Die Physik ist die Wissenschaft, die die Realität quantifiziert. Ihr Einfluss erstreckt sich auf alle Naturwissenschaften, einschließlich Biophysik, Astronomie und Chemie. Die Physik klassifiziert alle Wechselwirkungen zwischen Materie und Energie und versucht, die zentralsten Fragen des Universums zu beantworten. Von Aristoteles und Isaac Newton bis hin zu Marie Curie nutzen Philosophen und Wissenschaftler die Physik seit mindestens 2.500 Jahren, um die Welt zu verstehen.
Auf jedem Gebiet braucht ein Wissenschaftler einen Griff zu den Grundlagen, bevor er Antworten auf fundamentale Fragen findet. In der Physik definieren verschiedene Arten von Materie-Energie-Wechselwirkungen die grundlegenden Zweige der Wissenschaft. Energie nimmt die Form von Wärme, Licht, Strahlung, Schall, Bewegung und Elektrizität an. Sie kann in der Position eines Objekts, in chemischen Bindungen, physikalischen Spannungen und Atomkernen gespeichert werden. Als Materie wird alles bezeichnet, was Masse hat oder aus Atomen besteht und Raum einnimmt. Von der Bindung von Atomen bis zur Verbrennung eines Motors wirken Materie und Energie in allen Facetten des Lebens zusammen und definieren die physikalische Welt.
Wie derzeitige und ehemalige Schülerinnen und Schüler wissen, ergibt die Physik durch die Mathematik einen Sinn für die Beziehungen zwischen Materie und Energie; obwohl ein Verständnis dafür, wie die Physik die Welt formt, keine fortgeschrittenen rechnerischen Fähigkeiten erfordert. Stacker nutzte eine Vielzahl von wissenschaftlichen und pädagogischen Ressourcen, um eine Liste von grundlegenden physikalischen Konzepten zusammenzustellen, die helfen, die Funktionsweise der Welt zu erklären. Von den Newtonschen Bewegungsgesetzen bis hin zu elektrischen Kräften erklären diese Konzepte, warum sich Materie so verhält, wie sie sich verhält.
Lesen Sie weiter, um zu sehen, wie die Physik es Ingenieuren ermöglicht, lebensrettende Technologien wie Airbags zu entwickeln, wie sie die Platzierung von Türknöpfen erklärt und warum die Beine einer Person so kurz aussehen, wenn sie im Wasser steht.
Bewegung
Eine der ersten Lektionen im Physikunterricht ist Bewegung: wie sich ein Objekt bewegt, wie schnell es sich bewegt, wo es sich bewegt und mit welcher Geschwindigkeit es sich beschleunigt und verlangsamt.
Physiker verwenden üblicherweise Geschwindigkeit und Beschleunigung, um Bewegung zu charakterisieren. Die Geschwindigkeit bezieht sich auf die Bewegung in eine bestimmte Richtung, während die Beschleunigung misst, wie schnell oder langsam sich die Geschwindigkeit ändert. Wenn man z.B. irgendwo hinfährt, haben sowohl ein Fahrer als auch ein Auto Geschwindigkeit, d.h. sie bewegen sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in eine bestimmte Richtung. Dieser Fahrer ändert wahrscheinlich von Zeit zu Zeit, wie schnell er fährt, indem er abwechselnd beschleunigt und abgebremst wird.
Schwerkraft
Am bekanntesten als die Kraft, die Dinge zum Fallen bringt, ist die Schwerkraft eine Anziehungskraft. Sie zieht nicht nur Dinge auf die Erdoberfläche an, sondern hält auch Planeten in der Umlaufbahn von Sternen.
Die Schwerkraft ist auch der Grund dafür, dass Dinge Gewicht haben. Alles hat Masse, ein Maß für die Menge an Materie in einem Objekt, aber die Kraft der Erdanziehungskraft ist es, die Gewicht erzeugt.
Erstes Newtonsches Gesetz
Nichts bewegt sich ohne einen kleinen Anstoß. Das ist im Wesentlichen das erste Bewegungsgesetz von Isaac Newton. Wenn sich ein Objekt mit konstanter Geschwindigkeit bewegt (auch wenn die Geschwindigkeit gleich Null ist und das Objekt stillsteht), bleibt es so, es sei denn, eine Kraft, wie die Reibung zwischen einem Rad und dem Boden, wirkt auf es ein. Dieses Konzept wird auch Trägheit genannt. Das erste Newtonsche Gesetz erklärt, warum sich eine Rakete, sobald sie einmal in das Vakuum des Weltraums ohne den Widerstand von Luft oder anderen Kräften gestartet ist, auf unbestimmte Zeit mit einer konstanten Geschwindigkeit geradlinig fortbewegt.
