Naravoslovje
Veličine in enote
Osnovne enote
| veličina | oznaka veličine | enota | oznaka enote |
|---|---|---|---|
| dolžina, (odmik) | l, d, (x) | meter | m |
| masa | m | kilogram | kg |
| čas | t | sekunda | s |
| električni tok | I | amper | A |
| termodinamična temperatura | T | kelvin | K |
| množina snovi | n | mol | mol |
| svetilnost | J | kandela | cd |
Izpeljane enote
| veličina | oznaka veličine | enota | oznaka enote | osnovne enote |
|---|---|---|---|---|
| ravninski kot | α | radian | rad | \[ \frac {m}{m} \] |
| prostorski kot | Ω | steradian | sr | \[ \frac {m^2}{m^2} \] |
| veličina | oznaka veličine | enota | oznaka enote | druge enote | osnovne enote |
|---|---|---|---|---|---|
| frekvenca | ν (grška ni) | herc | Hz | \[ \frac {1}{s} \] | |
| sila | F | newton (njuten) | N | \[ \frac {kg m}{s^2} \] | |
| tlak, pritisk, mehanska napetost | p | pascal (paskal) | Pa | \[ \frac {N}{m^2} \] | \[ \frac {kg}{m s^2} \] |
| energija (delo, toplota, entalpija) | W (E, A, Q, H) | joule (džul) | J | \[ N m \] | \[ \frac {kg m^2}{s^2} \] |
| moč | P | watt (vat) | W | \[ \frac {J}{s} \] | \[ \frac {kg m^2}{s} \] |
| električni naboj | Q | coulomb (kolumb) | C | \[ A s \] | |
| električna napetost (električni potencial) | U | volt | V | \[ \frac {J}{C}, \frac {W}{A} \] | \[ \frac {m^2 kg}{s^3 A} \] |
| električni upor (el. upornost) | R | ohm (om) | Ω | \[ \frac {V}{A} \] | \[ \frac {m^2 kg}{s^3 A^2} \] |
| električna prevodnost | G | siemens (simens) | S | \[ \frac {1}{Ω} = V s = \frac {A}{V} \] | \[ \frac {s^3 A^2}{m^2 kg} \] |
| kapacitivnost | C | farad | F | \[ \frac{C}{V} \] | \[ \frac {s^4 A^2}{m^2 kg} \] |
| magnetni (pre)tok | ΦM | weber (veber) | Wb | \[ V s \] | \[ \frac {m^2 kg}{s^2 A} \] |
| gostota magnetnega (pre)toka | B | tesla | T | \[ \frac {Wb}{m^2} = \frac {V s}{m^2} \] | \[ \frac {kg}{s^2 A} \] |
| induktivnost | L | henry (henri) | H | \[ \frac {Wb}{A} = \frac {V s}{A} \] | \[ \frac {m^2 kg}{s^2 A^2} \] |
| celzijeva temperatura | t | stopinja celzija | °C | \[ K - 273.15 \] | |
| svetlobni tok | Φ | lumen | lm | \[ cd sr \] | \[ cd \] |
| osvetljenost | E | luks | lx | \[ \frac{lm}{m^2} = \frac{cd sr}{m^2} \] | \[ \frac{cd}{m^2} \] |
| radioaktivnost (št. razpadov na čas. enoto) | A | bekerel | Bq | \[ \frac {1}{s} \] | |
