Prawa zachowania - prawa fizyki stwierdzające, że w układach fizycznych izolowanych od otoczenia określone wielkości fizyczne pozostają stałe. Istnieją zarówno zasady zachowania obowiązujące bezwzględnie, jak i zasady zachowania słuszne tylko dla niektórych procesów.

Wielkości zachowywane bezwzględnie to energia, pęd, moment pędu, ładunek elektryczny, a także - wg danych doświadczalnych - liczba barionowa i liczba leptonowa.

Do wielkości zachowywanych tylko w niektórych procesach zalicza się parzystość (zachowywana w oddziaływaniach silnych i elektromagnetycznych, a nie zachowywana w oddziaływaniach słabych) oraz izospin (zachowywany jedynie w oddziaływaniach silnych).

Zachowania zasady są związane z niezmienniczością (symetrią) teorii fizycznych względem określonych grup przekształceń. Zasady zachowania energii, pędu i momentu pędu są związane z symetriami czasoprzestrzeni, odpowiednio z: przesunięciami w czasie, przesunięciami w przestrzeni i obrotami; zasada zachowania ładunku elektrycznego jest związana z niezmienniczością względem tzw. transformacji cechowania.

Zasada zachowania ładunku elektrycznego - jedna z zasad zachowania, którą można sformułować na kilka sposobów

W izolowanym układzie ciał całkowity ładunek elektryczny, czyli suma algebraiczna ładunków dodatnich i ujemnych, nie ulega zmianie

Zmiana ładunku układu może zachodzić tylko na drodze przepływu ładunku

Przykłady i konsekwencje [edytuj]

Jedną z bezpośrednich konsekwencji zasady zachowania ładunku jest pierwsze prawo Kirchhoffa. Może ono być sformułowane w sposób nawiązujący do zasady zachowania ładunku w następujący sposób:

Ilość ładunków wpływających do węzła sieci równa jest ilości ładunków wypływających z tego węzła.

Nie jest natomiast prawdziwe twierdzenie, że ładunki są niezniszczalne i nie można ich wytworzyć. Podczas anihilacji dwie cząstki o przeciwnych ładunkach przestają istnieć zamieniając się na energię pola elektromagnetycznego. Znikają również ich ładunki, ale całkowity ładunek układu (równy 0) pozostaje niezmieniony. Odwrotnie dzieje się w procesie kreacji par (np. proton-antyproton), gdzie kosztem energii pola powstają dwie cząstki o przeciwnych ładunkach).

Zasada zachowania ładunku a symetrie [edytuj]

Zachowanie ładunku elektrycznego wynika z niezmienniczości względem transformacji cechowania funkcji falowej cząstki naładowanej (np. elektronu)

Transformacje e^iα generowane są przez ciągły kąt α, ich zbiór tworzy prostą grupę Liego jednowymiarowych macierzy unitarnych U(1). Lokalna ( gdy kąt α(x,t) jest zmienny w czasie i przestrzeni) grupa cechowania U(1) jest przyczyna istnienia fundamentalnego oddziaływania elektromagnetycznego.

Konsekwencją tej niezmienniczości jest bezmasowość fotonu (m=0), fakt, że światło w próżni propaguje się z prędkością fundamentalną c (nazywaną z powodów historycznych prędkością światła). Następną konsekwencją jest dalekozasięgowość oddziaływania elektromagnetycznego, potencjał

Zasada zachowania ładunku jest przykładem zasady, która wynika z symetrii różnych od symetrii czasu i przestrzeni.

Zasada zachowania pędu

[edytuj]

Z Wikipedii

Skocz do: nawigacji, szukaj

Zgodnie z zasadą zachowania pędu:

suma wektorowa pędów wszystkich elementów układu izolowanego pozostaje stała

co można wyrazić wzorami

Układ izolowany to taki układ, na który nie działają siły zewnętrzne lub siły te się równoważą. Oddziaływanie między elementami układu siłami wewnętrznymi nie zmienia pędu układu.

Gdy na układ ciał działa niezrównoważona siła zewnętrzna, wówczas pęd wypadkowy układu zmienia się. Zasada zachowania pędu wynika wprost z II zasady dynamiki w postaci uogólnionej. Można ją również wywieść z niezmienniczości lagranżjanu (hamiltonianu) względem przesunięć w przestrzeni (jeśli wszystkie punkty zostaną przesunięte w przestrzeni o
, to nowy układ będzie identyczny z pierwotnym). Sytuacji takiej odpowiada brak członu potencjalnego w lagranżjanie (hamiltonianie).

Przykłady zastosowania [edytuj]

• zderzenia sprężyste i niesprężyste

• odrzut

Odrzut [edytuj]

 Osobny artykuł: odrzut.

Przejawem działania tej zasady jest zjawisko odrzutu, polegające na tym, że przy rozpadzie ciała na dwie części obie uzyskują pędy jednakowe co do wartości bezwzględnej, lecz przeciwnie skierowane (w układzie odniesienia, w którym ciało przed rozpadem pozostawało w spoczynku).

