První pololetí

Fyzika (z řeckého φυσικός (physikos): přírodní, ze základu φύσις (physis): příroda) je vědní obor, který zkoumá hmotu, její vlastnosti a chování během dějů. Vlastnosti a vztahy mezi nimi popisuje zpravidla jazykem matematiky.

Fyziku lze velmi obecně rozdělit podle metod na teoretickou fyziku, experimentální fyziku, numerické simulace a aplikovanou fyziku. Teoretická fyzika se snaží vyvodit z matematických objevů a experimentálních výsledků obecnější platnost zákonů a určit teoretické hranice jejich platnosti. Cílem experimentální fyziky je potvrzení nebo vyvrácení existující teorie. Často přitom dochází k jiným novým objevům. Numerické simulace umožňují udělat si představu o důsledcích přírodních zákonů za daných podmínek a dávají předpovědi ověřitelné pozorováním. Aplikovaná fyzika vychází z potřeb praxe. Její rozvoj je motivován potřebami z výroby, lidské spotřeby a z potřeby ochrany životního prostředí. Hranice mezi tímto dělením nejsou striktní. Příkladem metody a přechodu mezi experimentální a teoretickou fyzikou, při níž se využívají poznatky z vědy o informatice je modelování fyzikálních stavů a dějů s pomocí informačních technologií.


Fyzikální veličina je jakákoliv objektivní vlastnost hmoty, jejíž hodnotu lze změřit nebo spočítat. Na rozdíl od technických a kvalimetrických veličin jsou fyzikální veličiny definovány obecně, tj. nezávisle na metodice měření, zpravidla vztahem k jiným fyzikálním veličinám.

Fyzikálním veličinám přiřazujeme určitou hodnotu (velikost). Hodnota dané veličiny je udávána prostřednictvím srovnání s pevně zvolenou hodnotou veličiny stejného druhu, kterou volíme za měřící jednotku. Číselná hodnota fyzikální veličiny je závislá na volbě měřící jednotky, kterou nazýváme jednotka (fyzikální veličiny).

Soustava SI (zkratka z francouzského Le Système International d'Unités) je mezinárodně domluvená soustava jednotek, která se skládá ze základních jednotek, odvozených jednotek, předpon a vedlejších jednotek. Mezinárodně garantuje definice jednotek a uchování etalonů Bureau International des Poids et Mesures v Sèvres (Francie), v České republice Český metrologický institut v Brně.

Soustava vznikla v roce 1960 ze soustavy metr-kilogram-sekunda (mks). Existoval také užívaný systém centimetr-gram-sekunda (soustava CGS).

Základní jednotky

Základních jednotek je sedm: metr, kilogram, sekunda, kelvin, ampér, kandela, mol.

Tabulka základních jednotek

Fyzikální veličina Značka Jednotka Značka  

Délka l metr m

Hmotnost m kilogram kg

Čas t sekunda s

Teplota T Kelvin K

Látkové množství n mol mol

Elektrický proud I Ampér A

Svítivost I kandela cd

Odvozené jednotky

Odvozené jednotky se tvoří kombinacemi základních jednotek, u významných veličin dostaly samostatné názvy. Abecední seznam odvozených jednotek: coulomb, kilogram na metr krychlový, metr čtverečný, metr krychlový, metr za sekundu, newton, ohm, pascal, volt, lumen, lux, becquerel, gray, sievert…

Násobné a dílčí jednotky

K vyjádření násobků nebo dílů základních nebo odvozených jednotek slouží předpony, viz Předpony soustavy SI.

Vedlejší jednotky

Vedlejší jednotky jsou jednotky, které plně nezapadají do soustavy SI, ale jsou povoleny pro svoji všeobecnou rozšířenost a užitečnost. Např. hodina, minuta, stupeň Celsia, elektronvolt, …

Mechanika a kinematika

Kinematika se zabývá pohybem těles, aniž by se zajímala o to, proč se tělesa pohybují.

Mechanický pohyb

Všechna tělesa kolem nás jsou buď v klidu, nebo v pohybu. "Klid, nebo pohyb tělesa určujeme vzhledem k jiným tělesům. Stav klidu, nebo pohybu těles je vždy relativní" Zaparkovaný kamion je v relativním klidu, ale neznamená to, že je v absolutním klidu, protože je v klidu pouze vzhledem k povrchu země a ne vzhledem k slunci či vesmíru.

Pokud bychom leželi nehnutě na pláži na rovníku a bezstarostně si užívali dovolenou, pak se pohybujeme spolu se zemským povrchem díky otáčení Země kolem své osy docela slušnou rychlostí. Vzhledem k tomu, že rovník má délku přibližně 40 070 km a Země se celá otočí za 24 hodin, pak se její povrch na rovníku spolu s námi pohybuje rychlostí 40 070 km/24 h = 1 670 km/h. To je více než 5x rychleji, než pilot F1 na závodní dráze. Tuto rychlost samozřejmě nevnímáme, protože se spolu s námi pohybuje také okolní atmosféra.

