Kap 00 Fysikk / Naturvitenskap Noen betraktninger omkring fysikk og naturvitenskap.

Virkelighetsbeskrivelse Kunst Poesi Naturvitenskap Verden vi lever i er for kompleks til at vi kan 'forstå helheten'. Klassifisering / gruppering / forenkling er metoder vi benytter for lettere å kunne orientere oss i en slik sammensatt verden. Våre omgivelser kan vi oppleve / systematisere gjennom poesi, musikk, naturvitenskap osv. Musikk Følelser

Naturvitenskap Matematikk Astronomi Biologi Fysikk Kjemi Mekanikk Naturvitenskap er det vanlig å dele inn i ulike blokker slik som fysikk, kjemi, ... selv om grensene mellom disse i mange tilfeller er uklare. På samme måten som skrutrekker, skiftenøkkel, ... er nødvendig for å kunne reparere en bilmotor, er matematikk et nødvendig verktøy innen de fleste greiner av naturvitenskapen. Mekanikk

Virkelighetsbeskrivelse Naturvitenskap Matematikk Naturvitenskap Verden vi lever i er for kompleks til at vi kan 'forstå helheten'. Klassifisering / gruppering / forenkling er metoder vi benytter for lettere å kunne orientere oss i en slik sammensatt verden. Våre omgivelser kan vi oppleve / systematisere gjennom poesi, musikk, naturvitenskap osv.

Virkelighet - Modell Virkelighet Modell Når vi (innenfor naturvitenskap) skal beskrive deler av naturen omkring oss, er det nødvendig med en avgrensning av virkeligheten. Denne avgrensede delen av virkeligheten er som oftest for kompleks til å forstå komplett. Vi må derfor lage en forenkling (en modell) av denne avgrensede delen.

Modell - En partikkel faller i tyngdefeltet - Ser bort fra størrelse og form, dvs partikkel-representasjon. - Ser bort fra luftmotstand. - Ser bort fra jordrotasjon. - Ser bort fra vekt-endring. Modell-eksempel: Vi skal studere fritt fall av en ball. Figuren viser et sammensatt bilde av ballens fall. Ved beskrivelse (beregning av hastighet, tid osv.) av dette frie fallet, gjør vi i første omgang en del forenklinger (se teksten i figuren). Korreksjoner av disse forenklingene er nødvendig hvis våre beregninger ikke viser tilstrekkelig overensstemmelse med virkeligheten.

Fysikk Fysikk er en naturvitenskap. Fysikk er en eksperimentell vitenskap. Fysikere observerer fenomener i naturen og forsøker å finne mønster og prinsipper som relaterer disse fenomenene. Disse mønstre kalles fysiske teorier eller, når de er veletablerte, fysiske lover. Fysikk er en del av naturvitenskapen.

Teori - Lov Observasjoner Teori_1 Teori_2 Teori_3 ..... Lov Ut fra observasjoner (målinger) kan vi tenke oss flere teorier (forklaringer). En av disse teoriene vil kanskje skille seg ut i form av bedre overensstemmelse med virkeligheten. Denne teorien vil vi kalle en lov. Lov

Teori - Hvorfor / Hvordan? Observasjon Teori Hvorfor / Hvordan En teori forklarer ikke hvorfor, men hvordan ting skjer.

Fysikk - Delområder Mekanikk Termodynamikk Bølgelære Optikk Elektromagnetisme Astronomi Relativitetsteori Atomfysikk Kjernefysikk Elementærpartikkelfysikk String-teori … Fysikken deles opp i flere ulike grupper. Her er nevnt noen av områdene.

Gravitasjon De påfølgende bildene viser ulike eksempler fra fysikken. Bevegelse av romstasjon i bane rundt jorden.

Energi Eksplosjon. Frigjøring av kjemisk energi. Kraftstasjon. Ulike former for energi (kjemisk energi, elektrisk energi, solenergi, …) Eksplosjon. Frigjøring av kjemisk energi. Kraftstasjon. Generering av elektrisk energi. Solceller. Omdanning av solenergi til elektrisk energi.