Zweites Newtonsche Gesetz
Wie im ersten Newtonschen Gesetz angedeutet, braucht ein Objekt eine Kraft, um sich zu bewegen. Im Allgemeinen ist eine Kraft ein Stoß oder Zug. Zum Beispiel braucht die Vordertür einen Schub, bevor sie sich öffnen kann. Das zweite Newtonsche Gesetz besagt, dass eine Kraft von der Masse eines Objekts, das diese Kraft ausübt, und seiner Beschleunigung abhängt. Wenn man eine Hand schnell nach vorne drückt, um die Tür zu öffnen, wird ein viel kraftvolleres Eintreten erzeugt, als wenn dieselbe Person ihre Annäherung verlangsamt.
Das dritte Newtonsche Gesetz
Kräfte wirken nicht isoliert; jede Kraft wird immer von einer anderen Kraft begleitet, die in die entgegengesetzte Richtung drängt oder zieht. Wenn man zum Beispiel einen Stuhl über den Boden schiebt, übt man nicht nur eine Kraft aus, die den Stuhl bewegt, sondern der Boden übt eine weitere Kraft aus – Reibung, die dem Schub entgegenwirkt. Einige Beispiele für das dritte Newtonsche Gesetz in Aktion sind die Räder eines Autos, die auf dem Boden rückwärts schieben und dabei die Reibungskraft der Straße ausnutzen und sich vorwärts bewegen; oder die Flügel eines Vogels drücken Luft nach unten und zurück, um Auftrieb zu erzeugen und vorwärts zu fliegen.
Zentripetale Kraft
Die Langsamfahrstellen für Auf- und Abfahrten haben einen Grund: die Zentripetalkraft. Wenn etwas auf einer Kreisbahn beschleunigt wird, hält die Zentripetalkraft es im Kreis in Bewegung. Für gekrümmte Ausfahrrampen wurden die Geschwindigkeitsbegrenzungen speziell berechnet, um sicherzustellen, dass die Zentripetalkraft das Auto auf seiner Bahn hält.
Arbeit und Energie
Arbeit geschieht immer dann, wenn eine Kraft etwas bewegt. Wenn jemand an einem anderen Objekt arbeitet, z.B. ein Tisch über den Boden bewegt, überträgt er ebenfalls Energie auf dieses Objekt. In diesem Fall gibt die Person, die den Tisch bewegt, ihm kinetische Energie: Bewegungsenergie.
Dies ist Teil des Energieerhaltungssatzes: Energie kann nicht erzeugt oder zerstört werden, sondern kann auf verschiedene Objekte übertragen werden und unterschiedliche Formen annehmen. Dieses Konzept hilft zu erklären, wie Kraftstoff und Motoren funktionieren und warum Autobesitzer Benzin kaufen oder ihre Fahrzeuge aufladen müssen. Wenn ein Fahrer sein Auto startet, erzeugt das Auto keine kinetische Energie, um sich zu bewegen; stattdessen verbrennt die chemische oder potenzielle Energie im Kraftstoff des Autos im Motor, um Bewegung zu erzeugen, wobei potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt wird.
Dynamik / Momentum
Manche mögen Dynamik als das „rollende“ Gefühl ansehen, das auf eine Reihe von Erfolgen folgt. In der Physik ist Schwung, wie viel Bewegung etwas hat. Es ist der umgangssprachlichen Bedeutung insofern ähnlich, als der physikalische Impuls eines Objekts bestimmt, wie viel Kraft erforderlich ist, um ein sich bewegendes Objekt, das „auf einer Rolle“ ist, zu stoppen. Impuls misst, wie viel Schwung sich mit der Zeit ändert.
Diese Konzepte helfen Ingenieuren bei der Konstruktion von Airbags, die den Impuls oder die Zeit, die erforderlich ist, um den Impuls eines Fahrers bei einem Aufprall zu stoppen, erhöhen. Das bedeutet, dass der Fahrer durch den Aufprall eine geringere Kraft spürt, da er die Veränderung des Impulses über einen längeren Zeitraum erlebt.
Elektrizität
Elektrizität existiert dank positiver und negativer Ladungen, die größtenteils von zwei subatomaren Teilchen getragen werden: Protonen, die positiv geladen sind, und Elektronen, die negativ geladen sind. Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich gegenseitig an, während gleichartige Ladungen sich abstoßen. Immer wenn sich eines dieser geladenen Teilchen bewegt, erzeugt es einen elektrischen Strom.
Jedes Mal, wenn jemand ein Licht einschaltet, bewegen sich Elektronen von einem Bereich mit negativer Ladung durch einen Draht zu einem Bereich mit positiver Ladung und erzeugen einen Strom, der die Glühbirne antreibt. Elektrizität ist nicht nur für Geräte nützlich, sondern spielt auch eine grundlegende Rolle in der Biologie, da sie das Nervensystem von Tieren antreibt. Neuronen kommunizieren mit Hilfe von elektrisch geladenen Atomen oder Ionen und erzeugen elektrische Impulse, die beispielsweise Muskelbewegungen antreiben.
