Fyzikální veličina

Fyzikální veličina
	Různé měřicí přístroje sloužící ke kvantifikaci fyzikálních veličin, jako je délka, hmotnost, teplota a čas.
Typ	Koncept ve fyzice a vědě
Související	Měření, Jednotka (fyzika), Mezinárodní soustava jednotek (SI)

Rozbalit box

Obsah boxu

Fyzikální veličina je objektivní a měřitelná vlastnost hmotného objektu, jevu nebo stavu soustavy. [1] Je to jeden z nejzákladnějších pojmů ve fyzice a přírodních vědách, který umožňuje kvantitativně (číselně) popisovat a porovnávat svět kolem nás. Každá fyzikální veličina je jednoznačně určena spojením dvou neoddělitelných složek: číselné hodnoty a jednotky. [2]

Například, když řekneme, že stůl má délku "2 metry", tak "délka" je fyzikální veličina, "2" je její číselná hodnota a "metry" jsou její jednotka. Samotné číslo "2" by bez jednotky nemělo žádný fyzikální význam.

📜 Historie a formalizace

Potřeba měřit a kvantifikovat vlastnosti světa je stará jako lidstvo samo. První standardizované jednotky vznikaly již ve starověkých civilizacích pro účely obchodu, stavebnictví a zemědělství (např. loket, píď, libra). Tyto jednotky však nebyly univerzální a často se lišily region od regionu. [3]

Vědecká revoluce v 17. a 18. století přinesla potřebu přesnějšího a jednotnějšího systému. Zásadní krok k modernímu pojetí fyzikálních veličin a jejich jednotek nastal během Francouzské revoluce, kdy byla zavedena desítková metrická soustava. [4] Tento systém se postupně vyvíjel a v roce 1960 byl mezinárodně přijat jako Mezinárodní soustava jednotek (zkráceně SI, z francouzského Système International d'Unités), která dnes představuje celosvětový standard ve vědě, technice i obchodu. [5]

⚙️ Základní vlastnosti

Číselná hodnota a jednotka

Jak bylo zmíněno, fyzikální veličina je vždy součinem číselné hodnoty a jednotky. [6]

Číselná hodnota (magnituda) udává, kolikrát je daná veličina větší než zvolená jednotka.
Jednotka je standardizovaná, pevně definovaná velikost dané veličiny, která slouží jako reference pro měření. (Např. metr je referenční délka, sekunda je referenční čas.)

Rovnice pro fyzikální veličinu Q lze zapsat jako:

$Q = {Q} \cdot [Q]$

Kde ${Q}$ je číselná hodnota a $[Q]$ je jednotka.

Měřitelnost

Základním předpokladem pro to, aby byla nějaká vlastnost považována za fyzikální veličinu, je její měřitelnost. Měření je fyzikální proces, při kterém porovnáváme neznámou velikost veličiny s její známou, standardizovanou jednotkou pomocí měřicího přístroje. [7]

🌀 Dělení podle směrovosti

Jedním z nejdůležitějších způsobů, jak se fyzikální veličiny klasifikují, je podle toho, zda k jejich úplnému popisu stačí pouze velikost, nebo je nutné znát i jejich směr.

Skalární veličiny (Skaláry)

Skalár je veličina, která je plně určena pouze svou číselnou hodnotou a jednotkou. Nemá žádný směr. [8] Sčítání a odčítání skalárů probíhá pomocí běžné aritmetiky.

Příklady skalárů: hmotnost (5 kg), čas (10 s), teplota (25 °C), energie (100 J), hustota (1000 kg/m³), délka (2 m).

Vektorové veličiny (Vektory)

Vektor je veličina, která má kromě číselné hodnoty (velikosti) a jednotky také směr a orientaci. [9] K jejímu úplnému popisu je nutné znát, jak je velká a kam směřuje. Graficky se vektory znázorňují jako šipky, jejichž délka odpovídá velikosti a hrot ukazuje směr. [10] Sčítání a odčítání vektorů je složitější a probíhá geometricky (např. pomocí rovnoběžníku sil).

Příklady vektorů: rychlost (50 km/h na sever), zrychlení (9,81 m/s² směrem dolů), síla (10 N tlačící dopředu), hybnost, intenzita elektrického pole.

🧬 Dělení podle původu a definice

Další zásadní klasifikace rozděluje veličiny podle toho, zda jsou považovány za fundamentální stavební kameny, nebo jsou z nich odvozeny. Toto dělení je základem každé soustavy jednotek.

Základní a odvozené veličiny

Soustava SI je postavena na sadě sedmi základních fyzikálních veličin. Tyto veličiny jsou považovány za vzájemně nezávislé a jsou definovány přímo, často pomocí fundamentálních fyzikálních konstant. [11] Každá základní veličina má svou vlastní základní jednotku.

