek. A sebesség vektormennyiség. A test sebességvektorának nagysága a sebesség nagysága, iránya a test mozgásának iránya. Helyvektor: a koordináta rendszer origójából Indul és az anyagi pont pillanatnyi helyéig tart. Elmozdulás vektor: A1 tartózkodási pontból A2 pontba mutató vektor.

Mozgások összegződése Egy test egy egyenes mentén létrejött egyidejű mozgásainak sebessége előjelesen adódik össze. Nem egy egyenesbe eső de egy pontból induló vektorok Paralelogramma módszerrel összegezhetők. Eredő vektor adja meg a tényleges elmozdulás irányát

Változó mozgás A testek mozgása általában változó mozgás. Jellemzése: Átlagsebesség: Összes megtett út/összes megtételhez szükséges idő Pillanatnyi sebesség: Pillanatnyi sebességen azt a sebességet értjük, amellyel a test egyenletesen mozogna tovább, ha az adott pillanatban megszűnnének a sebességváltozást okozó erőhatások. Mozgás jellemzése: sebesség nagysága, elmozdulás iránya: Pillanatnyi sebességvektor

A gyorsulás fogalma Egyenletesen változó mozgás: Ha egy test pillanatnyi sebességének nagysága egyenlő időtartamonként ugyanannyival változik meg. Jellemzése: sebességváltozás gyorsasága: gyorsulás a = Δv/Δt mértékegysége:(m/s2) Vektormennyiség, iránya a sebességváltozás irányával egyezik meg. Gyorsuló mozgás: ha a sebességvektor iránya vagy nagysága vagy mindkettő változik. Négyzetes úttörvény: s = v0*t + (a*t2)/2

A pillanatnyi gyorsulás Nem egyenletesen változó mozgás: a mozgások többsége nem egyenletesen változó mozgás Sebességváltozás nagysága és a közben eltelt idő hányadosa: átlaggyorsulás a átl. = Δv/Δt Pillanatnyi gyorsulás: adott időpillanatban a sebességvektor változásának gyorsasága Lassulás (fékez a mozdony) Negatív irányú gyorsulás, a gyorsulásvektor a sebesség (elmozdulás) irányával ellentétes irányú

Az egyenlítő mentén: g = 9,78 m/s2 Szabadesés A testek olyan esése, amely során csak a gravitációs hatás érvényesül szabadesésnek nevezzük. A szabadesés egyenletesen változó mozgás, a szabadon eső testnek is van gyorsulása a Pillanatnyi sebesség v= a*t, v=v0+a*t esés közben megtett út s=a*t2/2 Galileo Galilei a leghíresebb fizikai kísérlete a pisai ferdetoronyból leejtett különböző tömegű testek elbeszélése. Ezzel bizonyította, hogy a szabadesés sebessége független a testek tömegétől (kizárva a légellenállást).  A Föld gravitációs vonzása által létrehozott gyorsulásnak a neve a gravitációs gyorsulás: g Az egyenlítő mentén: g = 9,78 m/s2 A Föld sarkain: g = 9,83 m/s2

Gravitáció a Marson g = γ ⋅ (m/r2), Más égitesteken a gravitációs gyorsulás értéke eltér a Földön mért értéktől A Marson 3,9 m/s2, a Holdon 1,6 m/s2, a Napon 274,6 m/s2 A gravitációs gyorsulást bármely égitesten az alábbi összefüggéssel számolhatjuk ki: g = γ ⋅ (m/r2), Tehát, ha az égitest tömege a Földének kétszerese, akkor ott a gravitációs gyorsulás is kétszer annyi lesz, ha az égitest sugara kétszerese a Földének, akkor a gravitációs gyorsulás negyede a földi értéknek.

Szabadesés út-idő grafikonja s = (g/2)∙t2

Szabadesés sebesség-idő grafikonja v=g ∙ t

1971 – Hold – Apolló 15 David Scott a Holdon bebizonyítja Galileo Galilei állítását, miszerint a különböző tömegű testek azonos gyorsulással esnek. A légkör nélküli Holdon nem kell a levegő fékező hatásával számolnunk, így az tökéletes helyszín a szabadesés jelenségének a vizsgálatára. Scott egyik kezébe kalapácsot, másikba madártollat vett, majd azonos magasságból leejtette. A két tárgy ugyanakkor ért földet, vagyis „holdat”!

Hajítás A függőleges hajítás: Nincs vízszintes irányú elmozdulás, nincs vízszintes irányú sebességkomponens. Elmozdulás: Vízszintes hajítás: A kezdeti időpillanatban csak vízszintes irányú a sebesség. A parabola pályán haladó test sebességvektora nő, és mindig érintő irányú. A sebességvektor vízszintes komponense állandó, mert a testre nem hat vízszintes irányú erőkomponens.            vo= vx= áll.

