यांत्रिकी

यांत्रिकी#

यांत्रिकी हे भौतिकशास्त्राचे एक शाखा आहे जी वस्तूंच्या गती आणि ती गती निर्माण करणाऱ्या बलांशी संबंधित आहे. याचे दोन मुख्य उप-क्षेत्रांमध्ये विभाजन केले जाते: शास्त्रीय यांत्रिकी आणि क्वांटम यांत्रिकी. न्यूटनच्या गतीच्या नियमांवर आधारित शास्त्रीय यांत्रिकी, प्रक्षेप्यांपासून यंत्रांच्या भागांपर्यंत, तसेच अंतराळयान, ग्रह, तारे आणि आकाशगंगा यांसारख्या खगोलीय वस्तूंसह स्थूलमानी वस्तूंच्या गतीचे वर्णन करते. दुसरीकडे, क्वांटम यांत्रिकी अतिशय लहान प्रमाणातील घटनांशी, जसे की अणू आणि कण, संबंधित आहे. एकंदरीत, यांत्रिकी हे भौतिकशास्त्राच्या अभ्यासासाठी मूलभूत आहे कारण ते भौतिक जगाच्या आपल्या समजुतीचा पाया रचते.

शास्त्रीय यांत्रिकी#

शास्त्रीय यांत्रिकी, ज्याला न्यूटनियन यांत्रिकी असेही म्हणतात, ही भौतिकशास्त्राची एक शाखा आहे जी बलांच्या प्रभावाखाली स्थूलमानी वस्तूंच्या गतीशी संबंधित आहे. हे गतीच्या त्या नियमांवर आधारित आहे जे प्रथम १७व्या शतकात सर आयझॅक न्यूटन यांनी तयार केले होते. शास्त्रीय यांत्रिकीचा उपयोग ग्रह, कार, प्रक्षेप्य आणि अणू आणि रेणूपेक्षा खूप मोठ्या इतर वस्तूंच्या गतीचे वर्णन करण्यासाठी केला जातो.

शास्त्रीय यांत्रिकीचे तीन मुख्य भागांमध्ये विभाजन केले जाऊ शकते: शुद्धगतिकी, गतिकी आणि स्थितिस्थापकता.

1. शुद्धगतिकी: ही गतीचा अभ्यास आहे ज्यामध्ये ती गती निर्माण करणाऱ्या बलांचा विचार केला जात नाही. उदाहरणार्थ, जर एखादी कार सरळ रस्त्यावर ६० मैल प्रति तासाच्या स्थिर गतीने चालत असेल, तर दिलेल्या वेळेत कार किती अंतर प्रवास करेल याची गणना करण्यासाठी शुद्धगतिकीचा वापर केला जाऊ शकतो.

2. गतिकी: ही गती आणि ती गती निर्माण करणाऱ्या बलांचा अभ्यास आहे. उदाहरणार्थ, जर एखादी कार विश्रांतीपासून गती वाढवत असेल, तर कारचे वस्तुमान दिल्यास, त्वरण निर्माण करण्यासाठी आवश्यक असलेल्या बलाची गणना करण्यासाठी गतिकीचा वापर केला जाऊ शकतो.

3. स्थितिस्थापकता: ही विश्रांतीवर असलेल्या वस्तूंवरील बलांचा अभ्यास आहे. उदाहरणार्थ, जर एखादे पुस्तक टेबलावर विश्रांती घेत असेल, तर पुस्तकाने टेबलवर केलेले बल (जे पुस्तकाच्या वजनाइतके असते) आणि टेबलाने पुस्तकावर केलेले बल (जे पुस्तकाच्या वजनाच्या समान आणि विरुद्ध असते) याची गणना करण्यासाठी स्थितिस्थापकतेचा वापर केला जाऊ शकतो.