"Neexistuje těleso, které by bylo v absolutním klidu"

Při mechanickém pohybu opisuje hmotný bod souvislou čáru, kterou nazýváme trajektorie hmotného bodu. Podle tvaru pohybu dělíme pohyby hmotného bodu na přímočaré a křivočaré.

Přímočarý pohyb pohyb koná například hrot tužky, kterým pohybujeme kolem hrany rovného pravítka, dešťová kapka padající k zemi, nebo automobil jedoucí na přímém úseku dálnice.

Křivočarý pohyb koná naopříklad vykopnutý míč, automobil projíždějící zatáčkou, nebo lyžař sjíždějící slalom. Zvláštním případem křivočarého pohybu je pohyb hmotného bodu po kružnici. Pohyb po kružnici konají jednotlivé body na pneumatice jedoucího automobilu, body sedačky roztočeného kolotoče aj.

Posuvný pohyb (též postupný pohyb nebo translace) je takový pohyb tuhého tělesa, při kterém všechny body tělesa konají pohyb po stejných, pouze navzájem posunutých, trajektoriích. Rychlosti jednotlivých bodů tělesa jsou při posuvném pohybu stejné, proto lze zkoumání posuvného pohybu převést na zkoumání pohybu jediného z bodů, nejčastěji těžiště.

Otáčivý pohyb (též rotační nebo rotace) čili otáčení je takový pohyb tuhého tělesa, při kterém se všechny body tělesa otáčejí kolem jedné společné osy se stejnou úhlovou rychlostí. Trajektoriemi jednotlivých bodů tělesa jsou soustředné kružnice.

Složený pohyb - pokud se těleso (hmotný bod) pohybuje v nějakém prostředí (např. pohyb člověka po povrchu Země), které se samo také pohybuje (např. pohyb Země kolem Slunce), pak pozorovatel nacházející se vně tohoto prostředí bude sledovat pohyb tělesa (v uvedeným příkladě tedy komplikovaný pohyb člověka kolem Slunce), který se označuje jako složený pohyb. Tedy pozorovatel, který sleduje pohyb tělesa (hmotného bodu), jenž koná několik pohybů současně, vnímá výsledný pohyb jako jediný plynulý pohyb po určité trajektorii. Výslednou polohu tělesa, které koná několik různých pohybů současně, lze určit z tzv. principu nezávislosti pohybů nebo též principu skládání (superpozice) pohybů, který říká: Těleso (hmotný bod) v libovolném časovém okamžiku zaujme takovou polohu, jako by vykonal všechny dílčí pohyby nezávisle a v libovolném pořadí. Příkladem složeného pohybu může být pohyb loďky plující napříč řekou, která ji unáší ve směru proudu. V tomto případě dochází ke složení pohybu loďky (tedy pohybu loďky po nehybné vodní hladině) a pohybu proudu řeky.

Tvar trajektorie hmotného bodu závisí na volbě vztažné soustavy (soustava těles, ke které vztahujeme klid nebo pohyb sledovaného tělesa, se nazývá vztažná soustava).

"Délka trajektorie opsaná hmotným bodem při jeho pohybu se nazývá dráha a značíme jí písmenem s."

 R Y C H L O  S T

Každé těleso, které urazilo za čas t dráhu s, se pohybovalo rychlostí v. Protože průměrná rychlost pohybu se počítá podle vztahu v = s/t a základní jednotka délky (dráhy) je metr a času je sekunda, pak základní jednotkou rychlosti je 1 m/s (metr za sekundu). Z uvedeného vztahu lze odvodit vzorec pro výpočet dráhy: s = v . t a vzorec pro výpočet času, který bude potřebovat těleso, které se pohybuje rovnoměrným pohybem, aby urazilo určitou dráhu: t = s/v.

Rozdělení pohybů podle rychosti

Rovnoměrný pohyb je pohyb se stálou rychlostí. Rovnoměrný pohyb je tedy pohyb, u kterého se nemění velikost rychlosti. Rychlost je tedy konstantní.

Pokud pohyb není rovnoměrný, bývá také označován jako nerovnoměrný pohyb (jde tedy o pohyb s proměnnou rychlostí).

Zvláštním případem nerovnoměrného pohybu je pohyb rovnoměrné zrychlený, nebo rovnoměrně zpomalený. Vymyslete si příklad rovnoměrně zrychleného nebo zpomaleného pohybu.