Ferde hajítás Ferde hajítás akkor jön létre, ha a test kezdősebessége nem vízszintes és nem is függőleges. A ferde hajítás két mozgás összegének tekinthető: a test vízszintesen egyenes vonalú egyenletes mozgást végez, a mozgás függőleges összetevője pedig egyenes vonalú egyenletesen változó mozgás. A test sebessége: A test pályája:

Körmozgás A mozgások pályája különböző alakú lehet. Az egyenes vonalú mozgásoknál a pálya egyenes, egyéb esetben görbe vonalú mozgásról beszélünk. A bolygók ellipszis alakú pályán keringenek a Nap körül. A Holdon, ahol nincs légellenállás, elhajított test parabola alakú pályán repülne. Ha egy test mozgásának pályája kör, körmozgásról beszélünk. Körmozgást végez például a körhintán ülő gyerek, a kanyarban haladó autó (bár a körnek csak egy részét futja be), a lemezjátszó korongjának egyes pontjai és közelítőleg ilyen mozgást végeznek a távközlési műholdak is a Föld körül. A körmozgás periodikus mozgás, hiszen miután a test befutott egy kört, általában kezdi a következőt. Leírása különbözik az eddigi mozgások leírásától. i r vker 

Egyenletes körmozgás Egy test egyenletes körmozgást végez, ha mozgásának pályája kör, és a test egyenlő idők alatt egyenlő íveket fut be, vagyis sebessége állandó nagyságú. Amikor a körhinta elérte állandó „forgási sebességét”, a székben ülő személy egyenletes körmozgást végez. Egyenletes körmozgást végez a lemezjátszó korongjának minden pontja. A Föld forgása következtében a Föld felszínén található minden, a Földhöz képest nyugalomban lévő test is egyenletes körmozgást végez. A kanyarodó jármű is végezhet egyenletes körmozgást, ha a kanyarban nem növekszik vagy csökken a sebességének nagysága.

Egyenletes körmozgás jellemzése Körpályán mozgó test sebessége a pálya minden pontjában a pálya érintőjének irányába mutat. A körmozgás olyan változó mozgás, amelynek során a test sebességének iránya folyamatosan változik. Egy teljes kör megtételéhez szükséges időt keringési vagy periódus időnek nevezzük. Jele: T A körpályán mozgó test sebessége: Kerületi sebesség. Jele: vk =Δs/Δt =2r π/T Az egységnyi idő alatt megtett körök száma a fordulatszám, a fordulatszám mértékegysége az 1/s. Jele:n Összefüggés a fordulatszám és a periódus idő között: n·T=1 A periódusidő és a fordulatszám egymás reciprokai.

Radián A radián v. ívmérték a síkszögek egyik mértékegysége, amelyet a rad  szimbólummal jelölnek. Dimenzió nélküli mértékegység, mivel két hosszúság hányadosa. A radián kifejezés először 1873. június 5-én jelent meg nyomtatásban James Thomson  által felvetett kérdések vizsgálata során. Egy radián az a szög, amely alatt a sugárral megegyező nagyságú ívhossz a középpontból látszik. Másképp a radián a sugárnyi hosszúságú ívhosszhoz tartozó középponti szög. Egy kör középponti szögének radiánban mért értéke kiszámolható, ha a hozzá tartozó ívhosszat elosztjuk a sugárral.  α=360° Kkör=2rπ α=K/r=2rπ/r=2π 360° = 2π≈6,28... radiánnak felel meg

A szögsebesség Az egyenletes körmozgást végző testhez a kör középpontjából húzott sugár ( vezérsugár ) szögelfordulásának és a szögelfordulás idejének hányadosát szögsebességnek nevezzük. Jele: ω (omega) ω= Δα / Δt = 2π/T Mértékegysége a szögelfordulás és az idő mértékegységének a hányadosa. Mivel a szög mértékegység nélküli szám, ezért a szögsebesség mértékegysége: 1/s A szögsebesség és a kerületi sebesség közötti matematikai kapcsolat a vk =2rπ/T =r⋅ω fejezhető ki.

Centripetális gyorsulás Forgás közben a kerületi sebesség vk iránya pontról- ponra változik. Az egyenletes körmozgás ezért változó mozgás. Az egyenletest körmozgást végző anyagi pontnak mivel változó mozgás, van gyorsulása. A gyorsulás vektormennyiség, melynek iránya a körpálya középpontja felé mutat. A kör középpontja felé mutató gyorsulás neve centripetális gyorsulás. Jele: acp Nagysága: acp=vk2/r

Forgó mozgás A forgás olyan mozgás, amikor a test minden pontja egy körpályán mozog a testhez rögzített egyenes körül, amelyet a test forgástengelyének nevezünk. Ha tér helyett csak síkban vagyunk, akkor egy pont körül történik a forgás