Fysiikan perusasioita 1 ov

Fysiikka on tiede, joka tutkii elottomassa luonnossa tapahtuvia ilmiöitä pienimmästä tasosta-alkeishiukkasista - suurimpaan, koko universumiin. Fysiikka jakautuu tutkimuskohteittensa mukaanalueisiin, joiden tutkimusmenetelmät ovat keskenään hyvinkin erilaiset ja vaativat eri tasoistateknologiaa. Fysiikan keskeisiä, perinteisiä tutkimusalueita ovat mekaniikka, lämpöoppi,sähköoppi, valo-oppi ja äänioppi.

Fysiikka käsittelee mm.

- aineiden atomi- ja molekyylirakenteita - aineiden ja kappaleiden olomuotoa ja liikettä - aineiden ja kappaleiden sisältämää ja luovuttavaa energiaa

Fysiikan tutkimusmenelmä on monenlaista mittaamista erilaisilla mittausvälineillä.

AineAlkuaineet

Alkuaineella tarkoitetaan ainetta, jota ei voida hajottaa yksinkertaisemmiksi aineiksi yhdisteidentapaan. Eikä niitä voi kemiallisin menetelmin muuttaa toisiksi aineiksi.

Alkuaineen keskellä on ydin, joka koostuun protoneista (+ sähköinen) ja neutroneista (eisähkövarausta). Ytimen ympärillä on elektroneja (- sähköinen).

Helium-atomi. Ytimessä 2 protonia ja 2 neutronia.Ydintä kiertää 2 elekronia.

He (heliumin kemiallinen merkki)

Alkuräjähdyksen jäkeen syntyi ensin yleisin alkuaine, vety H, kaikkein kevein, kaasumainen aine.Sen normaalimuodon ytimessä on yksi protoni mutta ei neutronia. Vedyn kahdessa isotoopissa onjoko yksi tai kaksi neutronia mutta vain yksi protoni. Kaikki kolme ovat vetyä, sillä protonienlukumäärä määrää, mistä alkuaineesta on kysymys.

Li

Li Litiumissa on 3 protonia, 3 neutronia ja 3 elektronia.Litium on hyvin kevyt metalli, kelluu vedessä ja sitä käytetään akuissa.

C Hiilen yksittäiset atomit voivat ryhmittäytyä monella tapaa toisiinsanähden, kuten pehmeäksi grafiitiksi, joka on lyijykynässä taitimantiksi, kaikein kovimmaksi aineeksi tai sitten kaikkeinkestävimmäksi aineeksi, hiilinanoputkeksi..

U

Uraanin ytimessä on 92 protonia. U-238:ssa on 146 neutronia jaU-235:ssä 143 neutronia. Erilaisilla fysiikan ja kemian keinoillasaadaan tavallisesta U-238:sta erotetuksi U-235, josta voi tehdäatomipommin. Kumpikin uraani-isotooppi hajoaa ja muuttuu toisiksialkuaineiksi, muun muassa. radioaktiiviseksi radon-kaasuksi.

Aineen olomuodot eli faasit

Aineilla on neljä olomuotoa: neste, kiinteä aine, kaasu japlasma. (Plasma saadaan aikaiseksi hyvin korkeassalämpötilassa) Aineen olomuodot riippuvat aineen lämpötilasta. Mitälämpimämpää aine on sitä vilkkaammin sen atomit ja molekyylitliikahtelevat, ja mitä kylmempää aine on, sen vähemmän nevärähtelevät. Absoluuttisessa nollapisteessä eli nolla kelviniä eli -273, 15 celsiusasteessa kaikki aineen atomien värähtely pysähtyy.Aineen lämpö ja siitä säteilevä lämpö (infrapunasäteily) ovatjuuri aineen atomien ja molekyylien värinäliikettä.

Nollaa celsiusastetta kylmemmässä vesi on kiinteää ainetta elijäätä. Lämmetessään se sulaa vedeksi ja 100 asteessa sehöyrystyy, toisin sanoen vesimolekyylit lentävät ‘värinän’ takiahajalleen irti toisistaan.

Yhdisteet

Alkuaineitä käytetään sellaisenaankin, mutta yleensä aineet ja kappaleet muodostuvat kahdesta atiuseammasta alkuaineesta. Sellainen yhdiste on esimerkiksi teräs, joka sisältää rautaa ja esim. kromia.