| absorbiran odmerek (ionizirajočega sevanja) | D | gray (grej) | Gy | \[ \frac {J}{kg} \] | \[ \frac {m^2}{s^2} \] |
| ekvivalentni odmerek (ionizirajočega sevanj) | H | sievert (sivert) | Sv | \[ \frac {J}{kg} \] | \[ \frac {m^2}{s^2} \] |
| katalitična aktivnost | Akt k | katal | kat | \[ \frac {mol}{s} \] |
| veličina | oznaka veličine | enota | oznaka enote | druge enote | osnovne enote |
|---|---|---|---|---|---|
| tlak, pritisk | p | bar | bar | \[ 10^5 Pa \] | \[ 10^5 \frac {kg}{m s^2} \] |
| energija | W | vatna ura | Wh | \[ 1 \frac{J}{s} 3600 s = 3600 J \] | |
| energija | W | elektronvolt | eV | \[ 1.6 \cdot 10^{-19} J \] | |
| energija | W | kalorija | cal | ||
| temperatura | T | fahrenheit (farenhajt) | °F | \[ \frac {5}{9} (x - 32) °C \] | \[ \frac {5}{9} (x + 459.67) K \] |
Stalnice
| stalnica | oznaka | vrednost |
|---|---|---|
| težnostna | G | \[ 6.67 \cdot 10^{-11} \frac{N m^2}{kg^2} \] |
| težni pospešek na Zemlji | g | \[ 9.81 \frac{m}{s^2} \] |
| hitrost svetlobe v brezzračnem prostoru | c | \[ 299792458 \frac{m}{s} \] |
| osnovni naboj | \(e_0\) | \[ 1.60 \cdot 10^{-19} A s \] |
| Avogadrovo število | \(N_A\) | \[ 6.02214076 \cdot 10^{26} \frac{1}{kmol} \] |
| splošna plinska | R | \[ 8310 \frac{J}{kmol\cdot K} = 8.310 \frac{kPa \cdot l}{mol \cdot K} \] |
| električna (influenčna) | \(ε_0\) | \[ 8.85 \cdot 10^{-12} \frac{A s}{V m} \] |
| magnetna (indukcijska) | \(μ_0\) | \[ 4 \pi \cdot 10^{-7} \frac{V s}{A m} \] |
| Boltzmannova | \(k_{\mathrm{B}}\) | \[ 1.38 \cdot 10^{-23} \frac{J}{K} \] |
| Planckova | h | \[ 6.63 \cdot 10^{-34} J s = 4.14 \cdot 10^{-15} eV s \] |
| Stefanova | ο | \[ 5.67 \cdot 10^{-8} \frac{W}{m^2 K^4} \] |
| poenotena atomska masna enota | \(m_u = 1 u\) | \[ 1.66054 \cdot 10^{-27} kg = 931.494 \frac{Me V}{c^2} \] |
| lastna energija atomske enote mase | \(m_u c^2\) | \[ 931.494 Me V \] |
| masa elektrona | \(m_e\) | \[ 9.109 \cdot 10^{-31} kg = \frac {1 u}{1823} = 0.5110 \frac{Me V}{c^2} \] |
| masa protona | \(m_p\) | \[ 1.67262 \cdot 10^{-27} kg = 1.00728 u = 938.272 \frac{Me V}{c^2} \] |
| masa nevtrona | \(m_n\) | \[ 1.67493 \cdot 10^{-27} kg = 1.00866 u = 939.566 \frac{Me V}{c^2} \] |
Gibanje
\[ x = x_0 + v t \] \[ s = v t \] \[ x = x_0 + v_0 t + \frac {a t^2}{2} \] \[ v = v_0 + a t \] \[ v^2 = v_0^2 + 2 a x \] \[ \nu = \frac{1}{t_o} \] \[ v_O = \frac{o}{t_o} = \frac{2 \pi r}{t_o} = \omega r = 2 \pi \nu \] \[ a_r = \frac{v_o^2}{r} = \omega^2 r = \omega v \]
