معلومات عن علم الفيزياء
معلومات كاملة عن علم الفيزياء
معلومات عن علم الفيزياء |
علم الفيزياء:
تعد علم الفيزياء واحدة من أكثر العلوم تأثيراً على حياتنا اليومية، وتهتم بدراسة العالم المادي من حولنا وكذلك المواد وظاهرة الطاقة والحركة والقوى التي تؤثر عليها. يعتبر الفيزيائيون مدرسة العلماء الأصلية والذين تمكنوا من استكشاف الأسرار المحيطة بنا وتحرير قوى كبيرة من الطاقة والحركة التي تغذي حضاراتنا.
في هذا المقال، سنناقش عددًا من المواضيع الرئيسية التي تهتم بها علم الفيزياء، وذلك من خلال عناوين فرعية متعددة ومنظمة ومنقطة ومرقمة.
- النظرية النسبية
- - مقدمة عن نظرية النسبية.
- - الفرق بين النظرية النسبية والنظرية الكلاسيكية.
- - علاقة النظرية النسبية بالأحداث الكونية مثل الثقوب السوداء والتوسع الكوني.
- - تطبيقات نظرية النسبية على حياتنا اليومية (على سبيل المثال، الجي بي إس).
2. الكميات الأساسية في الفيزياء
- - الموجات المادية وأنواعها المختلفة.
- - الشحنة الكهربائية وتأثيرها على الكائنات الحية والغير حية.
- - الكتلة والطاقة والعلاقة بينهما.
- - قانون الحركة وتأثير القوى على الأجسام.
- - نظرية الميكانيكا الكمية وتطبيقاتها.
3. الحالة الصلبة والسائلة والغازية
- - المفاهيم الأساسية للحالات الثلاثة.
- - الخصائص الفيزيائية الأساسية لكل دولة، مثل درجة الحرارة والضغط والكثافة.
- - تفسير الحالة الحرجة والحالة الفلزية.
4. تكنولوجيا الفضاء
- - كيف يعملون المركبات الفضائية والأقمار الصناعية؟
- - كيف يتم تشغيل المحركات النفاثة في الفضاء؟
نحن نعلم أن الصاروخ يستهلك وقودًا أكثر بعشر مرات من المحرك النفاث لإنتاج نفس الدفع وفقًا لهذا المقياس، يعد المحرك النفاث أكثر كفاءة من محرك الصاروخ.
مقياس المقارنة الثاني هو الدافع المحدد (Specific Impulse) وهو يتناسب عكسًا مع استهلاك الوقود المحدد للدفع ويخبرنا بمدى كفاءة محرك كتلة رد الفعل في توليد الدفع، ويتم تعريف الدافع المحدد على أنه الدفع الناتج لكل وحدة.
كلما زاد الدافع المحدد، زاد استخدام كمية الوقود الدافع بكفاءة، حيث لا يتعين على المحركات النفاثة أن تحمل الأكسجين، لذلك يكون لها دافع محدد أعلى من المحركات الصاروخية، والصواريخ لها قيمة نبضة محددة تتراوح من 100 إلى 700 ثانية، بينما تمتلكها المحركات النفاثة بالآلاف وفقًا لهذا المقياس، تعد المحركات النفاثة أكثر كفاءة من الصواريخ.
- - ما هي المخاطر البيئية للاستكشاف الفضائي؟
- الغازات الدفيئة: يمكن أن تؤدي مركبات الوقود التي تستخدم في الصواريخ والمركبات الفضائية إلى إصدار غازات الدفيئة في الغلاف الجوي العلوي، والتي يمكن أن تؤدي إلى تغيير المناخ وزيادة حدوث التغيرات المناخية والطقسية.
- النفايات الفضائية: يتم إطلاق العديد من الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية إلى المدارات حول الأرض، وقد تتسبب في النفايات الفضائية التي تتركب من الأجزاء الداخلية للمركبات الفضائية والأدوات المساعدة والمحمولة على متنها في تشكيل مخاطر غير متوقعة للفضاء وهو حيز حرج خال من الغبار الكوني والإشعاعات االكونية.
- الآثار على الحياة البرية: يمكن أن يؤثر الاستكشاف الفضائي على الحياة البرية من خلال تغيير النظام الإيكولوجي وتدمير الموائل الطبيعية للحيوانات والنباتات.
- الآثار على المساحات الزراعية: يمكن أن يؤثر الاستكشاف الفضائي على المساحات الزراعية والموارد الطبيعية المتاحية، وذلك من خلال الاستنزاف والاستغلال الزائد للموارد، وتدمير الأراضي الزراعية بسبب العواقب السلبية للتقنيات المتطورة.