Aineiden tiheyksiä

Oheisessa taulukossa on muutamien alkuaineiden tiheyksiä.Raskainta on osmium. Litran maitopurkin kokoinenosmium.harkko painaisi 22 kg 570g.Litra kultaa painaisi 19,3 kg, rautaa 7,87 kg, alumiinia2,7 kg.Kuutiometri ilmaa (typen, hapen ym kaasuseos) painaa 1,28kg, mutta kuutiometri vetyä painaisi vai 90 grammaa. Aineiden tiheyksestä riippuu kappaleiden massa, ja sevaikuttaa liikkuvan kappaleen liike-energian suuruuteen.Massan perusyksikkö on kilogramma, joka on tuhatgrammaa. Massa -sanan asemesta käytetään usein sanaapaino.

Tiheyden mittaaminen

Punnitaan kappale ilmassa ja painoksi saadaan 35grammaa.Sitten riiputetaan kappaletta jousivaa’alla vedessä janyt sen painoksi saadaan 25g. Veden noste on‘keventänyt’ kappaletta 10 grammaa. Se tarkoittaasitä, että kappaleen koko on sama kuin 10 grammanvesimäärä eli 10 millilitraa = 10 ml = 10 cm� (10 kuutiosenttimetriä). Tiheys saadaan, kun 35g jaetaan 10:llä. Eli yksikuutiosenttimetri kyseistä ainetta painaa 3,5gEli aineen tiheys on 3,5. Taulukosta todetaan, että

kyseinen kappale on timantti.

Epäsäännöllien kappaleen tilavuus.

Epäsäännöllisen kappaleen (esim kivi yms) tilavavuus saadaan upottamalla kappale mittalasiin (vettä kevyempikuten korkki on painettava veteen esim neulalla) . Mittalasin asteikolta nähdään kappaleen syrjäyttämä

vesimäärä millilitroina = kuutiosenttimetreinä.

Mittaaminen

Fysiikassa kaikki tieto perustuu havaintoihin ja mittauksiin.Keskeisiä fysiikan mittauksessa käytettäviä suureita ovat pituus, aika, massa ja lämpötila.

Mittayksiköt

Mittaamisessa käytetään kansainvälistä SI-mittayksikköjärjestelmää. (Joissakin maissa on ‘arkipäiväiväisessäkäytössä’ sellaisia mittoja kuin tuuma, jalka, jaardi, maili, naula lb 453.6 g, unssi, oz 28.35 g.

SI-järjestelmän perussuureet

Mittareita ja mittoja

Työntömitta eli “mauseri”Digitaalinen työntömitta

Mikrometriruuvi eli mikrometritulkki taiyleisesti vain mikrometri

Laser-etäisyysmittari, joka laskee myös pinta-alan Kosteusmittarija tilavuunden

Sähkömittareita

Amperimittari Volttimittari eli jännitemittari

Yleismittari Sähkömittari

Kaksoismetallilämpömittari Tasapainovaaka

Mekaniikka on fysiikan osa, jossa käsitellään kiinteiden kappaleiden, nesteiden ja kaasujentasapainoehtoja ja liikkeiden lakeja.

Mekaniikan I peruslaki

( jatkuvuuden laki eli Newtonin I laki)

Kappale jatkaa suoraviivaista liikettä tasaisella nopeudella tai pysyy levossa, jos siihen ei vaikuta ulkoisia voimiatai jos ulkoisten voimien summa on nolla.

Kun satamasta lähtenyt laiva on konevoimallaan kiihdytetty matkanopeuteen, on koneitten oltavavedenvastuksen takia oltava käynnissä, että nopeus pysyisi tasaisena.

Sen sijaan avaruusalus pystyy pitämään ilman omaa tai ulkoista voimaa ilmattomassa ja painovoimattomassatilassa tasaisen nopeutensa, eli kiihtyvyys (hidastuvuus) on nolla.

Mekaniikan II peruslaki

(dynamiikan peruslaki eli Newtonin II laki)

Kun voima vaikuttaa kappaleeseen, kappaleen kiihtyvyys on voiman suuntainen. Mitä suurempi onkappaleeseen kohdistuva voima ja mitä kevyempi kappale on, sitä suurempi on kappaleen kiihtyvyys.

Esimerkkejä: kun kahteen erimassaiseen kappaleeseen vaikutetaan samalla voimalla, saa pienempimassainenkappale suuremman kiihtyvyyden (sen nopeus muuttuu enemmän). Kun kaksi erimassaista kappaletta törmäätoisiinsa kohtisuoraan ja täysin kimmoisasti, on pienempimassainen kappale se, jonka liiketila muuttuuenemmän.

Kokeilua Newtonin II laista

Pienempi- ja isompimassainen pallo ovat päällekäintoisissaan kiinni ja pudotetaan vajaan metrin korkeudeltalattialle. Todetaan erityisesti pienemmän pallon liiketilanmuutos.

Mekaniikan III peruslaki

(voiman ja vastavoiman laki eli Newtonin III laki)Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen B voimalla F, vaikuttaa kappale B kappaleeseen A yhtä suurella, muttasuunnaltaan vastakkaisella voimalla.