Pile Driver Bolting av stolper ned i jorden.

Taljer Bruk av taljer til å endre bruk av krefter. Med en riktig konstruert talje trenger vi ikke benytte så store krefter for å kunne heise en person opp eller ned. Arbeidet blir det samme uansett bruk av taljer eller ikke, men minking i kraft kompenseres ved økning i veilengde.

Brokonstruksjon Konstruksjon av bruer. Kontstruksjonene må være av en slik art at broene tåler tilstrekkelig belastning.

Takoma Bridge Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast.

Waves

Kaos Kaos-studier med bl.a. store forløpsendringer ved små initial-endringer.

Luft- og væske-strømmer Studier av strømninger (i gass og væsker).

Luftstrømmer - Tennis / Skruball Luft-strømninger (her i tilknytning til en tennisball).

Air condition Kjøleanlegg.

Bølger Bølge-studier. Enkle bølgestudier (som her på vann) kan gi oss verdifull innsikt i ulike svingefenomener, interferens, lyd, lys, elektromagnetiske bølger, … .

Tversbølger / Langsbølger Ulike typer bølger: Snor: Tversbølger (transverselle bølger) Gass: Langsbølger (longitudinelle bølger) Væske: Blanding av tversbølger og langsbølger

Ultralyd Ultralyd-undersøkelse i forbindelse med svangerskap.

Image

Atom Transistor Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast.

Sorte hull Studier av universet (her sorte hull).

Induksjonsovn Generering av magnetfelt vha strøm Generering av strøm vha magnetfelt 1. Magnetisk hysterese Skiftende magnetiseringsretning i kokekarbunnen 2. Virvelstrømmer Indusert pulserende elektrisk virvelstrøm Studier av universet (her sorte hull).

Fysikk-emner Kvantefysikk Kvantefysikk Kvantefysikk Elektromagn. Når vi (innenfor naturvitenskap) skal beskrive deler av naturen omkring oss, er det nødvendig med en avgrensning av virkeligheten. Denne avgrensede delen av virkeligheten er som oftest for kompleks til å forstå komplett. Vi må derfor lage en forenkling (en modell) av denne avgrensede delen. Bølgelære Bølgelære Bølgelære Bølgelære Mekanikk Mekanikk Mekanikk Mekanikk

Makro / Mikro - kosmos Makro Mikro Når vi (innenfor naturvitenskap) skal beskrive deler av naturen omkring oss, er det nødvendig med en avgrensning av virkeligheten. Denne avgrensede delen av virkeligheten er som oftest for kompleks til å forstå komplett. Vi må derfor lage en forenkling (en modell) av denne avgrensede delen.

Virkelighetsbeskrivelse Naturvitenskap - Matematikk + Det er like nødvendig med matematikk for å beskrive / forstå naturen som det er med jekk / kryss for å skifte bilhjul. Verden vi lever i er for kompleks til at vi kan 'forstå helheten'. Klassifisering / gruppering / forenkling er metoder vi benytter for lettere å kunne orientere oss i en slik sammensatt verden. Våre omgivelser kan vi oppleve / systematisere gjennom poesi, musikk, naturvitenskap osv.

Matematikk Nødvendig redskap Newtons 2.lov står sentralt i fysikk. Loven lyder: F = ma . Loven sier følgende: Summen av alle ytre krefter som virker på et system er lik massen av systemet multiplisert med akselerasjonen til systemet. Hvis systemet har utstrekning, vil vi med akselerasjonen til systemet mene akselerasjonen til systemets massemiddelpunkt. Det er like nødvendig med matematikk for å beskrive / forstå naturen som det er med gressklipper, i stedet for hånd-saks, for å klippe gresset på en 5 mål stor gressplen. 32

Anvendelse av matematikk Naturvitenskap Fysikk Kjemi Biologi … Økonomi Samfunnsfag Digitale medier Lyd Bilder Film Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast.