शास्त्रीय यांत्रिकी अनेक मूलभूत तत्त्वांवर आधारित आहे, ज्यात हे समाविष्ट आहे:

1. न्यूटनचे गतीचे तीन नियम: हे नियम बल वस्तूंच्या गतीवर कसा परिणाम करतात याचे वर्णन करतात. पहिला नियम (जडत्वाचा नियम) सांगतो की, विश्रांतीवर असलेली वस्तू विश्रांतीवरच राहण्याची प्रवृत्ती ठेवते आणि गतीमध्ये असलेली वस्तू गतीमध्येच राहण्याची प्रवृत्ती ठेवते, जोपर्यंत तिच्यावर कोणतेही बल कार्य करत नाही. दुसरा नियम सांगतो की, वस्तूचे त्वरण तिच्यावर कार्य करणाऱ्या निव्वळ बलाच्या थेट प्रमाणात असते आणि तिच्या वस्तुमानाच्या व्यस्त प्रमाणात असते. तिसरा नियम सांगतो की, प्रत्येक क्रियेसाठी, समान आणि विरुद्ध प्रतिक्रिया असते.

2. ऊर्जेच्या संवर्धनाचे तत्त्व: हे तत्त्व सांगते की, एका विलग प्रणालीची एकूण ऊर्जा स्थिर राहते जर तिच्यावर कोणतीही बाह्य बले कार्य करत नसतील. उदाहरणार्थ, जर एखादे लंबक मागे-पुढे झुलत असेल, तर लंबकाची एकूण ऊर्जा (त्याची गतिज ऊर्जा आणि स्थितिज ऊर्जा यांची बेरीज) स्थिर राहते, असे गृहीत धरून की हवेच्या प्रतिकार किंवा घर्षणामुळे कोणतीही ऊर्जा कमी होत नाही.

3. संवेगाच्या संवर्धनाचे तत्त्व: हे तत्त्व सांगते की, एका विलग प्रणालीचा एकूण संवेग स्थिर राहतो जर तिच्यावर कोणतीही बाह्य बले कार्य करत नसतील. उदाहरणार्थ, जर दोन बर्फावरील स्केटर एकमेकांना दूर ढकलतील आणि विरुद्ध दिशांना सरकतात, तर दोन्ही स्केटरचा एकूण संवेग स्थिर राहतो.

शास्त्रीय यांत्रिकी हा एक नियतिवादी सिद्धांत आहे, याचा अर्थ असा की, एखाद्या प्रणालीची सध्याची स्थिती ज्ञात असल्यास, तिच्या भविष्यातील स्थितीचा अचूक अंदाज लावता येतो. तथापि, शास्त्रीय यांत्रिकी अतिशय लहान कणांचे (जसे की इलेक्ट्रॉन) आणि अतिशय उच्च गतीचे (प्रकाशाच्या गतीच्या जवळ) वर्तन अचूकपणे वर्णन करण्यात अयशस्वी ठरते. या परिस्थिती अनुक्रमे क्वांटम यांत्रिकी आणि विशेष सापेक्षतावादाद्वारे चांगल्या प्रकारे वर्णन केल्या जातात.

क्वांटम यांत्रिकी#

क्वांटम यांत्रिकी हा भौतिकशास्त्रातील एक मूलभूत सिद्धांत आहे जो अणू आणि उपअणु कणांच्या प्रमाणात निसर्गाच्या भौतिक गुणधर्मांचे वर्णन प्रदान करतो. क्वांटम रसायनशास्त्र, क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत, क्वांटम तंत्रज्ञान आणि क्वांटम माहिती विज्ञान यासह सर्व क्वांटम भौतिकशास्त्राचा हा पाया आहे.

“क्वांटम” हा शब्द स्वतः कोणत्याही भौतिक गुणधर्माच्या, सहसा ऊर्जा किंवा द्रव्याच्या, सर्वात लहान शक्य असलेल्या स्वतंत्र एककाचा संदर्भ देतो. क्वांटम यांत्रिकी हे तत्त्वावर आधारित आहे की द्रव्य आणि प्रकाश या दोन्हींमध्ये कण आणि तरंग या दोन्हीची वैशिष्ट्ये असतात, या तत्त्वाला तरंग-कण द्वैतता म्हणून ओळखले जाते.