- تغيير معدلات الحرارة والرطوبة: يمكن أن تؤدي الآلات والأدوات المستخدمة في الاستكشاف الفضائي والاطلاق نفسه إلى تغيير معدلات الحرارة والرطوبة في مناطق محددة، وهذا يمكن أن يؤدي إلى تأثيرات على النباتات والحيوانات والبشر.
- الآثار على الموارد المائية: يمكن أن يؤثر الاستكشاف الفضائي على الموارد المائية بشكل مباشر وغير مباشر، وذلك من خلال تغيير الأنهار ومجاري المياه الجوفية وتدمير المصادر المائية بسبب التلوث والاستغلال الزائد.
- - ما هي استخدامات التقنيات الفضائية في حياتنا اليومية؟
أصبح استخدام الأدوات والأجهزة التقنية ركيزةً أساسيةً في حياتنا؛ فلم يتوقّف الإنسان يوماً عن تطوير ما يخترعه ليزيد من مقدار الاستفادة منه، وقد كانت الثورة الزراعيّة والصّناعيّة في القديم محور التطوّر الهائل الذي حصل، ولا يُمكن لأحدٍ أن يَعزل نفسه عن التطوّرات التي تحدث، ولا بُدّ من إدخالها بشكلٍ من الأشكال إلى نظام الحياة، فنجد الطّبيب مثلاً أصبَح يعتمدُ على التّقنيات الحديثة في العمل وتطوير كل ما لديه.
إنّ المُعلّم في المدرسة أيضاً أصبح يعتمدُ على الأساليب الحديثةِ في التّعليم باستخدام التّقنيات الحديثة؛ للتمكّن من التّواصل مع الطلّاب والهيئات التّعليميّة المُختلفة، وحتى الفلاح أدخل التّقنيات المُتطوّرة في الزّراعة ليَستطيع الحصولِ على محصولٍ جيّدٍ، ولكن لا بُدَّ للإنسان أن يستخدم هذه التّقنيات بالشّكل الجيّد؛ لتحقيق النّتائج الإيجابيّة والمُفيدة للبشريّة، ولا يحتاج سوى للتّدريب والتمرّس على استخدامها.
تتعدّد أنواع التقنيات التي نستخدمها في حياتنا منذ لحظة الاستيقاظ في الصباح إلى لحظة النوم آخر الليل، ومن الأمثلة على ذلك:
كان لاختراع السّيارات والقطارات والطّائرات الأثر الكبير في حياة الإنسان؛ فأصبح يُمكن لأيّ شخصٍ أن يَقطع المسافات الكبيرة في دقائق أو ساعاتٍ محدودةٍ، ولم يكتفِ الإنسانُ بما وصل إليه، وإنّما يُحاول باستمرارٍ زيادةَ الامتيازات على هذه الوسائل من خلال زيادة السُّرعة، والتّقليل من اعتمادها على الإنسان، فأصبحت بعض الأنواع من المُواصلات تعتمد على القيادة الآليّة؛ فيجلس السّائق ويأخذ فترةً من الرّاحة بينما يُبرمج الوسيلة على مكان السّفر، كما أنّ هذه الآلات أصبحت تُفتح تقنياً وتُغلق تقنياً وآلياً بعيداً عن مجهود الإنسان.
من أبرز التّقنيات التي دخلت إلى جميع البيوت، وفي الشّوارع، ومجالات الأعمال المختلفة ثورة المعلومات التي حدثت عندما اختُرِعَت الشّبكة العنكبوتيّة، فأصبح العالم جميعه يرتبط معاً من خلال خطّ انترنت سلكيٍّ أو لاسلكيّ؛ بحيث يُمكن لأيّ شخصٍ أن يصل إلى أيّ مكانٍ في العالم مَربوطٌ على الشّبكة المعلوماتيّة، وكلُّ ما يحتاج إليه توفُّر خدمة الإنترنت، ووجود جهازٍ يدعم هذه الخدمة، وقد تطوّرت الأجهزة وتعدّدت الميّزات الموجودة فيها؛ لتخدم مُتطلّبات العصر، واحتياجات الإنسان المُتزايدة، ويمكن استخدام هذه الشبكة للتعلّم والاطّلاع على ثقافات الشّعوب الأُخرى التي تقطُن في الجانب الآخر من العالم.
