Fizik alanındaki bilimsel araştırmalar, modern teknolojilerin vazgeçilmez temelleri olan kilit buluşlara ulaşılmasını sağlamıştır. Klasik araştırma alanlarıyla birlikte yeni araştırma alanları fiziksel kimya ve biyofizik gibi bilim dalları arası yaklaşımlar sayesinde bütünlemiştir. Ne var ki, bilinen bütün fizik teorilerini birleştirerek her şeyi kapsayacak bir teori oryaya koyma çabası fizikçilerin şimdiye kadar gerçekleştiremediği görkemli bir düştür.
Fiziğin temel ilkeleri: Mekanik
Birçok mekanik fenomen, bilimsel açıdan incelenmeden önce uygulama alanı bulmuştur. Günümüzde, yoğunlaşmış madde fiziği gibi birçok yeni alanda yoğun araştırmalar yürütülüyor. Mekanik, nesnelerin hareketini ve onlara etkide bulunan kuvvetleri inceler. Hesaba katılan faktörlerden bazıları şunlardır: Hız ve ivme, ağırlık ve kuvvet, momentum ve enerji. Mekanik aynı zamanda gezegenlerin yörüngede dolanışı, bir sarkacın sallanışı ve maddedeki dalgaların davranışı gibi periyodik devinimleri de inceler. Mekaniğin temel kavramlarının kullanıldığı düzenekler arasında kaldıraçlar, yaylar, jiroskoplar, dişliler, makaralar ve sarkaçlar sayılabilir.
Newton mekaniği
Mekaniğin temelini atan kişi Sir Isaac Newton‘dır (1643-1727). Newton kuvvet, ivme ve kütle arasındaki temel ilişkiyi buldu. Hızı (v) belli bir zamanda (t) alınan mesafe (x) olarak tanımladı. İvme (a) hızın ne kadar çabuk değiştiğini gösterir. Duran bir nesneyi belli bir sürede belli bir hıza ulaştırmak için, nesneye bir kuvvet (F) uygulamak gerekir. Bu ivmenin miktarı nesnenin kütlesine bağlıdır. Nesne ne kadar ağırsa, ona belli bir ivme kazandırmak için gerekli kuvvet o ölçüde artar. Bir nesnenin ivmeye karşı koymasını sağlayan dirence ”eylemsizlik” denir.
Karmaşık sistemler
Dairesel devinim ve diğer periyodik devinim türleri nesnelerin doğrusal devinimine oranla daha karmaşıktır. İdeal koşulların varsayılmadığı ve sürtünmenin (örneğin, aerodinamik direnç) göz önünde tutulmadığı durumlarda hesaplamalar daha da karmaşık hale gelir. Jiroskop gibi üç boyutlu nesnelerin döngüsel devinimi de karmaşıktır.
Mekanik enerji
Enerji bilim ve teknolojinin birçok alanında kilit bir önem taşır. Mekanikte enerji, belli bir miktarda iş (W) yapma kapasitesidir. Enerjiye sahip bir cisim, enerjisini başka bir cisme aktararak bir iş yerine getirebilir.
Kütlesi 1 kg olan bir litre su bir saniyede 1 m yukarıya kaldırıldığında, suya bir jul enerji aktarılır ve bir watt elektrik üretilir. Bir jul enerji potansiyel enerji biçiminde ortaya çıkar. Potansiyel enerji, örneğin suyu bir su çarkına dökme yoluyla kinetik enerjiye ve daha sonra bir jeneratörle elektrik enerjisine dönüştürülebilir.
Çizgisel momentumun korunumu
Yan yana konan bir dizi sarkaçla momentum konumunu görülebilir. Momentum kütle ve hızın çarpımı olarak tanımlanır. Tek bir top yukarıya çekildiğinde aşağıya doğru sallanır ve momentumunu bitişikteki topa aktarır; harekete geçen bu topla, momentum bir sonraki topa geçer. En sonra top ilk topla aynı yönde ve aynı hızla sallanır. Eş zamanlı olarak yukarıya çekilen iki topun diğer yana doğru sallanması topların aynı kütleye sahip olduğunu gösterir. Hava direncinin ya da sürtünmenin bulunmadığı ideal bir sistem sonsuza kadar sallanır.
Ek bilgiler
- Antik çağ filozofları maddelerin dünyasına ilişkin teoriler geliştirmişlerdi.
