5 lebih banyak persamaan fisika yang harus diketahui setiap orang

Pada bulan Januari i menulis sebuah karya berjudul “5 Persamaan Fisika yang Harus Diketahui Setiap Orang. ” Banyak dari Anda yang menimbang dengan nominasi Anda sendiri, dan ada banyak saran bagus.

Untuk lebih jelasnya, daftar ini bukan hanya untuk para ilmuwan. Anda ingin menjadi orang yang berpengetahuan luas dan memahami dunia, bukan? Robert Heinlein menulis bahwa hal hebat tentang manusia adalah mereka tidak melakukan hanya satu hal. Anda mungkin seorang pengendara rodeo dengan perdagangan, tetapi Anda juga tahu tentang seni, sejarah, dan popcorn microwave memasak. Manusia adalah pisau tentara Swiss dari kerajaan hewan.

Dalam lima persamaan di bawah ini, saya akan menjelaskan hubungan yang mereka gambarkan – apa yang mereka berarti. Kami tidak akan menggiling melalui derivasi apa pun, jadi jangan khawatir, tidak ada matematika yang diperlukan!

1. Prinsip Energi Kerja

Yang ini sangat sederhana, mungkin bahkan seharusnya tidak menjadi persamaan. Tapi itu sangat kuat. Prinsip energi kerja menggambarkan bagaimana energi (E) suatu sistem berubah (simbol delta D berarti “perubahan”) saat bekerja (W) dilakukan di atasnya.

Energi seperti uang karena itu tidak nyata – itu hanya hal yang orang ciptakan untuk membuat perdagangan lebih mudah. Anda mungkin berpendapat bahwa satu dolar bernilai jumlah tertentu dalam emas asli, tetapi itu hanya menendang masalah di jalan: mengapa emas berharga? Karena manusia berkata demikian.

Hal yang sama berlaku dengan energi. Ini adalah buku besar akuntansi, cara untuk melacak interaksi. Pertimbangkan contoh dengan energi kinetik. Ini adalah energi yang dimiliki suatu objek karena bergerak, dan tergantung pada massa dan kecepatannya. Energi dihitung dalam satuan joule.

Pertama, Anda harus mendefinisikan “sistem” yang Anda analisis. Katakanlah Anda memiliki sistem yang hanya bola bowling. Jika Anda melempar bola itu ke jalur, Anda menambahkan energi dari tubuh Anda ke sistem. Itulah pekerjaannya. Lihatlah: Energi kinetik bola meningkat dan mempercepat. Saat menyentuh pin, ia mentransfer energi kinetik, menyebabkan mereka terbang terpisah. Memukul!

Jika tidak ada pekerjaan yang dilakukan pada suatu sistem, energi total harus konstan. Kami menyebutnya konservasi energi. Prinsip ini telah digunakan untuk menemukan hal -hal baru. Pada tahun 1911 orang mengukur energi selama reaksi nuklir yang disebut proses peluruhan beta (di mana inti atom menghasilkan elektron). Mereka menemukan bahwa energi elektron ditambah nukleus sisa tidak bertambah – tampaknya energi itu tidak terkonservasi. Sebenarnya itu dilestarikan, karena ada partikel lain yang diproduksi dalam proses tersebut. Ini menyebabkan penemuan neutrino.

2. Hukum Gas Ideal

Ini mungkin salah satu persamaan pertama yang dilihat siswa di kelas sains, karena ini penting dan mudah dikerjakan. Hukum Gas Ideal mendefinisikan hubungan antara tekanan (P), volume (V), suhu (T) dan jumlah partikel (N) dalam gas. (R hanya konstan untuk membuat semua unit berfungsi.)

Ketika Anda memompa ban sepeda, itu menjadi lebih panas, kan? Yang keluar dari persamaan: meningkat P Dan T harus naik. Tinggalkan balon di luar pada malam yang dingin (lebih rendah T) dan menyusut (V semakin kecil).

Persamaan ini memperlakukan gas sebagai media kontinu (seperti udara dalam balon). Sungguh itu adalah sekelompok molekul gratis yang bergerak. Itu tidak masalah – baik model berfungsi. Anda dapat menjelaskan tekanan karena kekuatan per satuan luas gas yang mendorong dinding wadah atau Anda dapat mengatakan itu disebabkan oleh bola -bola kecil yang memantul dari dinding.

3. Persamaan entropi Boltzmann

Yang ini tentang entropi (S), yang merupakan tingkat gangguan atau keacakan dalam suatu sistem. Misalnya, karena air menjadi lebih hangat dan berubah dari es padat menjadi cairan ke gas, molekul dapat bergerak lebih banyak, yang berarti entropi meningkat.

Di sisi kanan, k_B disebut konstanta Boltzman, dan omega (Oh) adalah jumlah “microstates” yang mungkin terjadi. Izinkan saya menjelaskan dengan sebuah contoh: Katakanlah saya memiliki empat koin dan empat orang. Berapa banyak cara berbeda yang bisa saya bagikan koin ini? Nah, dua kasus ekstrem adalah bahwa setiap orang mendapatkan satu koin atau keempat koin tersebut pergi ke satu orang. Secara keseluruhan, ada 35 kemungkinan distribusi. Ini adalah microstat (Oh). Jadi, Anda dapat menganggapnya sebagai pengaturan energi di antara partikel -partikel yang memungkinkan dengan menjaga energi total yang sama.