Z R Y C H L E N Í

Značka: a (z anglického acceleration)
Jednotka: m.s-2 (čteme: metr za sekundu na druhou), běžně používaná je i matematická úprava metr lomeno sekunda na druhou m/s2.

 Výpočet rychlosti rovnoměrně zrychleného pohybu

Jestliže bylo těleso na počátku v klidu: v = a . t

Jestliže mělo těleso počáteční rychlost v0: v = a . t + v0

Výpočet dráhy, kterou urazí těleso, které se pohybuje rovnoměrně zrychleným pohybem: s = (a.t.t)/2

Pokuste se vypočítat, jak dlouho bude padat kámen, který pustíme se střechy 20 metrů vysokého domu, pokud předpokládáme, že na něj působí tíhové zrychlení g = 9,81 ms-2 (odpor vzduchu zanedbáváme).

Jakou rychlost bude mít tento kámen těsně před dopadem?

Dynamika

Síla (F) je veličina, která charakterizuje vzájemné působení fyzikálních objektů. Síla je vektorová veličina = má nejen svojí velikost, ale i směr a působiště. Účinek síly závisí tedy nejen na její velikosti, ale také na jejím působišti. Pokud potřebujeme zjistit, jak bude vypadat výsledná síla, která bude na těleso působit nebude nám stačit pouze sečíst velikosti jednotlivých dílčích sil, musíme ji vždy zjišťovat jako vektorový součet. Obdobně se postupuje při rozkladu síly na jednotlivé složky.  

Jednotkou síly je 1 N = 1 kg.m.s-2(Newton)

 Newtonovy pohybové zákony 

Třecí síla

Smykové tření je fyzikální jev, který nastává při posouvání tělesa po povrchu jiného tělesa. Tato síla směřuje vždy proti směru pohybu tělesa. Její velikost je přímo úměrná velikosti kolmé tlakové síly FN a její velikost závisí na matariálech, které se při tření setkávají. Tato vlastnost je vyjádřena, jako součinitel smykového tření f, jeho hodnotu nalezneme v tabulkách. Velikost třecí síly NEZÁVISÍ na velikosti (obsahu) styčných ploch. Platí: Ft = f . FN

Valivý odpor

Valivý odpor vzniká při valivém pohybu tělesa po pevné podložce. Tato síla směřuje vždy proti směru pohybu tělesa. Její velikost je přímo úměrná velikosti kolmé tlakové síly FN a nepřímo úměrná poloměru valicího se tělesa. Její velikost závisí na matariálech, které se při tření setkávají. Tato vlastnost je vyjádřena, jako rameno valivého odporu ξ (xí), jeho hodnotu nalezneme v tabulkách. Platí: Fv = ξ . FN / R

Tíhová síla

Touto silou jsou všechna tělesa přitahována k Zemi v blíkosti jejího povrchu. Tíhová síla uděluje tělesům tíhové zrychlení g a působí kolmo k povrchu Země (g=9,81 m.s-2). Síla stejného charakteru působí i v okolí jiných těles (Měsíc, Slunce, ...), v těchto případech má g jinou hodnotu. Velikost tíhové síly je přímo úměrná hmotnosti tělesa. Hmotnost tělesa je neměnná a je to vlastnost tělea, zatímco tíhová síla se může lišit, podle toho, zda se těleso nachází na Zemi nebo např. na Měsíci. Platí FG = m . g

Tíha je síla, kterou těleso v tíhovém poli působí na jiná tělesa (tlaková síla na podložku, síla, kterou působí zavěšené těleso na na závěs, ...). Má stejnou velikost a směr, jako tíhová síla. Lišíse pouze svými působišti. FG = G 

Gravitační pole

Gravitační pole existuje v okolí všech hmotných těles a zprostředkuje působení gravitačních sil mezi nimi. Gravitační síla je přitažlivá síla, kterou na sebe působí jakákoliv dvě hmotná tělesa, aniž by muselo dojít k jejich přímému dotyku. Navzájem se přitahují stejně velkými silami opačného směru.

Velikost gravitační síly pro dvě hmotná tělesa o hmotnosti m1, m2 ve vzdálenosti od sebe r je dána vztahem:

 Fg = κ . (m1.m2)/r2

κ (kappa) se nazývá gravitační konstanta a má hodnotu κ = 6,672.10-11 N.m2.kg-2


Mechanická energie, práce, výkon

Mechanická práce

Mechanickou práci vykoná síla, působící na těleso, přičemž ho přemisťuje po určité trajektorii, charakterizuje fyzikální děj, při kterém se mění stav tělesa nebo soustavy těles. Pokud nedochází přesunu tělesa nelze hovořit o mechanické práci.  Jednotkou mechanické práce je JOULE (1 J = 1 kg . m2 . s-2). Platí W = F . s

Kinetická (pohybová) energie.