Sila
\[ g(r) = g \frac{r_z^2}{r^2} \] \[ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} \] \[ \frac{r^3}{t_0^2} = \text{stalno} \]
\[ F = k x \] \[ F_tr = k_tr F_n \] \[ \vec{F} = m \vec{a} \] \[ \vec{G} = m \vec{v} \] \[ \vec{F} \Delta t = \Delta \vec{G} \] \[ M = r F \sin \alpha \] \[ \Delta p = \rho g h \]
\[ F = p S \] \[ F_v = \rho_{\text{tek.}} g V \] \[ \Delta p = \rho g h \]
Energija
\[ A = \vec{F} \vec{s} = F s \cos \varphi \] \[ W_k = \frac {m v^2}{2} \] \[ W_p = m g h \] \[ W_{pr} = \frac {k x^2}{2} \] \[ P = \frac {A}{t} \] \[ A = \Delta W_k + \Delta W_p + \Delta W_{pr} \] \[ A = - p \Delta V \]
Elektrika
\[ I = \frac{e}{t} \] \[ \vec{F} = a \vec{E} \] \[ E_{toč.} = \frac{e}{4 \phi \epsilon_0 r^2} \]
Fizika delcev
\[ W_f = \mathrm{h} \nu \] \[ W_f = A_i + W_k \] \[ W_f = \Delta W_n \] \[ \Delta W_v = \Delta m c^2 \]
\[ N = N_0 2^{- \frac{t}{t_{1/2}}} = N_0 e^{- \lambda t} \] \[ \lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}} \] \[ A = N \lambda \]
Razpadi
Razpad alfa; delec razpada je \(\alpha = ^4_2He_2^{2+}\): \[ ^{A}_{Z}X_N \rightarrow ^{A-4}_{Z-2}Y_{N-2} + ^4_2\mathrm{He}_2 \]
Razpad beta minus; delec razpada je \(\beta^{-} = e_0^{-}\): \[ ^A_ZX_N \rightarrow ^{A}_{Z+1}Y + e_0^{-} + \bar{\nu}_e \] \[ n \rightarrow p + e_0^{-} + \bar{\nu}_e \]
Razpad beta plus; delec razpada je \(\beta^{+} = e_0^{+}\): \[ ^A_ZX_N \rightarrow ^{A}_{Z-1}Y_{N+1} + e_0^{+} + \nu_e \] \[ p \rightarrow n + e_0^{+} + \nu_e \]
Razpad gama; delec razpada je foton \(\nu\): \[ X^{+} \rightarrow X + \nu \]
Nadučilišče
Newtonovi zakoni (veljajo le v inercialnih opazovalnih sistemih):
- Če je vsota učinkov okolice (sil) enaka nič, telo miruje ali se giblje premo in enakomerno: \(\sum_{i} \vec F_i = 0\)
- Pospešek je sorazmeren s silo in ima smer sile: \(\sum_{i} \vec F_i = m \vec{a}\)
- Če deluje prvo telo na drugo z neko silo, deluje drugo telo na prvo z nasprotno enako silo: \(\vec F_{1,2} = - \vec F_{2,1}\)
Sila je učinek okolice, teles v okolici. V inercialnih opazovalnih sistemih ni “skrivnostnih” sil brez določenega telesa – vsaka sila ima svoje izvorno telo.
Masa je lastnost telesa, da se upira pospešovanju – vztrajnost (inercija). Teža je sila okolice, sorazmerna z maso (težnostni pospešek je neodvisen od mase).