Przykłady odrzutu [edytuj]

• napęd odrzutowy w samolotach odrzutowych i rakietach (pęd strumienia gazów wyrzucanych z dyszy nadaje samolotowi lub rakiecie pęd w kierunku przeciwnym)

• odrzut i podrzut broni palnej

• odrzut jądra atomowego przy emisji cząstek z jądra

• sposób poruszania się niektórych zwierząt wodnych (np. meduzy)

• prysznic, gdy ustawiony zostanie na silny strumień wody, doznaje odrzutu i potrafi sam się unosić w powietrzu.

• nadmuchany otwarty balon, gdy zostanie uwolniony, doznaje odrzutu i porusza się do czasu, aż powietrze w balonie osiągnie wartość ciśnienia atmosferycznego

Zasada ta jest zawsze spełniona (dla dowolnego układu izolowanego) w każdym procesie fizycznym, tylko w niektórych zjawiskach opisywanych przez mechanikę kwantową możliwe jest krótkotrwałe jej złamanie (w czasie zajścia oddziaływania), jednak już po bardzo krótkim czasie (potrzebnym światłu na przebycie odległości między cząstkowych) zasada ta jest spełniona. Zasadę zachowania momentu pędu można wraz z zasadą zachowania materii-energii połączyć w zasadę zachowania czteropędu.

Fizyka - Teoria - Zasada zachowania pędu

Najpierw musimy się dowiedzieć, co to jest układ odosobniony (zamknięty). Aby dokładnie opisać ruch określonego ciała, należy uwzględnić wszystkie siły działające na to ciało. Jednakże takie zadanie jest w praktyce niewykonalne ze względu na olbrzymią ilość tych sił. Na szczęście zwykle jednak tylko skończona niewielka liczba ciał oddziałuje znacząco na rozpatrywane ciało, tworząc układ. Wszystkie inne oddziaływania w praktyce można pominąć, jako że są one bardzo małe, znajdują się one więc poza naszym układem.
Siły, którymi działają na siebie części składowe układu, nazywamy siłami wewnętrznymi. Siły oddziaływania z ciałami spoza układu nazywamy siłami zewnętrznymi. Układ nazywa się odosobnionym, jeżeli można zaniedbać siły zewnętrzne.

W przypadku układów odosobnionych obowiązuje prawo zachowania pędu, które można sformułować w następujący sposób:

Całkowity pęd układu odosobnionego jest stały i nie ulega zmianie podczas dowolnych procesów zachodzących w układzie.

Oczywiście pędy poszczególnych ciał, wchodzących w skład danego układu mogą się zmieniać, ale całkowity pęd układu, to znaczy wektorowa suma wszystkich pędów składowych, nie ulega zmianie.

Udowodnijmy więc nasze prawo. Powyżej wyprowadziliśmy wzór (uogólniona postać II zasady dynamiki):

Z definicji układu odosobnionego (zamkniętego)...

...zatem:

Zasada zachowania energii - empiryczne prawo fizyki, stwierdzające, że w układzie izolowanym suma wszystkich rodzajów energii układu jest stała (nie zmienia się w czasie). W konsekwencji, energia w układzie izolowanym nie może być ani utworzona, ani zniszczona, może jedynie zmienić się forma energii. Tak np. podczas spalania wodoru w tlenie energia chemiczna zmienia się w energię cieplną.

Opis [edytuj]

Zasada zachowania energii w mechanice klasycznej i kwantowej jest konsekwencją symetrii translacji (przesunięć) w czasie. Ma ona jednak w fizyce szersze znaczenie. Przyjmuje się, że zasada zachowania energii jest spełniona również w układach nieprzejawiających takiej symetrii i nie dających się opisywać przy użyciu formalizmu hamiltonowskiego. W ramach tego formalizmu wyprowadzany jest związek między zasadami zachowania a symetriami układów fizycznych. Przykładami takich układów są:

• układy opisywane przez fizykę statystyczną, gdzie symetria w czasie dla całego układu nie jest zachowana,

• układy związane z występowaniem siły tarcia,

• inne układy, na przykład cechujące się przemianami nierównowagowymi, dla których opis hamiltonowski jest nieadekwatny.

W mechanice klasycznej, jeżeli równania ruchu są niezmiennicze ze względu na przesunięcia w czasie

to siła
lub potencjał
nie może jawnie zależeć od czasu

Konsekwencją równań Hamiltona (patrz mechanika klasyczna) jest stałość energii (hamiltonianu), bo:

Tak więc zachowana jest wielkość

Symetria translacji w czasie jest szczególnym przypadkiem ogólniejszej symetrii związanej z niezmienniczością mechaniki klasycznej względem transformacji Galileusza

Transformacje te tworzą grupę Galileusza. W szczególnej teorii względności zachowanie energii jest również konsekwencją translacji w czasoprzestrzeni Minkowskiego

Wyszukiwarka