Wstęp

Fizyka zajmuje się badaniem struktury i własności materii. Własności materii wynikające z jej struktury obserwowane są w zjawiskach fizycznych - fizyka zaś formułuje prawa, które opisują przebieg tych zjawisk w czasie i przestrzeni.

Dlaczego uczymy się fizyki studiując medycynę? Czynimy to, bowiem w badaniach medycznych wnikamy coraz głębiej w strukturę i funkcjonowanie najmniejszych elementów składowych organizmu; bo interesuje nas wpływ różnorodnych czynników zewnętrznych (pozytywny lub negatywny) na te elementy oraz reakcja organizmu na czynniki zewnętrzne, bo zjawiska fizyczne są podstawą funkcjonowania wszelkich urządzeń technicznych, również i medycznych. Poznanie praw oraz metod pomiarowych fizyki stanowi więc niezbędny fundament wiedzy, także i w medycynie.

Z czego zbudowany jest kawałek materii trzymany w ręku? Kiedy w myśli powiększalibyśmy coraz bardziej jego drobny fragment, oczom naszej wyobraźni ukazywałyby się kolejno obrazy podobne do pokazanego poniżej.

Od czasów Demokryta wiemy o istnieniu atomów, traktowanych przez wieki jako „niepodzielne”. Maria Skłodowska Curie obserwując sto lat temu nieznany rodzaj promieniowania sugerowała jednak, że pochodzi ono z wnętrza atomu. Istnienie jądra atomowego stwierdził Rutherford w swym słynnym doświadczeniu. Badania przemian jądrowych otworzyły drogę do poznania struktury jądra atomowego oraz jego składników, neutronów i protonów, zwanych wspólnie nukleonami. Wewnętrzna struktura nukleonów uwidoczniła się w ich zderzeniach zachodzących przy bardzo wysokich energiach. Pojęcie „elementarności” zmienia się i wcale nie jesteśmy pewni, czy powiedziane jest już ostatnie słowo. Trzymając się określenia Demokryta, za cząstki elementarne uważa się te cząstki, które nie posiadają struktury wewnętrznej. Ich własności oraz prawidłowości ich wzajemnych oddziaływań stanowią klucz do zrozumienia mechanizmów tworzenia się struktur bardziej złożonych, a w dalszej konsekwencji - do poznania praw przyrody.

Nasze rozważania zaczniemy od zjawisk ruchu.

Ruch należy do najczęściej obserwowanych zjawisk fizycznych. Z wieloma przejawami ruchu mamy do czynienia w naszym bezpośrednim otoczeniu; wiele innych możemy oglądać na ekranach odbiorników telewizyjnych. Jesteśmy świadomi także zarówno ruchu planet, gwiazd i galaktyk jak i ruchu molekuł, atomów i cząstek elementarnych pomimo, że nie możemy tych ruchów obserwować bezpośrednio. Ruch jest też odpowiedzialny za wiele innych zjawisk fizycznych, jak zjawiska termiczne, akustyczne, czy elektryczne.

Często ruch zachodzi z tak dużą prędkością i w tak krótkim czasie, że nie można obserwować okiem bezpośrednio jego przebiegu. Wówczas staramy się za pomocą odpowiednich przyrządów zarejestrować tor poruszającego się obiektu i z kształtu toru wnioskować o prędkości obiektu i czasie trwania ruchu.

Fot. 2.2. Ten ruch cząstek elementarnych i jąder atomowych, których prędkości bliskie są prędkości światła, trwał ułamki milionowych części sekundy. Dla utrwalenia śladów takich ruchów stosujemy specjalne układy detekcyjne oraz komputerowe systemy wizualizacji. (CERN, Rap.Ann. 1986)

W niektórych przypadkach ruch jest tak długotrwały, że wykorzystujemy inne efekty wywołane przez ruch, by wnioskować o jego istnieniu.

Fot. 2.3. Rejestrowanie ruchu ciał niebieskich wymaga długiego czasu obserwacji.
Na zdjęciu - Teleskop ''Gemini'' na Hawajach. Widoczne są ślady ruchu samochodów i ... gwiazd.(Cern Courier, 39/7, 1999)

Ruch polega na zmianie wzajemnego położenia ciał. Zmiana ta odbywa się w czasie i przestrzeni. Opis ruchu, to znalezienie związków pomiędzy upływem czasu a zmianą położenia ciał. Dla ilościowego opisu ruchu wprowadza się szereg pojęć i definicji. Wymieńmy najbardziej podstawowe:

Układ odniesienia - to ciało lub zbiór ciał względem których badamy ruch innych ciał.
Punkt materialny - to ciało, którego rozmiary w badanym ruchu można uznać za pomijalnie małe.
Ciało sztywne - to takie ciało, które nie ulega odkształceniu w czasie rozpatrywanego ruchu.
Stan spoczynku - względem danego układu odniesienia ma miejsce wtedy, kiedy ciało nie zmienia swego położenia względem tego układu.

Fot.2.4. Ruch samolotu na trasie, to na ogół ruch postępowy.

Ruch postępowy -to ruch, w którym wszystkie punkty danego ciała przemieszczają się tak samo co do wartości i kierunku względem zadanego układu odniesienia.
Ruch jest prostoliniowy - jeśli przemieszczenie to odbywa się wzdłuż linii prostej.

Ruch obrotowy - ma miejsce, kiedy wszystkie punkty danego ciała poruszają się po okręgach, których środki znajdują się na jednej prostej. Prostą tą nazywa się osią obrotu.
Ruch jest płaski, kiedy kierunek ruchu zmienia się , ale ruch zachodzi w jednej płaszczyźnie.

Fot. 2.5.Ruch na karuzeli jest przykładem ruchu obrotowego.

Kiedy wprowadzimy pojęcia układu współrzędnych i będziemy omawiać szczegółowo wybrane rodzaje ruchów, wprowadzimy bardziej precyzyjne ich definicje. Typowe przykłady ruchu postępowego i obrotowego ilustrują zdjęcia pokazane powyżej.

Opis ruchu, w którym odpowiadamy na pytania "kiedy" i "gdzie" znajduje się ciało, czyli analizujemy ruch w kategoriach przestrzeni i czasu, nosi nazwę kinematyki. Kinematyczny opis ruchu nie zajmuje się więc przyczynami wywołującymi ruch.
Badaniem wzajemnych oddziaływań wywołujących ruch ciał i analizą związków pomiędzy siłami działającymi na ciała a ich ruchem zajmuje się dział fizyki zwany dynamiką.

Nasze rozważania zaczniemy od przypomnienia podstawowych wiadomości z matematyki, a następnie rozważymy zagadnienia kinematyki punktu materialnego.