| lepenje | \[ F_{l, max} = k_l F_N \] |
| trenje | \[ F_{tr} = k_{tr} F_N \] |
| količnik trenja/lepenja | \[ k_l \geq k_{tr} \] |
| Hookov zakon | \[ \vec F_{vzmet} = -k_{vzmeti} \vec{x} \] |
Težišče: \[ \vec r^* = \frac{\sum m_i \vec r_i}{\sum m_i} = \frac{\int \d m \vec r}{\int \d m}; M = \int \d m \]
Mehanika
- Opis gibanja: kinematika
- Napoved gibanja: dinamika
| položajni vektor | \[ \vec r = \int_{t'}^t \vec v \d t \] |
| pot [\(m\)] | \[ s = \int_{\vec r'}^{\vec r} \lvert \d \vec r \rvert = \int_{\vec r'}^{\vec r} \d s \] |
| hitrost (spreminja vektor položaja) [\(\frac{m}{s}\)] | \[ \vec v = \vec r '(t) = \frac{\d \vec r}{\d t} = \vec v' + \int_{t'}^t \vec a \d t \] \[ \overline{\vec v} = \frac{\Delta \vec{r}}{\Delta t} = \frac{\vec s}{\Delta t} \] |
| pospešek (spreminja smer in velikost hitrost) [\(\frac{m}{s^2}\)] | \[ \vec a = \vec v '(t) = \frac{\d \vec v}{\d t} \] \[ \overline{\vec a} = \frac{\Delta \vec v}{\Delta t} \] |
Stalen pospešek: \[ \Delta v = at \] \[ v^2 = v'^2 + 2 a (x - x') \]
Navor
\[ \vec M = \vec r \times \vec F = m \vec \alpha r^2 = J \vec \alpha \]
Energije
| delo (sprememba energije) [\(\frac{kg m^2}{s^2} = Nm = J\)] | \[ A = \vec F \vec s = \Delta W \] |
| moč [\(\frac{J}{s} = W\)] | \[ P = \frac{\d A}{\d t} \] \[ \overline{P} = \frac{A}{\Delta t} \] |
\[ P = \frac{\d A}{\d t} = \frac{\d F s}{\d t} = F \frac{\d s}{\d t} = F v \]
\(W = W_k + W_p = M_Z \frac{v^2}{2} - G \frac{M_S M_Z}{r}\) (npr. v osončju):
- \(W < 0\): vezan sistem (elipsa)
- \(W = 0\) (parabola)
- \(W > 0\): prost sistem (hiperbola)
Kinetična energija
\[ \Delta W_k = A = \int_{\vec r_1}^{\vec r_2} \vec F \d \vec r = \int_{\vec r_1}^{\vec r_2} m \vec a \d \vec r = \int_{\vec r_1}^{\vec r_2} m \frac{\d \vec v \d \vec r}{\d t \d t} = m \int_{\vec v'}^{v} \vec v \d \vec v = m \int \vec v \d \vec v = m \int \left( v_x \d v_x + v_y \d v_y + v_z \d v_z \right) = \frac{1}{2} m \left( v_x' + v_y' + v_z' \right) \Big|_{v'}^{v} = \frac{1}{2} m v^2 \Big|_{v'}^{v} = \frac{1}{2} m (v^2 - v'^2) \]
Potencialna težnostna energija
Potencialna energija ima naravno izhodišče (\(W_{p, g} = 0\)) neskončno daleč stran, kjer gre teža proti nič (\(r_1 \rightarrow \infty\)):
\[ \vec F_g = -G \frac{m_1 m_2}{r^2} \frac{r_{1,2}}{r} \] \[ W_{p, g} = - A_g = - \int_{\vec r_1}^{\vec r_2} \vec F_g \cdot d\vec{r} = - \int_{r_1}^{r_2} \left(- \frac{G m_1 m_2}{r^2} \right) \frac{r_{1,2}}{r} dr = \int_{r_1}^{r_2} \frac{G m_1 m_2}{r^3} r dr = - \frac{G m_1 m_2}{r} \Big|_{r_1}^{r_2} = - \frac{G m_1 m_2}{r_2} \]
Za “ravno Zemljo” (\(\Delta h << r_Z\)):
\[ g = \frac{G M_Z}{r_Z^2} \] \[ W_{p, g} = m g h \]
Potencialna prožnostna energija
\[ \Delta W_{pr} = -A_{vzmeti} = - \int_{x'}^x F x \d x = \int_{x'}^{x} k x \d x = \frac{1}{2} k (x^2 - x'^2) = \frac{1}{2} k x^2 \]
Gibalna količina
\[ \vec G = m \vec v \] \[ \vec F = m \vec a = m \frac{\d \vec v}{\d t} = \frac{\d (m \vec v)}{\d t} = \frac{\d \vec G}{\d t} \] \[ \int_{t'}^{t} \vec F \d t = \int_{t'}^t \frac{\d \vec G}{\d t} \d t = \vec G \Big|_{t'}^t = \vec G - \vec G' = \Delta \vec G \]
- Neprožni trk: ohranja se gibalna količina
- Prožni trk: ohranjata se gobalna količina in kinetična energija
Vrtenje
Kot \(\phi\) ni vektor, je pa njegov diferencial \(\vec{d \phi}\).