لم تقتصر الثّورة المعلوماتيّةُ واستخدام الإنترنت على المعلومات التي يُمكن الحُصول عليها، وإنّما أصبحت تدعم وسائلَ الاتّصالات؛ فيمكن التّخاطب بين الأشخاص، وعقد المحادثات الصّوتية والمرئيّة، ومُتابعة أخبار الآخرين في بثٍ حيٍّ ومباشر.
5. الطاقة والبيئة
- - ما هي مصادر الطاقة المتاحة وكيف يتم استخدامها؟
- تكاليف الطاقة المتجددة تنخفض بمعدل مستدام ، في حين أن اتجاه التكلفة العامة للوقود الأحفوري يسير في الاتجاه المعاكس على الرغم من التقلبات الحالية، وهذا يرفع شأن أهمية الطاقة المتجددة.
- وصول الكهرباء إلى عدد أكبر من الناس هو أهم مميزات الطاقة المتجددة، وذلك لأن الدراسات أثبتت أن حوالي 1.1 مليار نسمة (17٪ من سكان العالم) لا يحصلون على الكهرباء، وأيضًا يستخدم 2.7 مليار شخص (38 ٪ من السكان) الكتلة الحيوية التقليدية للطهي والتدفئة والإضاءة في منازلهم ،مما يمثل خطرًا كبيرًا على صحتهم، لذلك فإن أحد الأهداف التي حددتها الأمم المتحدة هو تحقيق الوصول إلى الكهرباء للجميع بحلول عام 2030 ، وهو هدف طموح بالنظر إلى أنه بحلول ذلك الوقت ولن يتحقق إلا بالاعتماد على الطاقة المتجددة، وفقًا لتقديرات وكالة الطاقة الدولية، لن يتمكن 800 مليون شخص من الحصول على إمدادات الكهرباء إذا استمرت الاتجاهات الحالية.
- أهمية الطاقة المتجددة في أنها غير قابلة للنفاذ وذلك عند مقارنتها بمصادر الأخرى للطاقة مثل الفحم، والغاز، والنفط، بعكس مصادر الطاقة المتجددة الطبيعية فهي متاحة مادامت الحياة على الأرض لأنها تعتمد على الشمس والرياح والماء والمواد العضوية التي تُنتج الطاقة، وتندرج ضمن الدورات الطبيعية، مما يجعل الطاقة المتجددة أحد أهم العناصر الأساسية في نظام الطاقة المُستدامة أي أنها قابلة للتنمية والتطور، وذلك دون أي نسبة مخاطرة، أو إلحاق الضرر بالأجيال القادمة.
- الطاقة المتجددة النظيفة من أهم مميزاتها والتي يجعلها أهم مصدر للطاقة هي أنا لا تعمل على تغيير المناخ وذلك لأنها لا تنتج غازات الدفيئة تلك التي تسبب تغير المناخ ولا عوادم ملوثة، فإن تطوير الطاقة النظيفة أمر حيوي لمكافحة تغير المناخ والحد من آثاره المدمرة، فبحسب ما ذكرت ناشيونال جيوغرافيك في عددها الخاص في نوفمبر 2015 حول تغير المناخ، أن كان عام 2014 أكثر الأعوام دفئًا على الإطلاق، حيث ارتفعت درجة حرارة الأرض بمتوسط 0.85 درجة مئوية منذ نهاية القرن التاسع عشر، وكل هذا بسبب استخدام الوقود الأحفوري.
- - كيف يتم تحويل الطاقة من شكل إلى آخر؟
وهذا القانون ينص على أن الطاقة لا يمكن خلقها ولا تدمر، بل يمكن فقط تحويلها من شكل لآخر. ويمكن تصف القانون بصورة رياضية عن طريق معادلة الحركة الأولى، التي تقول: مجموع القوى المؤثرة على جسم مساوي لتغير كمية الحركة للجسم عبر الزمن.
ويمكن استخدام هذه المعادلة لوصف تحولات الطاقة في الحركة، حيث تحول الطاقة الحركية إلى طاقة إشعاعية عند توقف الجسم، وتحول الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية عند انطلاق الجسم. وهذا القانون يتبعه العديد من العمليات الطبيعية والتكنولوجية، مثل تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية في الخلايا الشمسية، وتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية في محركات السيارات، وتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة إشعاعية في المصابيح.