Esimerkiksi lautanen aiheuttaa pöytään voiman johtuen Maan vetovoimasta, mutta myös pöytä aiheuttaalautaseen yhtä suuren mutta vastakkaissuuntaisen voiman, tukivoiman. Lautanen siis pysyy paikallaan. Ontärkeä huomata, että voima ja vastavoima vaikuttavat aina eri kappaleisiin. Kaikilla voimilla on vastavoimat. Maavetää lautasta puoleensa ja lautanen vetää maata puoleensa.

Voiman yksikkö on newton N

Voima ja kiihtyvyys ovat vektorisuureita. Niillä on siis sekä suuruus että suunta.

KeskihakuisvoimaKeskihakuisvoimasta käytetään myös nimitys keskipakoisvoima, koska esim. nopeasti pyörivässä karusellissaistuvat ihmiset kokevat painuvansa karusellin ulkokehää kohti. Tällöin harhaanjohtavasti ajatellaan voimankohdistuvan ympyräliikkeen keskipisteestä poispäin. Mutta itse asiassa karusellissa istuva ihminen kokeevoiman vaikutuksen siksi, koska karuselli kääntää henkilöä jatkuvasti tiettyyn suuntaan, ympyräradalle, etteilentäisi suoraviivaisesti pois karusellista, kuten moukari moukarinheittäjän käsistä.

Esimerkki pesukoneen linkoamisvoimasta (keskipakoisvoimasta):Pesurummussa olevan vaatteen massa = 300g = 0,3 kgPesuruummun kehänopeus = 15 m/sPesurummun säde = 20cm = 0,2 m Sijoittamalla arvot kuvassa olevaan kaavaan saadaan keskipakoisvoimaksi 337,5 N, mikä vastaa n. 33kilogramman massaa.

���

Kitka

Kitka eli liikevastus on kahden kiinteän kappaleen niiden toisiaan koskettavan pinnan välissäilmenevä liikettä tai liikkeen alkamista vastustava voima. Kitka on ilmiö, jonka voittamiseksikappaleen on tehtävä työtä. Tällöin kappaleeseen varastoitunutta energiaa muuttuu muiksienergian muodoiksi, kuten lämmöksi.

Lepokitka on voima, joka vastustaa kappaleen liikkeelle lähtemistä.Liikekitka on voima, joka vastustaa kappaleen liikettä.

Kitkan muodot ovat liukumiskitka ja vierimiskitka. Vierimiskitka on pienempi kuinliukumiskitka.Kitkakerroin on suhdeluku eri materiaalien keskinäisen kitkan vertailemiseksi.

Kitkakokeita varten tarvittavat välineet; jousivaaka, vedettävät erimateriaalista tehdytkappaleet, erilaisia pintoja, joita pitkin kappleita vedetään.Todetaan lepokitka ja liikekitka.Kitkarerroin saadaan jakamalla jousivaa’an näyttämä kappaleen painolla. Tutkitaan, mitenkappaleen painon ja hinausnopeuden lisääminen vaikuttaa kitkakertoimeen (pitäisi pysyäsamana).

Jarrutus ja kitka

Kitkaaitkaa koneessa. Voitelu vähentää kitkaa ja pienentää polttoaineen kulutusta.

Kitkaa kengässä

Liukkaalla tiellä voi kaatua selälleen,jos kengäkannassa ei ole tarpeeksikitkaa.

Väliaineen vastus

Väliaineen kappaleen liikettä vastustava voima kaasussa tai nesteessä (esim. ilmassa ja vedessä).Liikkuvan kappaleen (esim. auto, lentokone, laiva) täytyy työntää väliainetta pois tieltään. Väliaineenvastuksen suuruus riippuu kappaleen nopeudesta, koosta ja muodosta, sekä väliaineen tiheydestä jasitkoisuudesta. Kappaleen muodon takia kappaleen taakse voi syntyä kappaleen liikettä vastustaviapyörteitä.

Viskositeetti

Viskositeetti (“nesteen paksuus, jäykkyys”)Jos neste vastustaa voimakkaasti kappaleen liikettä, sanotaannesteen viskositeetin olevan suuri.Veden viskositeetti on 1. Kuvassa olevan aineen viskositeetti paljonsuurempi kuin 1

PaineIlmakehän paksuus on kymmeniä kilometrejä. Vaikka ilma on kevyttä, on ilmanpaine maanpinnallayksi kilogramma neliösenttimetrillä 1 kg/cm��� Se merkintä on bar (baari) tai atm (atmosfääri).Normaali ilmanpaine on merenpinnalla 10 N/cm��(= 1kg�cm�), korkealla se on vähemmän,

Kuvassa huoltoaseman ilmanpainemittari. Autonrenkaittenpaine on noin 2 - 4 ilmakehää eli 2 - 4 kg/cm�.