Velikost je závislá na hmotnosti tělesa a na druhé mocnině jeho rychlosti. Platí: Ek = ½ mv2

Potenciální (polohová) energie.

Tuto energii mají tělesa, která se nacházejí v tíhovém poli, a je přímo úměrná hmotnosti tělesa a jeho výšce nad povrchem Země. Platí: Ep = mgh

Vnitřní energie (potenciální energie pružnosti, teplo, ...)

Jednotka energie je stejná jako jednotka práce, tedy JOULE (J)


Zákon zachování energie

Při energetických dějích dochází k proměně kinetické energie na potenciální nebo vnitřní energii, přičemž součet všech energií je v každém okamžiku konstantní. Žádná energie nemůže vzniknout z ničeho a nemůže se zaniknout. Může se pouze přeměňovat na jinou energii, případně konat práci, přičemž předává těleso svoji energii jinému tělesu.


Výkon stroje je určen podílem mechanické práce, kterou stroj vykonal, a času za který ji vykonal. jednotkou výkonu je WATT (1 W = 1 J.s-1). Platí: P = W / t 

Příkon je určen podílem energie, která byla stroji dodána za určitý čas a tohoto času. Jednotkou příkonu je také WATT. Platí: P0 = E / t

Účinnost definujeme jako podíl výkonu a příkonu. Účinnost je vždy v zozsahu <0;1>, uvádíme ji v procentech <0%;100%> a označujeme η (éta). Platí: η = P / P0

Mechanickou práci lze uvádět také ve WATTSEKUNDÁCH (1 Ws = 1 J), nebo KILOWATTODINÁCH (1 kWh = 1 000 Wh = 3 600 000 Ws).

Jednoduché stroje

Jednoduché stroje jsou zařízení, která přenášejí sílu a mechanický pohyb z jednoho tělesa na druhé.

Zlaté pravidlo mechaniky: Jednoduché stroje zmenšují sílu nutnou ke konání práce, práci však neušetří. Kolikrát menší je působící síla, tolikrát je delší dráha, po níž síla působí.

P Á K A (animace)

Dvojzvratná páka se otáčí kolem osy, která není na jejím konci.

Jednozvratná páka má osu otáčení na svém konci.

Pro rovnováhu na páce platí vztah: F1 . d1 = F2 . d2

 

N A K L O N Ě N Á   R O V I N A (animace)

Nakloněná rovina svírá s vodorovnou rovinou úhel α. Používá se k přemisťování těžkých nákladů směrem vzhůru do výšky h, přičemž práci vykonáváme na delší dráze s. Síla F, kterou působíme je tedy menší než tíhová síla FG.

Pro rovnováhu na nakloněné rovině platí vztah: F . s = FG . h

 

Š R O U B

Šroub je z fyzikálního hlediska nakloněná rovina navinutá na válcovou plochu, kde vytváří křivku zvanou šroubovice (závit). Použává se ke zvedání těžkých těles (hever v autě), nebo jako lis k dosahování velké tlakové síly. Pokud je poloměr šroubu r a výška závitu h, potom síla F2, kterou působí šroub na zvedané těleso, nebo na matici větší, než síla F1, kterou je šroub utahován. K utahování šroubů se používá klíč, nebo prodloužené rameno, které doplňuje šroub o páku.

Pro rovnováhu na šroubu platí vztah: F1 . 2πr = F2 . h

 

K L Í N

Klín je založen na principu rozkladu sil a nakloněné roviny. Používá se na vyvinutí velkých bočních sil. Princip klínu využívá nůž, dláto, sekera, štípací stroj apod.

Pro rovnováhu na klínu platí vztah: Fa = Fb = F/(2.sin α/2)

 

K L A D K A

Pevná kladka je jednoduchý stroj, který využívá princip dvojzvratné rovnoramenné páky, jejíž ramena tvoří pololoměr r kladky.

Pro rovnováhu na pevné kladce platí vztah: F1 = F2

Volná kladka je jednoduchý stroj, který využívá princip jednozvratné páky, jejíž jedno rameo tvoří pololoměr r kladky a druhé rameno je průměr kladky 2r.

Pro rovnováhu na volné kladce platí vztah: F1 = F2/2

Kladkostroj je zařízení, které vznikne vytvořením soustavy pevných a volných kladek.

 

 K O L O   N A   H Ř Í D E L I

Kolo na hřídeli pracuje jako dvojzvratná páka, jejíř ramena tnoří poloměr kola R a poloměr hřídele r.

Pro rovnováhu na kole na hřídeli platí vztah: F1 . r = F2 . R