Jika saya menjatuhkan bola basket, energi potensial gravitasi menurun saat jatuh dan energi kinetiknya meningkat – energi total dilestarikan. Tapi itu tidak memantul setinggi itu. Itu karena beberapa energi bocor karena panas pada dampak. Bola sedikit menghangat. Ketika kami mempertimbangkan energi termal itu, kami menemukan bahwa energi masih dihemat. Tapi entropi lebih tinggi.

Tapi bagaimana jika bola berhasil lebih dingin dan memantul lebih tinggi? Ini berarti energi termal berkurang dan energi kinetik meningkat. Energi akan tetap dilestarikan, tetapi dalam hasil ini, entropi berkurang. Ini sebenarnya mungkin, tetapi Anda bisa menjalankan percobaan ini sampai akhir waktu dan tidak pernah mendapatkan hasil itu.

Inilah contoh lain yang menyenangkan. Bayangkan meletakkan es di segelas air hangat. Mungkinkah air menjadi lebih hangat dan es menjadi lebih dingin? Sekali lagi, probabilitasnya bukan nol, tetapi tidak mungkin. Formula Boltzmann mengatakan bahwa semakin banyak microstat yang mungkin ada, semakin besar entropi.

Secara ulit, ini mengarah pada hukum kedua termodinamika, yang menyatakan bahwa total entropi sistem tertutup hanya dapat meningkat dari waktu ke waktu, atau setidaknya tidak akan pernah berkurang. Jadi, seperti, meja Anda hanya akan menjadi lebih berantakan dan berantakan, kecuali jika Anda membuka “sistem” itu dan melakukan beberapa “pekerjaan” – yang, ingat, berarti menambahkan energi. Sayangnya alam semesta adalah sistem yang benar -benar terisolasi, sehingga hanya dapat mengakhiri satu arah – dalam total kehilangan semua struktur dan kehidupan.

4. Hukum Ohm

Persamaan ini digunakan di banyak perangkat modern kita karena berurusan dengan listrik. Hukum Ohm memberikan hubungan antara perubahan energi potensial listrik (ΔV) melintasi beberapa elemen dalam sirkuit dan arus listrik (SAYA) bergerak melalui elemen itu. Karena melelahkan untuk mengatakan “perubahan potensial listrik,” kita sering hanya menyebutnya “tegangan,” karena diukur dalam volt. Konstanta proporsionalitas antara tegangan dan arus disebut resistensi (R); Tidak mengherankan, itu diukur dalam unit ohm.

Tapi apa artinya ini? Bagaimana dengan analogi: bayangkan saya memiliki selang air mengalir di sisi bukit. Air yang bergerak seperti arus listrik. Bagaimana Anda bisa meningkatkan laju aliran? Anda bisa membuat bukit lebih tinggi, yang akan seperti mengubah tegangan, atau Anda bisa meningkatkan diameter selang untuk mengurangi resistensi. Di sana – itu hukum Ohm.

Tidak semua yang Anda masukkan ke dalam sirkuit akan mematuhi hukum Ohm. Ada hal -hal seperti dioda yang tidak memiliki resistensi konstan. Juga, Anda bisa mendapatkan beberapa elemen yang mengubah resistensi berdasarkan suhu atau bahkan jumlah cahaya yang mengenai mereka – yang membuatnya bagus untuk mengukur sesuatu. Tetapi pada akhirnya, Anda tidak dapat menganalisis sirkuit apa pun tanpa menggunakan hukum Ohm.

5. Faktor Lorentz

Ini bukan persamaan, melainkan bagian dari persamaan. Kami menyebut gamma (C) Faktor Lorentz. Itu adalah kuantitas yang tergantung pada kecepatan (v) suatu objek saat mendekati kecepatan cahaya (C). Ketika hal -hal tampak bergerak sangat cepat, hal -hal aneh terjadi. Kita dapat menghitung hal -hal aneh ini dengan faktor Lorentz.

Sebagai permulaan, ada pelebaran waktu. Misalkan Anda menonton jam di dalam pesawat ruang angkasa yang menjauh dari Anda dengan kecepatan setengah cahaya (C/2). Anda akan melihat bahwa jam tampaknya mencentang lebih lambat dari jam stasioner Anda sendiri. Panjang setiap kutu di kapal ruang angkasa akan dikalikan dengan faktor Lorentz. Dengan setengah kecepatan cahaya, ini akan membuat pesawat ruang angkasa kedua tampaknya berlangsung 1,15 detik (yang lebih lambat).

Pesawat ruang angkasa yang bergerak cepat juga tampaknya memiliki lebih banyak massa daripada saat stasioner. Kita dapat menggunakan faktor Lorentz yang sama persis dikalikan dengan “massa istirahat” untuk mendapatkan massa relativistik yang 1,15 kali lebih besar.

Tetapi bagaimana jika kita menggunakan faktor Lorentz ini pada sesuatu yang lambat – katakanlah, peluru yang melaju dengan kecepatan 1.000 meter per detik. Tentu, itu cepat dibandingkan dengan baseball (pelempar elit mungkin mencapai 45 meter per detik), tetapi dibandingkan dengan kecepatan cahaya (300 juta meter per detik), itu tidak signifikan. Itu artinya v²/C² Pada dasarnya nol, dan faktor Lorentz dari peluru pada dasarnya adalah 1. Jadi dalam arti tertentu, bahkan softball yang lambat memiliki massa relativistik. Itu sangat dekat dengan misa sisanya sehingga Anda tidak akan menyadarinya.