Ramos da física
Física é uma disciplina científica que procura construir e testar experimentalmente teorias do universo físico. Estas teorias variam em seu escopo e podem ser organizadas em vários ramos distintos, que são delineados neste artigo.
Mecânica clássica
Mecânica Clássica é um modelo da física das forças que atuam sobre os corpos; inclui subcampos para descrever os comportamentos dos sólidos, gases e fluidos. É frequentemente referido como “mecânica newtoniana” depois de Isaac Newton e suas leis do movimento. Também inclui a abordagem clássica como dada pelos métodos Hamiltoniano e Lagrange. Trata do movimento das partículas e do sistema geral das partículas.
Existem muitos ramos da mecânica clássica, tais como: estática, dinâmica, cinemática, mecânica contínua (que inclui a mecânica dos fluidos), mecânica estatística, etc.
- Mecânica: Um ramo da física no qual estudamos sobre o objeto e as propriedades de um objeto em forma de movimento sob a ação da força.
Termodinâmica e mecânica estatística
O primeiro capítulo de The Feynman Lectures on Physics é sobre a existência de átomos, que Feynman considerou ser a afirmação mais compacta da física, da qual a ciência poderia facilmente resultar mesmo que todos os outros conhecimentos fossem perdidos. Modelando a matéria como colecções de esferas duras, é possível descrever a teoria cinética dos gases, na qual se baseia a clássica termodinâmica.
Termodinâmica estuda os efeitos das alterações de temperatura, pressão e volume nos sistemas físicos à escala macroscópica, e a transferência de energia como calor. Historicamente, a termodinâmica desenvolveu-se a partir do desejo de aumentar a eficiência dos primeiros motores a vapor.
O ponto de partida para a maioria das considerações termodinâmicas são as leis da termodinâmica, que postulam que a energia pode ser trocada entre sistemas físicos como calor ou trabalho. Elas também postulam a existência de uma quantidade chamada entropia, que pode ser definida para qualquer sistema. Na termodinâmica, as interações entre grandes conjuntos de objetos são estudadas e categorizadas. No centro disto estão os conceitos de sistema e ambiente. Um sistema é composto por partículas, cujos movimentos médios definem suas propriedades, que por sua vez estão relacionadas entre si através de equações de estado. As propriedades podem ser combinadas para expressar a energia interna e os potenciais termodinâmicos, que são úteis para determinar condições de equilíbrio e processos espontâneos.
Electromagnetismo e fotónica
∇ ⋅ D = ρ f ∇ ⋅ B = 0 ∇ × E = – ∂ B ∂ t ∇ × H = J f + ∂ D ∂ t {\\\i1}displaystyle {\i}begin{alinhado}&\nabla {D} =8a629334e”>\nabla {B} =0&\nabla {B} =0&\nabla {E} =-Parcialmente parcial… Parcialmente t&nabla times {H}mathbf {H} =mathbf Parcialmente parcial… em parte, até ao fim.
br>>p> equações de electromagnetismo de Maxwellbr>div> artigo principal: Electromagnetismo
O estudo dos comportamentos dos electrões, meios eléctricos, ímanes, campos magnéticos e interacções gerais da luz.
Mecânica relativista
A teoria especial da relatividade goza de uma relação com o eletromagnetismo e a mecânica; ou seja, o princípio da relatividade e o princípio da ação estacionária na mecânica podem ser usados para derivar as equações de Maxwell, e vice-versa.
A teoria da relatividade especial foi proposta em 1905 por Albert Einstein em seu artigo “On the Electrodynamics of Moving Bodies”. O título do artigo refere-se ao fato de que a relatividade especial resolve uma inconsistência entre as equações de Maxwell e a mecânica clássica. A teoria é baseada em dois postulados: (1) que as formas matemáticas das leis da física são invariantes em todos os sistemas inercial; e (2) que a velocidade da luz no vácuo é constante e independente da fonte ou do observador. A reconciliação dos dois postulados requer uma unificação do espaço e do tempo no conceito de tempo-espaço dependente do quadro.
A relatividade geral é a teoria geométrica da gravitação publicada por Albert Einstein em 1915/16. Ela unifica a relatividade especial, a lei da gravitação universal de Newton e a percepção de que a gravitação pode ser descrita pela curvatura do espaço e do tempo. Na relatividade geral, a curvatura do espaço tempo é produzida pela energia da matéria e da radiação.
