Semua teknologi yang kami andalkan, dari mobil ke smartphone, direkayasa menggunakan fisika. Anda tidak perlu mengetahui sains untuk menggunakan hal -hal ini. Tetapi manusia yang berpengetahuan luas harus memahami setidaknya beberapa konsep kunci-bersama dengan beberapa musik, seni, sejarah, dan ekonomi. Robert Heinlein mengatakan semuanya masuk Waktu yang cukup untuk cinta:
“Seorang manusia harus dapat mengganti popok, merencanakan invasi, membantai seekor babi, di atas kapal, merancang sebuah bangunan, menulis soneta, menyeimbangkan akun, membangun dinding, mengatur tulang, menghibur orang yang sekarat, menerima pesanan, Berikan perintah, bekerja sama, bertindak sendiri, menyelesaikan persamaan, menganalisis masalah baru, pitch pupuk, memprogram komputer, memasak makanan lezat, bertarung secara efisien, mati dengan gagah. Spesialisasi adalah untuk serangga. “
Jadi, demi tidak serangga, berikut adalah persamaan fisika lima besar saya yang harus Anda ketahui.
1. Hukum Kedua Newton
Saya yakin Anda telah melihat yang ini sebelumnya-ini berusia lebih dari 300 tahun, dan ini populer untuk meme sains dan t-shirt. Dikatakan gaya bersih pada suatu objek sama dengan massanya (M) akselerasi kali (A). Tapi apa artinya itu? Ini semua tentang interaksi – seperti saat Anda menendang bola sepak atau menjatuhkan botol air di lantai.
Hukum kedua Newton mengatakan kita dapat menggambarkan interaksi ini dengan konsep “kekuatan.” Dan apa yang dilakukan kekuatan? Gaya bersih pada suatu objek mengubah gerakan objek. Tapi tunggu! Ada banyak hal yang lebih keren dalam persamaan yang tampak sederhana ini.
Lihat panah itu F Dan A? Itu menunjukkan variabel yang merupakan vektor, yang berarti mengandung lebih dari satu informasi. Misalnya, jika seseorang meminta Anda untuk “menjauhkan diri” dengan 1 meter, di mana Anda akan berakhir? Siapa yang tahu? Anda bisa pergi 1 meter ke timur atau barat atau 39 derajat dari utara. Jarak dengan sendirinya bukanlah cerita lengkap; Anda juga perlu menentukan arah. Ini berlaku untuk kekuatan dan akselerasi. Jumlah lain (seperti massa atau suhu) tidak memiliki arah. Kami menyebut nilai -nilai skalar itu.
Hukum kedua Newton sangat berguna, tetapi anehnya, orang -orang sepertinya tidak percaya. Kesalahpahaman yang umum adalah bahwa kekuatan konstan membuat objek bergerak dengan kecepatan konstan. Apa yang dikatakan persamaan ini, lebih tepatnya, adalah bahwa jika Anda mendorong objek dengan kekuatan yang stabil, itu akan terus berakselerasi.
Mengapa orang salah? Itu karena Anda hampir tidak pernah memiliki satu kekuatan yang bertindak pada suatu objek. Jika Anda menjaga tekanan stabil pada pedal gas mobil Anda, dan itu adalah hanya Paksaan mobil, percayalah, Anda akan terus berjalan lebih cepat dan lebih cepat. Namun pada kenyataannya, ada tarik angin yang mendorong ke arah yang berlawanan, yang sebagian mengimbangi kekuatan dari mesin Anda.
Dengan menggunakan kekuatan untuk menggambarkan interaksi, kita dapat melakukan banyak hal yang luar biasa – seperti model gerakan bola basket di udara, pembalap drag yang mempercepat, atau bahkan gerakan sistem bintang biner.
2. Persamaan Gelombang
Jika Anda mengambil tali panjang dan mengguncang satu ujung, Anda akan membuat gangguan. Coba tebak, dengan goyang sederhana yang Anda buat pulsa gelombang, yang berjalan di sepanjang tali. Ini sangat keren dan sangat mudah dilakukan. Saya di Louisiana, jadi tentu saja saya menggunakan serangkaian manik -manik mardi gras.
Jangan biarkan yang ini membuat Anda takut – ini persamaan diferensial, yaitu kalkulus. Tapi idenya sederhana. Jika Anda membayangkan pesawat koordinat dengan string yang diletakkan di X-axis, katanya posisi string di vertikal (y) arah tergantung pada kedua waktu (T) dan lokasi bagian string itu (X).