Matematikk Svingesystem Elektromagnetisme Kvantefysikk

Strømning

Akselerasjon Veibygging - Klotoide Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast.

Bølger Lyd Lyd: 20 - 20.000 svingninger pr sek. Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast.

Bølger Radio Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast.

Bølger Digital lyd Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast.

Bølger Musikk - Digitalisering Ren tone Reell tone Digitalisering Tabell FourierTransform Sammensetn av rene toner Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast.

Bølger Musikk - Diskant / Bass Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast. Integrasjon Derivasjon

Bølger Design - Linjer / Flater Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast.

Bølger Design - Flater Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast.

Bølger Design - Film Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast.

Bølger Design - Film Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast.

Bølger Kirurgi-simulator Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast.

Bølger Mobil-telefon - Ringelyd Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast.

Transformasjons-teori f(x) F(u) Fourier Laplace Wavelet

Laplace transformasjon Diff./Integral.lign. Laplace transformasjon ’Ordinær’ ligning

Signals and Fourier Transform Frequency Information FT FT FT Øverst vises funksjonen y1 = sin(w1*t), dvs en funksjon med en gitt frekvens w1. Den Fourier-transformerte funksjonen viser en enkelt topp svarende til denne ene frekvensen. I midten vises funksjonen y2 = sin(w2*t) med en gitt frekvens w2 hvor w2 > w1. Den Fourier-transformerte funksjonen viser en enkelt topp svarende til denne ene frekvensen, men vi ser at denne toppen er plassert lenger til høyre enn den toppen i den forrige Fourier-transformerte, svarende til at vi nå har en høyere frekvens. Nederst vises en funksjon y3 = sin(w1*t) + sin(w2*t), dvs en funksjon som inneholder to gitte frekvenser. Dette gjenspeiles i den Fourier-transformerte som to topper i diagrammet, de to toppene fra de to foregående Fourier-transformerte.

Ultrasound Image - Edge detection SINTEF – Unimed – Ultrasound - Trondheim - Ultrasound Images - Egde Detection - Noise Removal - Egde Sharpening - Edge Detection

Arthritis Measure of bone Morlet Arthritis Measure of bone External part External part E/I bone edge E/I bone edge

The Norwegian Radiumhospital Mammography

Mexican Hat - 3 Dim

Definition of The Continuous Wavelet Transform CWT The continuous-time wavelet transform (CWT) of f(x) with respect to a wavelet (x): L2(R)

Detalj - Gjenfinning/Skjuling Wavelets Fjerner lav-frekv. W Fjerner høy-frekv. W Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast. Kreftsvulster Bomring Video-komprimering

Bølger ECG - Gjenfinning av detaljer

Seismic trace Gjenfinning av detaljer

Wavelet Transform Morlet Wavelet - Non-visible Oscillation [1/2]

Bildebehandling I Fourier-transformasjon f(x) square wave (T=2) N=1 N=2 N=10

Bildebehandling II Fourier-transformasjon

Bildebehandling III Wavelet-transformasjon

Originalt Komprimering 1:50 JPEG Wavelet

Varmestrømning Partiell derivasjon Fourier

Naturvitenskap - Fysikk Utfordringer Kunnskaper innen naturvitenskap har på mange måter vært til stor hjelp i vårt ’daglige liv’. Naturvitenskap, spesielt fysikk, er pr i dag den mest eksakte vitenskap og den vitenskap som har kommet lengst. Store utfordringer (klima, miljø, fornybar energi, …) Ny viten Konstruktiv / Destruktiv utnyttelse Tenk nytt Når vi (innenfor naturvitenskap) skal beskrive deler av naturen omkring oss, er det nødvendig med en avgrensning av virkeligheten. Denne avgrensede delen av virkeligheten er som oftest for kompleks til å forstå komplett. Vi må derfor lage en forenkling (en modell) av denne avgrensede delen.