Optik
Brillen, Kontaktlinsen, Mikroskope, Filmprojektoren, Kameras und mehr existieren alle aufgrund der Physik des Lichts oder der Optik. Diese Innovationen nutzen das Prinzip der Brechung oder den Winkel, unter dem sich das Licht biegt, wenn es in ein anderes Material eintritt. Zum Beispiel verwenden Glaslinsen – ähnlich wie die Linse eines Auges – die Brechung, um Bilder zu fokussieren und zu vergrößern. Die Refraktion erzeugt auch das seltsame Bild einer unverhältnismäßig gedrungenen unteren Hälfte, wenn eine Person hüfttief in einem Becken steht. Licht bewegt sich im Wasser langsamer, so dass das menschliche Auge, das von oben auf den Pool blickt, Objekte im Wasser als näher empfindet, als sie tatsächlich sind.
Magnetismus
Die Bewegung von elektrischen Ladungen erzeugt Strom und erzeugt eine elektromagnetische Kraft, was zu Magnetismus führt. Wie Ladungen bestehen Magnete aus zwei entgegengesetzten Komponenten. Diese Komponenten, die Pole genannt werden, ähneln auch insofern den Ladungen, als sich gleichartige Pole abstoßen, während sich Gegensätze anziehen. Jeder Magnet hat einen Nord- und einen Südpol. Auch die Erde hat magnetische Pole, obwohl ihre Lage nicht ganz die gleiche ist wie die populäreren geografischen Nord- und Südpole. Wissenschaftler glauben, dass der wirbelnde, metallische Kern der Erde das Magnetfeld des Planeten erzeugt und die Erde zu einem Riesenmagneten macht.
Thermodynamik
Die Thermodynamik betrachtet verschiedene Arten der Wärme- und Energieübertragung. Wärme ist eine Form von Energie und kann durch Strahlung, physischen Kontakt oder den Strom erhitzter Teilchen, die als Konvektion bezeichnet werden, von einem heißen Gegenstand oder Bereich auf einen kühleren übertragen werden. Wärme stellt Energie dar, die aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen Systemen übertragen wird, während die Temperatur misst, wie schnell sich Atome bewegen.
Dank der Thermodynamik haben Wissenschaftler und Ingenieure Klimaanlagen, Zentralheizungen und Computer geschaffen, die sich nicht überhitzen. Auch Biologen profitieren von diesem Bereich: Die Thermodynamik bestimmt, wie Organismen Energie aufnehmen, speichern und ausgeben. Beispielsweise nehmen Pflanzen Wärmeenergie in Form von Sonneneinstrahlung auf und Tiere geben beim Energiestoffwechsel Wärme ab.
Strömungsdynamik
Von der Flussströmung bis zu den Windverhältnissen erklärt die Strömungsdynamik einige der häufigsten Naturkräfte. Physiker und Ingenieure untersuchen Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten, die Art der Strömung (wie glatt oder turbulent), Reibung, Druck, Flüssigkeitsdicke und vieles mehr, um Flüssigkeiten und Gase zu verstehen. Jeder, der Erfahrung mit Flugreisen hat, hat vom Studium der Fluiddynamik profitiert. Die Form der Flugzeugflügel macht sich die Luftströmung zunutze, die gewölbte Oberseite und die flache Unterseite manipulieren den Luftdruck, um das Flugzeug anzuheben.
Einfache harmonische Bewegung
Eine einfache harmonische Bewegung beinhaltet Schwingungen, wie ein Block, der auf einer Feder auf und ab hüpft, oder ein Pendel, das nach links, rechts und wieder zurück schwingt. Bei dieser Art von Bewegung durchläuft ein Objekt eine zentrale Position zu einer Seite und bewegt sich dann nach jedem Durchgang durch die Mitte um den gleichen Betrag zur anderen Seite, so dass die maximale Verschiebung an beiden Enden gleich ist.
Im Beispiel des Pendels schwingt das Pendel genauso weit nach links wie nach rechts. Es wird harmonische Bewegung genannt, weil musikalische Klänge Kombinationen von einfachen harmonischen Wellen sind, Schallwellen, die von Musikinstrumenten ausgesendet werden.
Drehmoment
Drehmoment ist der Grund dafür, dass Türen auf gegenüberliegenden Seiten Knöpfe und Scharniere haben, und ist die Kraft, die bewirkt, dass sich ein Gegenstand um eine Achse dreht oder verdreht. Es erfordert mehr Kraft, um einen Gegenstand zu drehen, wenn er am nächsten an die Drehachse geschoben wird, weshalb die Türknöpfe fast so weit wie möglich von den Scharnieren entfernt sind. Wer einmal einen Drehmomentschlüssel vorne anfasst und verwendet weiß was damit gemeint ist.