Mecânica quântica, física atômica e física molecular
A mecânica quântica é o ramo da física que trata os sistemas atómicos e subatómicos e a sua interacção baseada na observação de que todas as formas de energia são libertadas em unidades discretas ou feixes chamados “quanta”. Notavelmente, a teoria quântica normalmente permite apenas o cálculo provável ou estatístico das características observadas das partículas subatômicas, entendidas em termos de funções ondulatórias. A equação de Schrödinger desempenha o papel na mecânica quântica que as leis de Newton e conservação de energia servem na mecânica clássica – ou seja, prevê o comportamento futuro de um sistema dinâmico – e é uma equação de onda que é usada para resolver para funções de onda.
Por exemplo, a luz, ou radiação eletromagnética emitida ou absorvida por um átomo tem apenas certas freqüências (ou comprimentos de onda), como pode ser visto a partir do espectro de linha associado ao elemento químico representado por aquele átomo. A teoria quântica mostra que essas freqüências correspondem a energias definidas do quanta de luz, ou fótons, e resultam do fato de que os elétrons do átomo só podem ter certos valores ou níveis de energia permitidos; quando um elétron muda de um nível permitido para outro, um quantum de energia é emitido ou absorvido cuja freqüência é diretamente proporcional à diferença de energia entre os dois níveis. O efeito fotoelétrico confirmou ainda mais a quantização da luz.
Em 1924, Louis de Broglie propôs que não só as ondas de luz às vezes exibem propriedades semelhantes às partículas, mas as partículas também podem exibir propriedades semelhantes às ondas. Duas formulações diferentes de mecânica quântica foram apresentadas seguindo a sugestão de de Broglie. A mecânica ondulatória de Erwin Schrödinger (1926) envolve o uso de uma entidade matemática, a função da onda, que está relacionada com a probabilidade de encontrar uma partícula em um dado ponto no espaço. A mecânica matricial de Werner Heisenberg (1925) não faz nenhuma menção a funções de onda ou conceitos similares, mas demonstrou ser matematicamente equivalente à teoria de Schrödinger. Uma descoberta particularmente importante da teoria quântica é o princípio da incerteza, enunciado por Heisenberg em 1927, que coloca um limite teórico absoluto na precisão de certas medições; como resultado, a suposição por cientistas anteriores de que o estado físico de um sistema poderia ser medido exatamente e usado para prever estados futuros teve de ser abandonado. A mecânica quântica foi combinada com a teoria da relatividade na formulação de Paul Dirac. Outros desenvolvimentos incluem estatísticas quânticas, eletrodinâmica quântica, preocupada com as interações entre partículas carregadas e campos eletromagnéticos; e sua generalização, teoria do campo quântico.
Teoria das cordas
Uma possível candidata à teoria de tudo, esta teoria combina a teoria da relatividade geral e mecânica quântica para fazer uma única teoria. Esta teoria pode prever propriedades tanto de objetos pequenos quanto de grandes. Esta teoria está actualmente em fase de desenvolvimento.
Óptica e acústica
Optica é o estudo dos movimentos da luz incluindo reflexão, refração, difração, e interferência.
Aústica é o ramo da física envolvendo o estudo de ondas mecânicas em diferentes meios.
Física da matéria condensada
O estudo das propriedades físicas da matéria em fase condensada.
Física das partículas de alta energia e física nuclear
A física de partículas estuda a natureza das partículas, enquanto a física nuclear estuda os núcleos atômicos.
Cosmologia
Cosmologia estuda como o universo veio a ser, e o seu eventual destino. É estudado por físicos e astrofísicos.
Campos interdisciplinares
Aos campos interdisciplinares, que definem parcialmente ciências próprias, pertencem, por exemplo a
- agrofísica é um ramo da ciência que faz fronteira com a agronomia e a física
- astrofísica, a física no universo, incluindo as propriedades e interações dos corpos celestes em astronomia.
- biofísica, estudando as interações físicas dos processos biológicos.
- física química, a ciência das relações físicas em química.
- física computacional, a aplicação de computadores e métodos numéricos aos sistemas físicos.
- economiafísica, lidando com processos físicos e suas relações na ciência da economia.
- física ambiental, o ramo da física preocupado com a medição e análise das interações entre organismos e seu ambiente.
- física de engenharia, a disciplina combinada de física e engenharia.
- geofísica, as ciências das relações físicas no nosso planeta.
- física matemática, a matemática dos problemas físicos.
- física médica, a aplicação da física na medicina para a prevenção, diagnóstico e tratamento.