क्वांटम यांत्रिकीचे एक मुख्य तत्त्व म्हणजे अध्यारोपणाचे तत्त्व जे सांगते की, एक भौतिक प्रणाली—जसे की अणूमधील इलेक्ट्रॉन—एकाच वेळी त्याच्या सर्व विशिष्ट, सैद्धांतिकदृष्ट्या शक्य अवस्थांमध्ये अंशतः अस्तित्वात असते; परंतु जेव्हा मोजमाप किंवा निरीक्षण केले जाते, तेव्हा ते फक्त एका शक्य संरचनेशी संबंधित परिणाम देते.

उदाहरणार्थ, अणूमधील इलेक्ट्रॉनसारखा क्वांटम कण एका अवस्थेत किंवा दुसऱ्या अवस्थेत नसून, एकाच वेळी त्याच्या सर्व शक्य अवस्थांमध्ये असतो. जेव्हा आपण इलेक्ट्रॉनची स्थिती मोजण्याचा प्रयत्न करतो, तेव्हाच आपण इलेक्ट्रॉनला एक निश्चित स्थिती असण्यास भाग पाडतो.

क्वांटम यांत्रिकीमधील आणखी एक मूलभूत तत्त्व म्हणजे अनिश्चिततेचे तत्त्व, जे वर्नर हायझेनबर्ग यांनी तयार केले, जे सांगते की, एखाद्या वस्तूची स्थिती आणि गती या दोन्ही एकाच वेळी अचूकपणे मोजल्या जाऊ शकत नाहीत. यापैकी एक जितके अचूकपणे ज्ञात असेल, तितक्या कमी अचूकपणे दुसरे ज्ञात होऊ शकते. हे प्रणालीच्या विशिष्ट प्रमाणांचे मोजमाप करण्याच्या संशोधकाच्या क्षमतेच्या मर्यादांबद्दल नसून, त्या प्रणालीच्या स्वतःच्या स्वरूपाबद्दलचे विधान आहे.

क्वांटम उलगडण ही क्वांटम यांत्रिकीद्वारे भाकीत केलेली आणखी एक विचित्र आणि मोहक घटना आहे. ही अशी परिस्थिती दर्शवते जिथे अनेक कण एकमेकांशी अशा प्रकारे जोडलेले असतात की एका कणाची अवस्था तत्काळ दुसऱ्या कणाच्या अवस्थेशी जोडलेली असते, ते कितीही दूर असले तरीही.

उदाहरणार्थ, जर दोन उलगडलेले कण तयार केले गेले आणि एक विश्वाच्या दुसऱ्या बाजूला पाठवला गेला, तर एका कणाच्या अवस्थेतील बदल तत्काळ दुसऱ्या कणाच्या अवस्थेवर परिणाम करेल. “दूरवरची भितीदायक क्रिया” हा शब्द आइनस्टाइन यांनी क्वांटम उलगडणाचे वर्णन करण्यासाठी वापरला होता, आणि तो वैज्ञानिक समुदायातील बर्याच चर्चा आणि चाचणीचा विषय राहिला आहे.

क्वांटम यांत्रिकी अणू आणि उपअणु कणांसारख्या अतिशय लहान प्रणालींच्या वर्तनाचे स्पष्टीकरण देण्यात अत्यंत यशस्वी ठरली आहे. तथापि, त्यात अनेक विचित्र आणि अंतर्ज्ञानाविरुद्धची भाकीते देखील आहेत, आणि ती उर्वरित भौतिकशास्त्राशी कशी जुळते याबद्दल अजूनही अनेक उघडे प्रश्न आहेत. या प्रश्नांना असूनही, क्वांटम यांत्रिकीचा लेसर, अर्धवाहक, चुंबकीय अनुनाद प्रतिमा आणि वैद्यकशास्त्रासाठी औषधे डिझाइन करण्यासह विस्तृत श्रेणीतील उपयोग आहे.