Menggunakan ini, kita dapat memodelkan pulsa pada string untuk menunjukkan bahwa itu bergerak dengan kecepatan v. Untuk string nyata yang sebenarnya, kecepatan gelombang ini tergantung pada kedua massa per panjang serta tegangan string. Inilah contoh yang menyenangkan gelombang pada string besar Jika Anda ingin melihat lebih banyak matematika.
Mengapa Anda harus peduli? Nah, ternyata gelombang ada di sekitar kita. Cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Sama untuk radiasi dalam oven microwave Anda dan sinyal Wi-Fi Anda. Suara adalah gelombang tekanan di udara. Anda juga dapat memetik tali dengan kedua ujungnya tetap, menyebabkan gelombang memantul – ini disebut “gelombang berdiri,” dan itulah cara orang bermain gitar. Jenis masalah besar.
Seperti yang akan Anda lihat segera, kita bahkan dapat menggambarkan perilaku hal-hal super kecil seperti elektron dengan persamaan gelombang-ish.
3. Persamaan Maxwell
Heh. Saya sedikit curang dengan memasukkan empat persamaan hanya satu, tapi ini adalah paket. Persamaan Maxwell pada dasarnya Jelaskan segalanya Anda perlu tahu tentang medan listrik (E) dan medan magnet (B) dan bagaimana mereka terkait. Medan listrik adalah cara untuk menggambarkan interaksi dengan muatan listrik (seperti elektron dan proton), dan medan magnet menggambarkan apa yang terjadi ketika muatan tersebut bergerak (baik dalam atom atau dalam arus listrik).
Hampir semua segala sesuatu di sekitar Anda ada hubungannya dengan interaksi-magnetik listrik. Ketika Anda mendorong dinding, mengapa tangan Anda tidak melewatinya? Lagi pula, dinding itu bukan objek yang kokoh, itu terdiri dari atom diskrit. Itu karena interaksi listrik antara elektron di tangan Anda dan yang ada di dinding, yang saling mengusir. Maka tentu saja ada hal -hal seperti bola lampu, motor listrik – oh, dan komputer.
Tunggu! Ada sesuatu yang lebih penting tentang persamaan Maxwell. Anda dapat menggunakan ini untuk menunjukkan bahwa medan listrik yang berosilasi menciptakan medan magnet yang berubah, dan medan magnet yang berubah ini menciptakan medan listrik. Pada dasarnya, Anda dapat membuat gelombang (dengan persamaan gelombang) untuk medan listrik dan magnet dengan cara yang sama seperti gelombang bergerak pada string. Kecepatan gelombang elektromagnetik ini (dalam ruang hampa) adalah 2,99 x 108 Meter per detik – yang kebetulan adalah kecepatan cahaya. Jadi, cahaya memang gelombang elektromagnetik. Itu masalah besar.
4. Persamaan Schrödinger
Persamaan Schrodinger
Persamaan Schrödinger adalah model matematika di jantung mekanika kuantum. Meskipun kita dapat menggunakan hukum kedua Newton untuk memahami perilaku baseball atau bulan yang mengorbit bumi, ini tidak berhasil ketika kita mendapatkan hal -hal super kecil seperti elektron dan proton. Ternyata banyak ide kami tentang gerakan tidak berfungsi pada skala subatomik. Richard Feynman pernah berkata, “Jika Anda pikir Anda memahami mekanika kuantum, Anda tidak memahami mekanika kuantum.”
Yang mengatakan, mari kita perhatikan persamaan Schrödinger. Versi di atas disebut persamaan Schrödinger yang bergantung pada waktu dalam satu dimensi. Lihat variabelnya Φ (psi)? Ini disebut fungsi gelombang. Ini adalah cara untuk mewakili kemungkinan lokasi partikel, karena kita tidak dapat benar -benar menghitung lintasan. Kami menyebutnya fungsi gelombang karena memiliki solusi Wavelike – yang bagus, karena kami kemudian dapat menggunakan teknik matematika kami untuk menangani gelombang.
Perhatikan bahwa persamaan ini menghubungkan laju perubahan waktu (di sebelah kiri) dan laju perubahan ruang (di sebelah kanan) – seperti persamaan gelombang yang kami jelajahi sebelumnya. Mungkin tampak aneh bahwa ini termasuk angka imajiner (Saya adalah akar kuadrat dari –1), tetapi ini sering muncul dalam model fisika – mereka cukup berguna untuk mewakili osilasi.
Mari kita lihat bagian luar biasa dari persamaan ini: ℏ. Ini disebut konstanta Planck yang dikurangi, dan memberikan hubungan antara energi dan frekuensi pada tingkat kuantum. (Untuk tendangan, Anda bisa Ukur konstan mendasar ini menggunakan LED berwarna berbeda.)