- Fiziksel süreçlerin düzenliliği ön görülmelerine olanak verir.
- Makaralardan nükleer fizyona kadar bütün teknik uygulamalarda fizik yasalarından yararlanılır.
- Her şeyi kapsayan bir teori ortaya koymak fizikçilerin ulaşamadığı bir hedeftir.
Fiziğin temel ilkeleri: Optik
Optik daha iyi mercekler yapmanın ötesinde bir anlam taşır ve fotonlar, lazer ışın demetleri, holografi gibi birçok alandaki araştırmaları kapsar. Işığın özellikleri günlük yaşamımıza olağanüstü etkide bulunur. Örneğin, bir cam tabakası dışarıdan gelen ışığın bir bölümünü geçirirken, bir bölümünü yansıtır. Işığın bir mecradan başka bir mecraya geçişine kırınım denir. Bir ışık demeti mecralar arasındaki arayüze bir açıyla vurduğunda yön değiştirir. Bir prizma kırınımdan dolayı beyaz ışığı bileşimindeki farklı renklere ayırır. Bu durum atmosferdeki su damlacıklarının güneş ışığıyla birlikte gökkuşağı oluşumuna nasıl yol açtığını açıklar.
Büyütme ve evirme
Bir dışbükey mercek (”büyüteç”), paralel ışık demetlerinin odak noktasında bir araya gelmesini sağlar. Odak noktasında merceğe olan uzaklığa odak mesafesi denir. Küçük bir nesnenin büyütülmüş bir görüntüsünü ya da büyük bir nesnenin evrilmiş küçük bir görüntüsünü yaratmada bu etkiden yararlanabilir. Dışbükey merceklerin iki dışbükey yüzeyi vardır. İçbükey yüzeyleri olan mercekler ışık demetlerinin ayrılmasına yol açar ve nesneden daha küçük görüntüler yaratır. Kameralar, teleskoplar ve mikroskoplarda istenen görüntüleri elde etmek için çok sayıda mercek kullanılır. Kameralar nesnelerin daha küçük, mikroskoplar ve teleskoplar ise daha büyük görünmesini sağlar.
Işığın dalga-parçacık ikiliği
Geometrik optik, ışığın yeni bir mecraya girip kırınıma uğrayana kadar tekil ışınlardan oluştuğunu öngörür. Dalga optiğinde ise ışık renklerinin dalga boyları ve ışığın dalga özellikleri göz önünde tutulur. Işık uzamda titreşen elektrik alanları ve manyetik alanlardan oluşmuş bir elektromanyetik dalga sayılır. Işık, mikrodalga ve radyo dalgası arasındaki farklılık dalga boyu uzunluğuna dayanır.
Kutuplanmış ışık, lazerler ve hologramlar
Işığın dalga boyu dışında da özellikleri vardır. Yayılmanın yönüne dikey bir düzlemde, elektrik alanları ve manyetik alanlar titreşir. Kutuplanmış ışıkta manyetik alanların ve elektrik alanlarının titreşimi tek yönde olur. Kutuplayıcı bir ekran sadece belli bir kutupluluktaki ışığın geçmesini sağlamaya yönelik uzun moleküllerden oluşur. LCD ekranlarında kutuplayıcılar kullanılır. Lazer ışınları çoğunlukla çok yüksek yoğunlukta kutuplanmış ışıktır. Optik araştırmaların diğer bir ileri teknoloji uygulaması hologramlardır. Hologramlarda üç boyutlu görüntüler elde etmek üzere içindeki ışık dalgalarının arasındaki girişim kullanılır.
Gökyüzü niçin mavidir?
Yeryüzüne ulaşan güneş ışığının atmosferdeki hava moleküllerinin ve su damlacıklarının içinden geçmesi bütün yönlere doğru saçılmasına yol açar. Bu saçılmanın miktarı, tıpkı ışık yansımasında olduğu gibi, ışığın dalga boyuna bağlıdır. Örneğin, mor ışık kırmızı ışıktan 16 kat daha fazla saçılır. Daha kısa dalga boyları bütün yönlere doğru daha güçlü saçılır; böylece göz, tayfın bu kısmındaki ışığı daha çok görür. Gökyüzünün mor yerine mavi görünmesinin sebebi, gözün maviye daha duyarlı olmasıdır.