- físico-química, lidando com os processos físicos e suas relações na ciência da físico-química.
- physical oceanography, is the study of physical conditions and physical processes within the ocean, especially the motions and physical properties of ocean waters
- psychophysics, the science of physical relations in psychology
- quantum computing, the study of quantum-mechanical computation systems.
- sociophysics or social physics, is a field of science which uses mathematical tools inspired by physics to understand the behavior of human crowds
Summary
The table below lists the core theories along with many of the concepts they employ.
| Theory | Major subtopics | Concepts |
|---|---|---|
| Classical mechanics | Newton’s laws of motion, Lagrangian mechanics, Hamiltonian mechanics, kinematics, statics, dynamics, chaos theory, acoustics, fluid dynamics, continuum mechanics | Density, dimension, gravity, space, time, motion, length, position, velocity, aceleração, invariância Galileu, massa, momento, impulso, força, energia, velocidade angular, momento angular, momento de inércia, torque, lei de conservação, oscilador harmónico, onda, trabalho, potência, Lagrangiano, Hamiltoniano, ângulos Tait-Bryan, ângulos Euler, pneumático, hidráulico |
| Electromagnetismo | Electrostática, electrodinâmica, electricidade, magnetismo, magnetostática, equações de Maxwell, óptica | Capacitância, carga eléctrica, corrente, condutividade eléctrica, campo eléctrico, permissividade eléctrica, potencial eléctrico, resistência eléctrica, campo electromagnético, indução electromagnética, radiação electromagnética, superfície gaussiana, campo magnético, fluxo magnético, monopolo magnético, permeabilidade magnética |
| Termodinâmica e mecânica estatística | Motor térmico, teoria cinética | constante de Boltzmann, variáveis conjugadas, entalpia, entropia, equação de estado, teorema da equiparação, energia livre de termodinâmica, calor, lei do gás ideal, energia interna, leis da termodinâmica, relações de Maxwell, processo irreversível, modelo Ising, ação mecânica, função de partição, pressão, processo reversível, processo espontâneo, função de estado, conjunto estatístico, temperatura, equilíbrio termodinâmico, potencial termodinâmico, processos termodinâmicos, estado termodinâmico, sistema termodinâmico, viscosidade, volume, trabalho, material granular |
| Mecânica quântica | Formulação integral do caminho, teoria da dispersão, equação de Schrödinger, teoria do campo quântico, mecânica estatística quântica | Aproximação adiabática, radiação negro-corpo, princípio de correspondência, partícula livre, Hamiltoniano, espaço Hilbert, partículas idênticas, mecânica matricial, constante de Planck, efeito observador, operadores, quanta, quantização, enredamento quântico, oscilador harmônico quântico, número quântico, túnel quântico, gato de Schrödinger, equação de Dirac, spin, função da onda, mecânica da onda, dualidade onda-partícula, energia ponto zero, princípio de exclusão Pauli, Princípio da incerteza de Heisenberg |
| Relatividade | Relatividade especial, relatividade geral, equações de campo de Einstein | Covariância, colector de Einstein, princípio da equivalência, quatro-momento, quatro-vector, princípio geral da relatividade, movimento geodésico, gravidade, gravitoelectromagnetismo, quadro inercial de referência, invariância, contracção do comprimento, colector Lorentziano, transformação Lorentz, equivalência massa-energia, métrica, diagrama Minkowski, espaço Minkowski, princípio da relatividade, comprimento adequado, tempo adequado, quadro de referência, energia de repouso, massa de repouso, relatividade da simultaneidade, espaço-tempo, princípio especial da relatividade, velocidade da luz, tensor de tensão-energia, dilatação do tempo, paradoxo duplo, linha do mundo |
- ^ Feynman, Richard Phillips; Leighton, Robert Benjamin; Sands, Matthew Linzee (1963). As Palestras de Feynman sobre Física. p. 1. ISBN 978-0-201-02116-5… Feynman começa com a hipótese atômica, como sua afirmação mais compacta de todo o conhecimento científico: “Se, em algum cataclismo, todo o conhecimento científico fosse destruído, e apenas uma frase passada para as próximas gerações…, que afirmação conteria mais informação em poucas palavras? Eu acredito que é … que todas as coisas são feitas de átomos – pequenas partículas que se movem em movimento perpétuo, atraindo umas às outras quando estão um pouco afastadas, mas repelindo ao serem espremidas umas nas outras. …” vol. I p. I-2
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