- - ما هو أثر الأنشطة البشرية على البيئة وكيف يمكن تحسينها؟
وقد ترجمت كلمة Ecology إلى اللغة العربية بعبارة “علم البيئة” التي وضعها العالم الألماني ارنست هيجل Ernest Haeckel عام 1866م بعد دمج كلمتين يونانيتين هما Oikes ومعناها مسكن، و Logos ومعناها علم وعرفها بأنها “العلم الذي يدرس علاقة الكائنات الحية بالوسط الذي تعيش فيه ويهتم هذا العلم بالكائنات الحية وتغذيتها، وطرق معيشتها وتواجدها في مجتمعات أو تجمعات سكنية أو شعوب، كما يتضمن أيضاَ دراسة العوامل غير الحية مثل خصائص المناخ (الحرارة، الرطوبة، الإشعاعات، غازات المياه والهواء) والخصائص الفيزيائية والكيميائية للأرض والماء والهواء.
ويتفق العلماء في الوقت الحاضر على أن مفهوم البيئة يشمل جميع الظروف والعوامل الخارجية التي تعيش فيها الكائنات الحية وتؤثر في العمليات التي تقوم بها. فالبيئة بالنسبة للإنسان- “الإطار الذي يعيش فيه والذي يحتوي على التربة والماء والهواء وما يتضمنه كل عنصر من هذه العناصر الثلاثة من مكونات جمادية، وكائنات تنبض بالحياة. وما يسود هذا الإطار من مظاهر شتى من طقس ومناخ ورياح وأمطار وجاذبية و مغناطيسية..الخ ومن علاقات متبادلة بين هذه العناصر.
فالحديث عن مفهوم البيئة إذن هو الحديث عن مكوناتها الطبيعية وعن الظروف والعوامل التي تعيش فيها الكائنات الحية.
- - البحث عن حلول بديلة للاعتماد على الوقود الأحفوري.
من المرجح أن تكفي الرياح والطاقة الشمسية لتغطية احتياجات العالم من الكهرباء بما يزيد عن 100 مرة من إجمالي الطلب على الكهرباء، بحسب ما كشفه تقرير حديث.
ويوضح التقرير الصادر عن مؤسسة أبحاث المناخ والطاقة، كربون تراكر، اليوم الجمعة، أن إمكانات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح أعلى بكثير من الوقود الأحفوري، ويمكنها تلبية الطلب العالمي على الكهرباء عدة مرات.
ويمكن التقاط ما لا يقل عن 6700 بيتاواط/ساعة (6.7 مليون تيراواط/ساعة) من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، من خلال استخدام التكنولوجيا الحالية، وهو ما يزيد 100 مرة عن كمية الكهرباء المستهلكة عالميًا في عام 2019.
وفي عام 2019، بلغ استهلاك الكهرباء عالميًا 65 بيتاواط/ساعة، كما يشير تقرير كربون تراكر.
وعلى الرغم من إمكانية الحصول على كميات هائلة من الطاقة، إلا أن العام الماضي شهد توليد 0.7 بيتاواط/ساعة فقط من الطاقة الشمسية، و1.4 بيتاواط/ساعة فقط من طاقة الرياح.
ويُسلط التقرير الضوء على الانفصال الصارخ بين الاعتماد الشديد الحالي على الوقود الأحفوري، رغم الوفرة الكبيرة في موارد الرياح والطاقة الشمسية، مع التركيز على الإمكانات الاقتصادية لهما لتحل محل الوقود الأحفوري بالكامل.
توقع التقرير أنه إذا استمر مسار النمو الحالي في طاقة الرياح والطاقة الشمسية، قد يدفعا الوقود الأحفوري بعيدًا عن قطاع الكهرباء بحلول منتصف العقد المقبل.
وفي حال بلغ معدل النمو السنوي 15%، فإن جميع الكهرباء حول العالم سيتم توليدها عبر طاقة الرياح والطاقة الشمسية بحلول منتصف الثلاثينيات من القرن الحالي.
وبشكل تفصيلي، نمت الطاقة الشمسية بمعدل سنوي بلغ 39% في المتوسط طوال العقد الماضي، وتضاعفت طاقتها -تقريبًا- كل عامين.
ومن المقرر أن يُشكل بناء ما يكفي من الألواح الشمسية لتلبية الطلب العالمي الإجمالي على الطاقة 0.3% من الأراضي التي يشغلها استخراج الوقود الأحفوري وبنيته التحتية.
وفي الوقت نفسه، نمت طاقة الرياح بنحو 17% سنويًا، مع إدخال تطورات، مثل: ألواح أفضل، وتوربينات أعلى؛ ما يساعد على خفض التكاليف.
يعتقد التقرير أن استمرار انخفاض التكاليف من المرجح أن يقود النمو الهائل في توليد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
ووفقًا للتقرير، فإن تكلفة الطاقة الشمسية قد انخفضت بمعدل 18% سنويًا منذ عام 2010 وحتى 2019، بينما تراجعت تكلفة طاقة الرياح بمعدل سنوي 9% طوال العقد الماضي.