| kot | \[ \phi = \frac{l}{r} \] |
| kotna hitrost [\(\frac{1}{s}\)] | \[ \vec \omega = \vec \phi '(t) = \frac{\vec {\d \phi}}{dt} \] \[ \overline \omega = \frac{\Delta \phi}{\Delta t} \] |
| kotni pospešek [\(\frac{1}{s^2}\)] | \[ \vec \alpha = \vec \omega '(t) = \frac{\vec {\d \omega}}{\d t} \] |
| frekvenca [Hz] | \[ \gamma = \frac{N}{\Delta t} = \frac{1}{t_o} \] |
\[ \phi = \phi_0 + \omega_0 t + \frac{\alpha}{2} t^2 \] \[ \omega = \frac{2 \pi}{t_o} = 2 \pi \gamma = \omega_0 + \alpha t \] \[ a_r = \omega v = \frac{v^2}{r} = \omega^2 r \] \[ l = r \phi\] \[ \vec{v} = \frac{\d \vec{r}}{\d t} = r \frac{\vec{\d \phi}}{\d t} = \vec r \times \vec{\omega} \] \[ \vec{a_t} = \frac{\vec{\d v}}{\d t} = r \frac{\vec{\d \omega}}{t} = \vec r \times \vec{\alpha} \]
\[ \vec F_{Coriolis} = -2 m (\vec{\omega} \times \vec{v}) \]
Keplerjevi zakoni:
- Tiri planetov so elipse, Sonce je v gorišču.
- Ploščinska hitrost planetov je stalna.
- \(\frac{r^3}{t_0^2}\) = stalno
Vztrajnostni moment [\(kg m^2\)] je porazdelitev mase glede na os vrtenja: \[ W_{k, rot} = \frac{1}{2} \sum_i m_i v_i^2 = \frac{1}{2} \int \d m v^2 = \frac{1}{2} \int \d m r^2 \omega^2 = \frac{1}{2} \omega^2 \int \d m r^2 = \frac{1}{2} J \omega^2 \] \[ J_{točka, cev} = m r^2 \] \[ J_{valj} = \frac{1}{2} m r^4 \] \[ J_{krogla} = \frac{2}{5} m r^2 \]
Steinerjev izrek: če je težišče telesa izmaknjeno od osi vrtenja, je vztrajnostni moment telesa enak vsoti tistega, ki bi bil, če bi bila os v težišču in tistega, če telo vzamemo kot točko (težišče) ki kroži na neki razdalji os osi: \[ J = J^* + m r^2 \]
\[ A = \Delta W_k = \frac{1}{2} J (\Delta \omega)^2 = \int \vec M \vec{\d \phi} \] \[ P = \frac{\d A}{\d t} = \frac{\vec M \vec{\d \phi}}{\d t} = \vec M \vec \omega \] \[ \vec M = J \vec \alpha \]
Vrtilna količina je gibalna količina porazdeljena po vrtečem se telesu: \[ \vec \Gamma = \vec r \times \vec G = \int \d m \vec r \times \vec v = J \vec \omega \] \[ \vec M = \vec r \times \vec F = \vec r \times \frac{\d \vec G}{\d t} = \frac{\d \vec \Gamma}{\d t} \] \[ \vec \Gamma = \vec \Gamma_{tirna} + \vec \Gamma_{lastna}^* \] \[ \vec \Gamma_{tirna}^* = \int \d m \vec r_T \times \vec v_T \] \[ \sum \vec r^* \times \vec F_{zun} = \vec r^* \times \sum \vec F_{zun} \]
Ravnovesje
- labilno r. (npr. na vrhu hriba)
- indiferentno r. (npr. na ravnini)
- stabilno r. (npr. na dnu doline)
Deformacije
| napetost, prožnostni modul, deformacija (?) | \(\frac{\vec F}{\vec S} = k \frac{\vec F}{\vec S}\) |
