ELEKTROTEHNIKI FAKULTET SARAJEVOINENJERSKA FIZIKA I -predavanja
za 1.sedmicu nastave-
1. FIZIKE OSNOVE MEHANIKE1.1 Uvod Fizika je fundamentalna
prirodna znanost ( nauka ) ; ona prouava opa svojstva i zakone
kretanja materije, poevi od kretanja ( gibanja ) tijela pa sve do
strukture i svojstva fizikalnog polja i prostora. Fiziari nastoje
otkriti zakone o ponaanju materije u raznim uvjetima i dobivena
saznanja primijeniti u tehnologiji i tehnici. Rije fizika dolazi od
grke rijei (fisis), to znai priroda i zato se, dugo vremena, fizika
zvala filozofija prirode. Tvar (supstanca) je jedan od osnovnih
oblika materije; sva tijela u prirodi izraena su od tvari.
Fizikalno polje (npr. gravitacijsko, elektrino itd.) takoer je
jedan oblik materije. Materija se nalazi u neprestanom kretanju;
ona prelazi iz jednog oblika u drugi, i pri tome ostaje neunitiva i
sauvana. Prostor i vrijeme takoer su oblici materije i vezani su uz
njeno kretanje jer se sve promjene materije odvijaju u prostoru i
vremenu. Veza fizike i ostalih prirodnih znanosti vrlo je velika i,
ponekad, je teko nai granicu izmeu fizike, kemije i biologije.
Moderna fizika i kemija toliko se isprepliu da se danas kemija moe
gotovo smatrati posebnom granom fizike. Moderna biologija, posebno
njena grana biofizika, takoer je tijesno povezana s fizikom i
kemijom. U fizici postoje dvije metode: eksperimentalna i
teorijska. Eksperimentalna metoda bazira se na eksperimentu i
mjerenju. Nekad je lake doi do odreenog fizikalnog zakona
teoretski, pomou matematike, a zatim ga, eventualno, provjeriti
eksperimentom. Ako eksperiment potvrdi neku teoretsku pretpostavku,
tada se on prihvaa kao prirodni zakon; ako je obori, tada se ta
pretpostavka mora promijeniti tako da bi bila u skladu sa
mjerenjem. S obzirom na ove metode fizika se moe podijeliti na
eksperimentalnu i teoretsku fiziku. Teoretska fizika matematiki
razvija i povezuje fizikalne zakone, dok eksperimentalna fizika
izvodi rezultate iz iskustva. Matematika je vrlo vano oru fiziara.
Ona nam slui da prikaemo fizikalne zakone u konciznoj i jasnoj
formi, da ih povezujemo jedan iz drugog izvodimo. 1.2 Mjerenje u
fizici Mjerenje je osnova svih prirodnih znanosti, pa i fizike,
koja je tipina eksperimentalna znanost. Engleski fiziar i
matematiar W. Thomson, lord Kelvin (1824-1907), istakao je vanost
mjerenja ovim rijeima: "Kad ono o emu govorite moete izmjeriti i
izraziti brojevima, tada znate neto o tome; kada to ne moete
izmjeriti, tada je vae znanje oskudno i nedovoljno..." Pri
istraivanju u fizici prvo moramo uoiti nerijeeni problem koji je od
znanstvenog interesa. Zatim precizno mjerimo. Mjerenja ponavljamo
nekoliko puta da bi smo to vie smanjili pogreku mjerenja. Zatim
slijedi analiza eksperimentalnih podataka, fizikalno objanjenje
eksperimenta i pronalaenje fizikalnih zakona.
1
Mjerenje fizikalnih veliina u stvari je usporeivanje fizikalne
veliine koju mjerimo sa odgovarajuom standardnom istovrsnom
veliinom, tzv. jedinicom. Fizikalna veliina opisuje kvalitativno i
kvantitativno neku mjerljivu osobinu fizikalnog stanja ili procesa.
Ona omoguuje definiranje fizikalne pojave i njeno opisivanje u
matematskom obliku pomou odgovarajuih jednadbi. Fizikalne veliine
su npr. put, vrijeme, brzina, rad, energija, itd. Fizikalne veliine
oznaavaju se malim i velikim slovima latinske abecede i grkog
alfabeta. Oznake fizikalnih veliina dogovoreni su na meunarodnom
nivou. To su veinom poetna slova engleskih i latinskih naziva. Tako
npr. simbol za brzinu je v (velocity, velocitas), vrijeme t (time,
tempus), silu F (force) rad W (work) itd. Fizikalni zakoni se mogu
precizno izraziti i pomou fizikalnih jednadbi koje povezuju
fizikalne veliine u tom zakonu. Mjeriti neku veliinu znai odrediti
broj koji pokazuje koliko puta ta veliina sadri u sebi istovrsnu
veliinu dogovorom uzetu za jedinicu. Za neku fizikalnu veliinu nije
dovoljno poznavati samo njenu brojanu vrijednost, ve i njenu
jedinicu. Svaka se fizikalna veliina moe izraziti pomou dva
faktora, tj. brojanom vrijednou i oznakom mjerne jedinice.A = {A
}[A ]
(1.1)
gdje su {A } brojana vrijednost i [A ] mjerna jedinica. 1.3
Meunarodni sistem (sustav) jedinica - SI Fizikalne veliine mogu se
podijeliti na osnovne i izvedene, a ista podjela vai i za mjerne
jedinice. Osnovne fizikalne veliine su one koje ne moemo jednu iz
druge izvesti, ve ih moramo definirati. Sve ostale, izvedene, moemo
izvesti iz osnovnih. Osnovne i izvedene jedinice ine sistem (
sistem ) jedinica. Na XI zasjedanju Generalne konferencije za utege
i mjere (Conference Generale des Poids et Mesures-CGPM) 1960.
prihvaen je Meunarodni sistem mjernih jedinica, tzv. SI (Systeme
International d'Unites) koji je prihvaen u cijelom Svijetu.