Paine nesteessä

Paineen leviäminen nesteessä

Hydraulisessa puristimessa painetaan mäntää Palas, jolloin nesteeseen muodostunut paine työntäävuorostaan mäntää M ylös. Jos mäntä M onpoikkipinta-alaltaan 100 kertaa suurempi kuinmäntä P, ja mäntää P painetaan 1 kg:n voimalla,nousee mäntä 100 kg:n voimalla. Sen sijaan, jos Pliikkuu 10 cm alas, nousee M vain 1 mm:n ylös.

Arkhimedeen laki

Jos kappale upotettu nesteeseen tai kaasuun, kappaleeseen kohdistuu ylöspäin vaikuttava voima elinoste. Tämä voima (noste) on yhtä suur kappaleen syrjäyttämän neste- tai kaasumäärän paino.

Areometri eli hydrometri on mittalaite, jota käytetään nesteidenominaispainon määrittämiseen. Se on yleensä valmistettu lasistaja tasapainotettu pienillä hauleilla tai elohopealla. Joihinkinareometreihin kuuluu säiliö, johon nestettä laitetaan, javarsinainen mittapää päästetään kellumaan siinä, jolloin seArkhimedeen lain mukaisesti asettuu kellumaan nesteentiheydestä riippuvalle syvyydelle.

Energia, työ ja tehoEnergia on systeemin kyky tehdä työtä. Työn yksikkö on joule (J)

1 joule = 100 gramman paino nostetaan 1 metrin korkeuteen.

Energiaa voi siirtää ja varastoida, ja sitä on monenlaista:

- liike-energiaa- potentiaalienenergiaa (esim. hyllylle nostettu esine, jolloin nostaminen on ‘varastoitunut kappaleen putoamista varten’. - kemiallista energiaa (esim. ruuti)- lämpöenergiaa- sähköenergiaa- säteilyenergiaa- ydinenergiaa

Teho = tehty työ x siihen käytetty aika. Tehon yksikkö on watti (W)

1 watti = 100 gramman paino nostetaan 1 metrin korkeuteen sekunnissa.W = J/s

Sähköteho mitataan kW:issa (kilowateissa). Se ilmaisee sähköenergiakulutuksen nopeutta. Sähkönkulutusta laskutetaan kilowattitunneista (kWh).

Esim. 10 kpl 60 watin lamppua kuluttaa sähköä tunnin aikan 0,6 kWh:a. Yksi kWh maksaa n. 40senttiä, joten kymmenen lampun sähkönkulutus tunnin ajalta maksaa 0,6 x 0,40 euroa = 2,40 euroa.

Hevosvoima

Hevosvoiman teholla pystyy nostamaan 75 kilogramman massan nopeudella 1 metri sekunnissa. Sähkötehonase on 736 W. Taulukon mopon moottori on teholtaan noin yksi hevosvoima ja auton 30 kW on 40 hv.

Hyötysuhde

Energian täydellinen muuttaminen muodosta toiseen ei olemahdollista: aina syntyy häviöitä.Esimerkiksi sähkömoottorissa syntyy lämpöä 30% jatarvittavaksi liike-energiaksi muuttuu 70%, eli kuvansähkömoottorin hyötysuhde on 70%. Uusimpiensähkömoottoreiden hyötysuhde on peräti 95%.

Hyötysuhteita

Polttomoottori 35%Lihas 25%Henkilöauto 17%Hehkulamppu 7%

Lihasten kemiallisesta energiasta 25% muuttuu juostessa liike-energiaksi.Auton polttoaineen kemiallisesta energiasta muuttuu 17% liike-energiaksi. (Moottorin hyötysuhde on35%, mutta vaihteiston, laakereiden, renkaiden, ilmanvastuksen, läämön, jopa äänen muodostumisentakia takia jää polttoaineen energiasta liike-energiaksi vain 17%).

Yksinkertaisia koneita

Vipu

a = kuormanvarsi b = voimanvarsi F = voima G = kuorma

Yksivartisen vivun a = 1 m, b = 3 m, G = 1000 N (100 kg). Tarvittava voima saadaan a / 3 x 1000 N = 333 N (33,3kg)

Kaksivartisen vivun a = 1 m, b = 2 m, G = 1000 N (100 kg). Tarvittava voima saadaan a / 2 x 1000 N = 500 N (50 kg).laskemalla saatu voima riittää tasapainotilaan. Tarvitaan vähän lisää voimaa, että kuorma alkaa nousta.