सांख्यिकीय यांत्रिकी#

सांख्यिकीय यांत्रिकी ही सैद्धांतिक भौतिकशास्त्राची एक शाखा आहे जी मोठ्या प्रमाणातील कणांच्या लोकसंख्येसह संबंधित भौतिक समस्या सोडवण्यासाठी संभाव्यता सिद्धांत आणि सांख्यिकीचा वापर करते. हे वैयक्तिक अणू आणि रेणूंच्या सूक्ष्म गुणधर्मांना दैनंदिन जीवनात पाहिल्या जाऊ शकणाऱ्या सामग्रीच्या स्थूलमानी किंवा एकूण गुणधर्मांशी संबंधित करण्यासाठी एक रूपरेषा प्रदान करते, त्यामुळे प्रणालींच्या शास्त्रीय आणि क्वांटम यांत्रिक वर्तनाचा परिणाम म्हणून उष्णतागतिकीचे स्पष्टीकरण देते.

सांख्यिकीय यांत्रिकी ही मूलभूत गृहीतकावर आधारित आहे, ज्याला एर्गोडिक गृहीतक म्हणून ओळखले जाते, की दीर्घ कालावधीत सर्व प्रवेशयोग्य सूक्ष्मअवस्था समान संभाव्य असतात. सूक्ष्मअवस्था ही प्रणालीची एक विशिष्ट सूक्ष्मरचना असते जी प्रणाली तिच्या उष्णतेच्या चढ-उतारांदरम्यान एका विशिष्ट संभाव्यतेसह व्यापू शकते.

उदाहरणार्थ, वायूच्या कणांचा एक बॉक्स विचारात घ्या. प्रणालीची स्थूलअवस्था एकूण गुणधर्म जसे की दाब, तापमान आणि आकारमान याद्वारे परिभाषित केली जाऊ शकते. तथापि, सूक्ष्मअवस्था प्रत्येक वैयक्तिक कणाची स्थिती आणि गतीचे वर्णन करेल. जरी आपण प्रत्येक कणाचा मागोवा घेऊ शकत नाही, तरी आपण प्रणाली एका विशिष्ट सूक्ष्मअवस्थेत असण्याची संभाव्यता मोजू शकतो.

सांख्यिकीय यांत्रिकीचे दोन मुख्य प्रकार आहेत: शास्त्रीय सांख्यिकीय यांत्रिकी, ज्यामध्ये क्वांटम यांत्रिक परिणामांचा विचार केला जात नाही, आणि क्वांटम सांख्यिकीय यांत्रिकी, ज्यामध्ये त्यांचा विचार केला जातो.

शास्त्रीय सांख्यिकीय यांत्रिकीचा उपयोग आदर्श वायू नियम मिळवण्यासाठी केला जाऊ शकतो. उदाहरणार्थ, मोठ्या संख्येने वायू कण, त्यांची सरासरी गतिज ऊर्जा आणि ते व्यापलेले आकारमान यांचा विचार करून, आपण PV=nRT हा संबंध मिळवू शकतो, जिथे P हा दाब आहे, V हे आकारमान आहे, n हे मोलची संख्या आहे, R हा वायू स्थिरांक आहे आणि T हे तापमान आहे.

दुसरीकडे, क्वांटम सांख्यिकीय यांत्रिकी, अतिशय कमी तापमान किंवा अतिशय उच्च घनतेच्या प्रणालींचा सामना करण्यासाठी आवश्यक आहे, जिथे क्वांटम परिणाम महत्त्वपूर्ण होतात. उदाहरणार्थ, ते अतिवाहकता आणि अतिप्रवाहिता यांसारख्या घटनांचे स्पष्टीकरण देऊ शकते, जिथे सामग्री अनुक्रमे प्रतिरोधाशिवाय विद्युत वाहकता करते किंवा घर्षणाशिवाय वाहते.

शेवटी, सांख्यिकीय यांत्रिकी हे भौतिकशास्त्रातील एक शक्तिशाली साधन आहे जे आपल्याला वैयक्तिक कणांच्या सूक्ष्म जग आणि एकूण सामग्रीच्या स्थूलमानी जग यांच्यातील अंतर दूर करण्यास अनुमती देते. वायूंच्या वर्तनाचे स्पष्टीकरण देण्यापासून ते घन आणि द्रव्यांचे गुणधर्म भाकित करण्यापर्यंत त्याचा व्यापक उपयोग आहे.