Ek bilgiler
- Işık tayfı insanların algılayabileceğinden daha geniştir.
- Arılar morötesi ışığı görür, ama kırmızı ışığı göremez. Ayrıca ışığın kutuplanma yönünü de belirleyebilir.
- Kurbağa kırmızı ışığı zayıf saçılımından dolayı diğer renklere oranla daha iyi görür.
Fizikte mekanik ve optik hakkında sık sorulanlar
Hız ve sürat arasındaki fark nedir?
Hız, bir nesnenin ne kadar hızlı hareket ettiğini ifade eden skaler bir niceliktir; sürat ise bir nesnenin hem hızını hem de hareket yönünü ifade eden vektörel bir niceliktir.
Newton’un Üçüncü Hareket Yasası nedir?
Newton’un Üçüncü Yasası, her eylem için eşit ve zıt bir tepki olduğunu belirtir. Başka bir deyişle, bir cisim ikinci bir cisme kuvvet uyguladığında, ikinci cisim de birinci cisme eşit ve zıt bir kuvvet uygular.
Enerjinin korunumu nedir?
Enerjinin korunumu, enerjinin yaratılamayacağını veya yok edilemeyeceğini, sadece bir formdan diğerine dönüştürülebileceğini belirten fizikteki temel bir ilkedir. Bu ilke, çarpışmalar ve salınımlar gibi mekanikteki birçok farklı olguyu analiz etmek için kullanılır.
Yansıma ve kırılma arasındaki fark nedir?
Yansıma, ışık bir yüzeyden sektiğinde meydana gelirken, kırılma, ışık bir ortamdan geçtiğinde ve hızındaki bir değişiklik nedeniyle yön değiştirdiğinde meydana gelir.
Kırılma indisi nedir?
Kırılma indisi, bir malzemenin içinden geçerken ışığı ne kadar büktüğünün bir ölçüsüdür. Işığın boşluktaki hızının malzeme içindeki hızına oranı olarak tanımlanır.
Kırınım nedir?
Kırınım, dalgalar (ışık dalgaları dahil) dalga boylarıyla karşılaştırılabilir boyutta bir engel veya açıklıkla karşılaştığında ortaya çıkan bir olgudur. Dalgalar engelin veya açıklığın etrafında bükülür ve aydınlık ve karanlık saçaklardan oluşan bir desen üretir.
Klasik mekanik ile kuantum mekaniği arasındaki fark nedir?
Klasik mekanik makroskopik nesnelerin hareketini tanımlar ve klasik hareket yasalarına dayanırken, kuantum mekaniği atom altı parçacıkların davranışını tanımlar ve olasılık ve dalga fonksiyonlarına dayanır.
Optikteki dalga-parçacık ikiliği nedir?
Optikteki dalga-parçacık ikiliği, ışığın hem dalga benzeri hem de parçacık benzeri davranış sergileyebileceği gerçeğini ifade eder. Işık, kırınım ve girişim gibi olgular göz önünde bulundurulduğunda bir dalga olarak tanımlanabilir, ancak fotoelektrik etki gibi olgular göz önünde bulundurulduğunda bir parçacık (foton) olarak da tanımlanabilir.
Mekanikte en az eylem ilkesi nedir?
En az eylem ilkesi, bir nesnenin uzaydaki iki nokta arasında aldığı yolun en az eylem gerektiren yol olduğunu belirten mekanikte temel bir kavramdır. Eylem, Lagrangian’ın sistemin enerjisini tanımlayan bir fonksiyon olduğu Lagrangian’ın zaman içindeki integrali olarak tanımlanır.
Optikte polarizasyon nedir?
Optikte polarizasyon, ışığın elektrik alan vektörünün yönelimini ifade eder. Polarize ışık dalgaları tek bir düzlemde titreşirken, polarize olmayan ışık dalgaları yayılma yönüne dik tüm olası düzlemlerde titreşir.
Mekanikte iş ve enerji arasındaki ilişki nedir?
İş, enerjinin bir nesneden diğerine aktarılması olarak tanımlanır. Mekanikte iş, bir nesneye uygulanan kuvvet ile kuvvetin uygulandığı mesafenin çarpılmasıyla hesaplanabilir. İş-enerji prensibi, bir nesne üzerinde yapılan işin, nesnenin kinetik enerjisindeki değişime eşit olduğunu belirtir.