Sedm základních veličin SI

Základní veličina	Značka veličiny	Základní jednotka SI	Značka jednotky
Délka	l, d, s	metr	m
Hmotnost	m	kilogram	kg
Čas	t	sekunda	s
Elektrický proud	I	ampér	A
Teplota	T	kelvin	K
Látkové množství	n	mol	mol
Svítivost	I_v	kandela	cd

Všechny ostatní fyzikální veličiny se nazývají odvozené veličiny. Jsou definovány pomocí vztahů (rovnic), které je spojují se základními veličinami nebo s jinými, již definovanými odvozenými veličinami. [12] Jejich jednotky jsou odvozeny od základních jednotek.

Příklad: Rychlost (v) je odvozená veličina definovaná jako délka (s) dělená časem (t), tedy $v = s / t$ . Její jednotkou je metr za sekundu (m/s). Síla (F) je definovaná druhým Newtonovým zákonem jako hmotnost krát zrychlení ( $F = m a$ ), její jednotkou je newton, který je odvozen jako $k g \cdot m / s^{2}$ .

Dimenzionální analýza

Každá fyzikální veličina má svůj rozměr (dimenzi), který vyjadřuje, jak je složena ze základních veličin. [13] Například rozměr rychlosti je $[v] = L \cdot T^{- 1}$ (délka dělená časem). Rozměr síly je $[F] = M \cdot L \cdot T^{- 2}$ (hmotnost krát délka dělená časem na druhou).

Dimenzionální analýza je mocný nástroj, který umožňuje:

**Kontrolovat správnost rovnic:** Na obou stranách každé fyzikální rovnice musí být stejný rozměr. Pokud není, rovnice je chybná. [14]
**Odvozovat vztahy mezi veličinami:** Umožňuje odhadnout tvar fyzikálních zákonů na základě rozměrů zúčastněných veličin.

⚖️ Intenzivní a extenzivní veličiny

Fyzikální veličiny lze také dělit podle toho, jak jejich hodnota závisí na velikosti systému.

Intenzivní veličiny: Jejich hodnota nezávisí na množství látky nebo velikosti systému. Pokud systém rozdělíme na dvě části, intenzivní veličina zůstane v obou částech stejná. [15]

- Příklady: Teplota, tlak, hustota. (Když rozdělíte hrnek vody, obě poloviny budou mít stále stejnou teplotu a hustotu).

Extenzivní veličiny: Jejich hodnota je přímo úměrná velikosti systému. Pokud systém rozdělíme, hodnota veličiny se také rozdělí. [15]

- Příklady: Hmotnost, objem, energie. (Když rozdělíte hrnek vody, hmotnost i objem každé poloviny budou poloviční).

Poměr dvou extenzivních veličin je často veličina intenzivní (např. hmotnost/objem = hustota).

🔬 Pro laiky

Představte si, že chcete popsat auto. Nestačí říct, že je "rychlé" nebo "těžké". Potřebujete přesné a srovnatelné údaje. K tomu slouží fyzikální veličiny.

Stavební kameny popisu: Fyzikální veličiny jsou jako slova ve slovníku, kterými popisujeme svět. Místo "rychlé" změříme rychlost a řekneme "130 kilometrů za hodinu". Místo "těžké" změříme hmotnost a řekneme "1500 kilogramů". Každý přesně ví, co to znamená.

Skaláry vs. Vektory (Velikost vs. Velikost a směr):

   *   Některé věci popíšete jedním číslem – to jsou skaláry. Když se vás někdo zeptá na vaši hmotnost, řeknete třeba "80 kilogramů" a tím to končí. Nemusíte dodávat žádný směr.
   *   Jiné věci potřebují i směr – to jsou vektory. Kdybyste pilotovi řekli, ať letí rychlostí "900 kilometrů za hodinu", byla by to k ničemu informace, kdybyste nedodali směr, např. "na východ".

Základní a odvozené (Lego kostky):

   *   Představte si pár základních Lego kostek: kostku pro délku (metr), kostku pro čas (sekunda) a kostku pro hmotnost (kilogram). To jsou naše základní veličiny.
   *   Ze základních kostek pak můžete postavit cokoliv složitějšího. Rychlost je "délka dělená časem". Zrychlení je "rychlost dělená časem". Síla je "hmotnost krát zrychlení". Všechny ostatní veličiny jsou jen chytře poskládané základní kostky.

Fyzikální veličiny jsou tedy základním jazykem vědy, který nám umožňuje popisovat svět přesně, objektivně a srozumitelně.

Zdroje