Sekarang, jika Anda semua berada di kuantum, dan Anda ingin menato persamaan Schrödinger di lengan Anda, saya sarankan menggunakan versi yang lebih pendek ini:
Ini pada dasarnya hal yang sama. Anda masih memiliki ketergantungan pada waktu di sebelah kiri. Bagian luar angkasa diganti dengan operator Hamiltonian (an H mengenakan topi). Akhirnya, | Ψ disebut vektor negara. Ini hanya cara yang berbeda untuk mewakili fungsi gelombang Φ.
Oke, tapi mengapa Anda harus peduli dengan ranah kuantum? Yah, meskipun Anda tidak bisa pergi ke sana seperti Ant-Man, kami sering berurusan dengan hal-hal di tingkat atom. Pikirkan saja molekul air tunggal. Ini adalah interaksi antara satu atom oksigen dan dua atom hidrogen. Bahkan molekul sederhana ini sangat rumit, tetapi dapat dimodelkan menggunakan persamaan Schrödinger. Jika Anda tidak menyukai air (Anda harus), ada berbagai macam teknologi berdasarkan mekanika kuantum: laser, jam atom, LED, dan tentu saja semikonduktor (digunakan di komputer Anda membaca ini).
5. Kesetaraan Massa Energi Einstein
Jika Anda meminta orang acak untuk memberi Anda persamaan fisika, ada kemungkinan besar Anda akan mendapatkan yang ini. Singkatnya, ini menunjukkan hubungan antara energi (E) dan massa (M) dengan konstan C untuk kecepatan cahaya (2,99 x 108 meter per detik) Tapi tunggu! Meskipun versi ini adalah yang diketahui semua orang, versi yang lebih lengkap terlihat seperti ini:
Ini membutuhkan kecepatan partikel (v) Dipertimbangkan, sehingga kita bisa mendapatkan ekspresi untuk energi total suatu partikel. Jika kecepatannya jauh lebih rendah dari kecepatan cahaya, maka energinya kira -kira:
Itu 1/2mv2 mungkin terlihat akrab. Itu adalah energi kinetik dari suatu objek. Jadi, kita dapat mengatakan bahwa energi dari sesuatu adalah jumlah dari “energi massa istirahat” (MC2) dan energi kinetiknya.
Itu gila. Jika Anda melempar baseball, itu jelas memiliki energi kinetik karena bergerak. Tapi persamaan Einstein mengatakan juga memiliki energi saat diam. Mari kita lihat beberapa nilai aktual. Misalkan baseball (massa 0,149 kilogram) bergerak dengan kecepatan 40 meter per detik (kecepatan pitcher profesional). Bola akan memiliki energi kinetik 119 joule, tetapi energi massa sisanya akan 1,33 x 1018 Joules. Anda bisa mengatakan itu besar, bukan? Tapi Anda tidak tahu.
Pada tahun 2022 AS menggunakan 4,07 triliun kilowatt-jam energi. Jika Anda mengonversi nilai itu, Anda mendapatkan 1,46 x 1019 Joules. Jadi, jika Anda dapat mengambil 11 bola baseball dan mengubah semua massa mereka menjadi energi listrik, itu akan cukup untuk menjalankan AS selama setahun.
Inilah yang terjadi di pembangkit listrik tenaga nuklir. Elemen massa besar (seperti uranium) dipukul dengan neutron sehingga mereka pecah berkeping-keping. Namun, massa total semua bagian yang dipecahkan lebih sedikit dari massa uranium asli. Massa yang hilang dikonversi menjadi energi. Sejak C Istilah dalam persamaan adalah kuadrat, sedikit massa memberikan banyak energi.
Oh, mungkin Anda tidak suka pembangkit listrik tenaga nuklir. Bagus. Apakah Anda menyukai jenis energi lainnya? Apakah Anda suka makan? Apakah Anda suka cuaca? Semua hal ini bergantung pada objek besar ini di langit yang disebut matahari. Ya, matahari menghasilkan cahaya dari reaksi nuklir di intinya. Cahaya ini sumbernya dari sebagian besar bentuk produksi energi lainnya. Ini membantu tanaman tumbuh (Anda bisa memakannya), dan hewan memakan tanaman itu (Anda juga bisa memakan hewan). Energi matahari ini memanaskan permukaan bumi untuk menghasilkan perubahan suhu dan cuaca. Matahari adalah masalah besar.
Jadi, mungkin E = MC2 Mungkin persamaan fisika paling terkenal, tetapi juga yang paling penting. Saya suka makan barang.