وفي عام 2015، كانت مناطق قليلة حول العالم تشهد طاقة شمسية أرخص من الوقود الأحفوري، لكن بحلول عام 2020 كان 60% من العالم لديه طاقة شمسية أقل تكلفة من الوقود الأحفوري لتوليد الكهرباء.
وبحلول عام 2030 -تقريبًا- سوف يشهد كل مكان حول العالم طاقة شمسية أرخص من الوقود الأحفوري، طبقًا للتقرير.
ويأتي ذلك في سياق زيادة سريعة في القدرات الاقتصادية والمادية للاستفادة من الشمس والرياح؛ لإزالة الوقود الأحفوري بشكل تام.
وبحلول عام 2030، يشير التقرير إلى أن الطاقة الشمسية جميعها ونصف طاقة الرياح من المرجح أن تكون اقتصادية مقارنة مع استخدام الوقود الأحفوري في توليد الكهرباء.
يختلف وصول مختلف البلدان والمناطق حول العالم إلى موارد الشمس والرياح، كما يشير التقرير.
وفي حين أن ألمانيا تعد -حاليًا- رائدة في مجال الطاقة المتجددة، لكنها تمتلك ثالث أدنى إمكانات تقنية للطاقة الشمسية وطاقة الرياح مقارنة بالطلب الإجمالي.
وتمتلك البلدان الأفقر أكبر نسبة من إمكانات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح مقارنة مع الطلب على الكهرباء؛ وهو ما يمكن أن يتسبب في طفرة قوية لتنمية هذه البلدان عبر التخلص من الوقود الأحفوري.
حدد الباحثون في كربون تراكر 4 مجموعات رئيسية من البلدان بناءً على قدرتها على تسخير الكهرباء من طاقة الرياح والطاقة الشمسية لتلبية الطلب المحلي.
وخضعت البلدان منخفضة الدخل ذات الاستخدام المنخفض للكهرباء في أفريقيا جنوب الصحراء إلى تصنيف (وفيرة للغاية)؛ ما يعني أن لديها القدرة على توليد كهرباء لا تقل عن 1000 مرة من الطلب المحلي.
أما تلك التي لديها القدرة على تسخير ما لا يقل عن 100 مرة ويصل لنحو 1000 مرة من الكهرباء المطلوبة محليًا، فقد سميت بالبلدان (الوفيرة)، مثل: أستراليا، وتشيلي، والمغرب.
وكانت الصين والهند والولايات المتحدة ودول أخرى، والتي كانت لديها القدرة على إنتاج كهرباء عبر الطاقة المتجددة بما يكفي لتلبية الطلب المحلي، تندرج تحت تصنيف (ممتلئة)، والتي يكون لديها ما يكفي لتغطية الطلب من 10 إلى 100 مرة.
أما البلدان في تصنيف (منهكة)، والتي لديها طاقة متجددة كافية لتوليد الكهرباء المطلوبة محليًا أقل من 10 مرات، وهو ما يعني أن هذه الدول ستكون بحاجة لاتخاذ قرارات سياسية صعبة من أجل اكتشاف كيفية الاستفادة من طاقة الرياح والطاقة الشمسية بشكل أكثر فاعلية.
مع ذلك، لا تزال هناك شكوك حول احتمال حدوث ما يسمى بتحول الطاقة في أيّ وقت قريب، إذ يعتقد بعض علماء المناخ صعوبة تحقيق هدف اتفاقية باريس، والمتمثل في الحد من ارتفاع درجات الحرارة إلى 1.5 درجة مئوية فوق مستويات ما قبل الثورة الصناعية.
وفي حين تتعهد العديد من الشركات العالمية بالمساعدة في الجهود الرامية لإبطاء تغير المناخ، فإن آخرين يضاعفون من التمويل لشركات الوقود الأحفوري.
خلاصة
صناعة التكنولوجيا والحضارة الحديثة لا يخلوان من علم الفيزياء، ويتضح ذلك من وجود علماء الفيزياء الذين يعملون على استكشاف الأسرار حولنا وتحرير الكميات الضخمة من الطاقة والحركة. في هذا المقال، تم تناول عدة موضوعات من علم الفيزياء، وتم تنظيمها بعناوين فرعية ومنقطة ومرقمة، لدينا الأمل في أن يكون هذا المقال دليل جيد في مساعدة القارئ على فهم كيفية عمل الكون والعالم في حياتنا اليومية.