Dogovorom je odabrano sedam fizikalnih veliina iz kojih se izvode
sve ostale. Osnovne fizikalne veliine i osnovne jedinice
Meunarodnog sistema date su u tabeli 1.1. Veliina Duljina Masa
Vrijeme Termodinamika temperatura Jakost elektrine struje Jakost
svjetlosti Koliina tvari Oznaka l m t T I I n Mjerna jedinica metar
(m) kilogram (kg) sekunda (s) kelvin (K) amper (A) kandela (cd) mol
(mol) Podruje fizike mehanika toplina elektricitet fotometrija
atomska fizika
2
1. Duljina ( duina ) Jedinica duljine je metar. Metar je duina
koju u vakuumu pree svjetlost za vrijeme od 1/299 792 458 sekunde.
2. Masa Jedinica mase je kilogram. Kilogram je masa meunarodnog
etalona kilograma koji se uva u Meunarodnom uredu za utege i mjere
u Sevresu kraj Pariza. 3. Vrijeme Jedna sekunda je trajanje od 9
192 631 770 perioda zraenja koje nastaje pri prijelazu elektrona
izmeu dvaju hiperfinih nivoa osnovnog stanja atoma Cs133 4. Jakost
elektrine struje Stalna elektrina struja ima jainu jednog ampera
(A) ako, prolazei u svakom od dva paralelna, ravna, beskonano
dugaka vodia, zanemarivo malog presjeka, razmaknuta jedan metar u
vakuumu, uzrokuje izmeu njih silu od 2 10 7
N (Njutna po metru duljine). m
5. Termodinamika temperatura Jedinica termodinamike (apsolutne)
temperature je kelvin (K). Jedan kelvin (K) je termodinamika
temperatura koja je jednaka 1/273,16 dijelu termodinamike
temperature trojne take vode. 6. Jakost ( jaina ) svjetlosti
Jedinica jaine svjetlosti je kandela (cd). Jedna kandela je jakost
svjetlosti koju u okomitom pravcu zrai povrina od 1/600 000 m2
crnog tijela na temperaturi skruivanja platine pod tlakom od 101
325 Pa. 7. Koliina tvari Jedinica za koliinu tvari je mol. Jedan
mol je koliina tvari koja sadri toliko jednakih estica (molekula,
atoma, elektrona, iona i sl.) koliko ima atoma u 0,012 kg izotopa
ugljika 12 . . 6C Da bi SI sistem bio pogodan za upotrebu usvojena
je i tabela decimalnih dijelova i dekadskih viekratnika osnovnih
jedinica:
Prefiksifaktor 1024 1021 1018 1015 1012 109 106 prefiks jota
zeta eksa peta tera giga mega oznaka Y Z E P T G M faktor 10-1 10-2
10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 prefiks deci centi mili mikro nano piko
femto oznaka d c m n p f
3
103 102 101
kilo hekto deka
k h da
10-18 10-21 10-24
ato zepto jokto
a z y
Dopunske jedinicefizika veliina ugao prostorni ugao naziv
radijan steradijan oznaka rad sr definicija m m-1 m2 m-2
1.4 Skalarne i vektorske fizike veliineFizike veliine prema
svojoj prirodi mogu se razvrstati na skalarne, vektorske i
tenzorske. Skalari su one veliine koje su potpuno odreene brojnom
vrijednou i odgovarajuom jedinicom. Takve veliine su: masa,
vrijeme, temperatura, rad itd. Vektori su one fizike veliine koje
su potpuno odreene njihovom veliinom pravcem i smjerom. Takve
veliine su: sila, brzina, ubrzanje itd. Tenzorske veliine su
odreene sa tri vektora. Takve veliine su na primjer: tenzor
inercije, tenzor viskoznosti, tenzor deformacije i dr. Vektor
predstavljamo usmjerenom duinom ( u odgovarajuem mjerilu) koja daje
iznos vektora, dok smjer strelice pokazuje smjer vektora. Vektorsku
fizikalne veliinu oznaavamo malom strelicom iznad simbola: v dok
iznos vektora (brojnu vrijednost) oznaavamo samo slovom bez
strelice: v, a esto i ovako: v . Vektore moemo obiljeavati i
velikim slovima, koja oznauju poetak i kraj vektora (npr. A B na
crteu 1.1)
Crt. 1.1
Vektori su kolinearni ako su im pravci nosioci paralelni. Pri
tom vektori mogu biti jednakog ili suprotnog smjera. Kolinearne
vektore jednakog iznosa i smjera smatramo jednakim. To znai da
vektore smijemo pomicati po pravcu nosiocu i paralelno
translatirati jer im se pri tome ne mijenja ni iznos ni smjer.
4
Crt. 1.2 Zbrajanje ( sabiranje ) vektora Zbroj dvaju vektora a +
b opet je vektor (c) : (1.1) Grafiki, vektore sabiramo tako da
poetak drugog vektora paralelnom transformacijom dovedemo na kraj
prvog: rezultanta je vektor koji ide od poetka prvog do kraja
drugog vektora, crt. 1.3. c = a+ b
Crt. 1.3
Uoite da vektorski zbroj nije isto to i algebarski, jer iznos
vektora c nije openito jednak zbroju iznosa a i b ,c=a+b samo kada
su smjerovi vektora a i b isti, inae c