Naturvitenskap - Fysikk Virkelighetsbeskrivelse Har vi en ’objektiv’ og ’korrekt’ forståelse av: - oss selv og virkeligheten rundt oss - vår 3-dimensjonale verden - tidsbegrepet - årsak / virkning - virkeligheten / determinisme - sammenhenger - rasjonell og logisk tenkning - eksistens / observasjon ? Når vi (innenfor naturvitenskap) skal beskrive deler av naturen omkring oss, er det nødvendig med en avgrensning av virkeligheten. Denne avgrensede delen av virkeligheten er som oftest for kompleks til å forstå komplett. Vi må derfor lage en forenkling (en modell) av denne avgrensede delen.

Naturvitenskap - Fysikk GPS ( = Global Positioning System) Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast.

Naturvitenskap - Fysikk Generell relativitetsteori - Krumme 4-rom Når vi (innenfor naturvitenskap) skal beskrive deler av naturen omkring oss, er det nødvendig med en avgrensning av virkeligheten. Denne avgrensede delen av virkeligheten er som oftest for kompleks til å forstå komplett. Vi må derfor lage en forenkling (en modell) av denne avgrensede delen.

Naturvitenskap - Fysikk Rasjonell og logisk tenkning Hvis A er like stor som B og B er like stor som C, så er A like stor som C. A B C Bells ulikhet: Eks : Student-gruppe A : Mann B : Høyde over 1.75 C : Blå øyne Bells ulikhet stemmer alltid i vårt ’daglige’ liv, men ikke i kvantefysikken. Når vi (innenfor naturvitenskap) skal beskrive deler av naturen omkring oss, er det nødvendig med en avgrensning av virkeligheten. Denne avgrensede delen av virkeligheten er som oftest for kompleks til å forstå komplett. Vi må derfor lage en forenkling (en modell) av denne avgrensede delen. Minst en av følgende må være feil: 1. Logisk tenkning er gyldig 2. Det finnes en objektiv virkelighet uavhengig av observasjon 3. Lokalitet

Naturvitenskap - Fysikk Rasjonell og logisk tenkning - Bevis for Bell’s teorem Når vi (innenfor naturvitenskap) skal beskrive deler av naturen omkring oss, er det nødvendig med en avgrensning av virkeligheten. Denne avgrensede delen av virkeligheten er som oftest for kompleks til å forstå komplett. Vi må derfor lage en forenkling (en modell) av denne avgrensede delen.

Kvantefysikk Mach-Zhender Interferometer 6 Out2 5 4 Out1 R2 S2 2 3 S1 R1 1 In2 In1

Kvantefysikk Mach-Zhender Interferometer

Quantum Physics Entanglement - Twin/Clothes Two trousers for each twin Two twins A and B

Quantum Physics Entanglement - Photon with opposite polarization

Quantum Physics Entanglement - Scroedinger’s Cat Hva er kattens tilstand før vi åpner døren til buret? Realist : Samme tilstand Ortodoks : Både levende og død Agnostisk : Avslå

Kvantefysikk Deterministisk verdensbilde Når vi (innenfor naturvitenskap) skal beskrive deler av naturen omkring oss, er det nødvendig med en avgrensning av virkeligheten. Denne avgrensede delen av virkeligheten er som oftest for kompleks til å forstå komplett. Vi må derfor lage en forenkling (en modell) av denne avgrensede delen.

Kvantefysikk Usikkerhetsrelasjon Hastighet Posisjon Når vi (innenfor naturvitenskap) skal beskrive deler av naturen omkring oss, er det nødvendig med en avgrensning av virkeligheten. Denne avgrensede delen av virkeligheten er som oftest for kompleks til å forstå komplett. Vi må derfor lage en forenkling (en modell) av denne avgrensede delen.

Universell fysikk-teori String.  Gravitasjon – Elektromagn Universell fysikk-teori String  Gravitasjon – Elektromagn. – Svak / Sterke kjernekr. t Studier av svingninger (spesielt resonans) for å hindre at f.eks. bruer kollapser under påvirkning av vindkast. x,y,z 5,6,7,8,9,10

END