| nateg (prožnost E [\(\frac{N}{m^2}\)) | \(\frac{F_x}{S_x} = E \frac{\Delta x}{\d x}\) |
| strižna deformacija | \(\frac{F_y}{S_x} = G \frac{\Delta y}{\d x}\) |
| vsestransko stiskanje (stisljivost \(\chi\) [\(\frac{m^2}{N}\)]) | \(\frac{F}{S} = K \frac{\Delta V}{V} = - K \chi \Delta p\) |
| Pasonov količik | \(\frac{\Delta y}{\d y} \frac{\Delta z}{\d z} = - \mu \frac{\Delta}{\d x}\) |
\[ K = \frac{E}{3 (1 - 2 \mu} \] \[ G = \frac{E}{2 (1 + \mu)} \]
Vzvoj (torzija; npr. zvijanje palice okoli njene osi): \[ M = - D \phi \] \[ D = \frac{1}{2} \pi G \frac{R_0^4}{l} [\frac{N m^4}{m^2 m} = N m] \]
Nihanje
\[ \gamma = \frac{N}{\Delta t} = \frac{1}{t_0} \] \[ \omega = \frac{2 \pi}{t_0} = 2 \pi \gamma \]
\[ x(t) = A \sin (\omega t + \delta) \] \[ v(t) = \frac{\d x}{\d t} = v_0 \cos (\omega t + \delta) = \omega A cos(\omega t + \delta) \] \[ a(t) = \frac{\d v}{\d t} = a_0 \sin (\omega t + \delta) = - \omega^2 A \sin (\omega t + \delta) = - \omega^2 x(t) \]
\[ F = m a = -m \omega^2 x = - k x \] \[ W = W_k + W_p = \frac{1}{2} m \omega^2 \left( \cos^2 (\omega t + \delta) + \sin^2 (\omega t + \delta) \right) = \frac{1}{2} m \omega^2 \]
Matematično nihalo: \[ \omega_0 = \sqrt{\frac{g}{l}} \]
Vzmetno nihalo: \[ \omega_0 = \sqrt{\frac{k}{m}} \]
Vzvojno nihalo: \[ \omega_0 = \sqrt{\frac{D}{J}} \]
Dušeno nihanje
\[ W = W_0 \mathrm{e}^{-2 \beta t} \] \[ \omega '^2 = \omega^2 - \beta^2 \]
- nadkritično dušenje: \(\beta > \omega\) \[ s = s_0 \mathrm{e}^{- \beta t} \cosh (\omega t + \delta) \]
- kritično dušenje: \(\beta = \omega\) \[ s = s_0 \mathrm{e}^{- \beta t} + s_2 t \mathrm{e}^{- \beta t} \]
- podkritično dušenje: \(\beta < \omega\) \[ s = s_0 \mathrm{e}^{- \beta t} \cos (\omega t + \delta) \]
Vsiljeno nihanje
\[ \tan \delta = \frac{2 \beta \omega}{\omega_0^2 - \omega^2} \]
Tekočine
Tlak [\(\frac{N}{m^2} = Pa\)]: \[ p = \frac{\d F}{\d S} \]
Hidravlika: \[ \frac{F_2}{F_1} = \frac{S_2}{S_1} \]
Vzgon – nasprotno enak teži izpodrinjene tekočine: \[ \Delta p = \rho g h \] \[ \vec F_{vzg} = \int p_{hidrostat.} \d \vec S \]
Računanje z negotovostmi
Meritve brez negotovosti ne obstajajo (posebno če so zvezne narave), zato so merski podatki brez negotovosti nepopolni, torej precej neuporabni ali vsaj nezaželjeni.
Negotovosti se sešteva, kadar so medsebojno povezane/odvisne; če ne, seštevamo njihove kvadrate.
- seštevanje/odštevanje količin: seštevanje absolutnih napak
- množenje/deljenje količin: seštevanje relativnih napak