کاربردهای فیزیک در فناوری و تکنولوژی های دنیای مدرن

کاربردهای فیزیک در فناوری و تکنولوژی‌های مدرن دنیا برای همه مشخص است. فیزیک در علوم مختلف دنیا نقش دارد که از جمله آن می‌توان به فناوری نیز اشاره نمود.

فیزیک در واقع علمی است که باعث شناختن قانون عمومی و کلی حاکم بر رفتار ماده و انرژی می‌شود. فیزیکدانان در این راه بسیار کوشیده‌اند تا بتوانند قوانین اساسی مختلفی را کشف کنند. اگرچه اين موفقيت‌ها در برابر حجم ناشناخته‌ها، بسیار اندک است اما باید گفت که دانشمندان در این راه بسیار تلاش کرده و موفقیت‌های بسیاری نیز به دست آورده‌اند.

در یکی دو قرن گذشته انسان‌ها توانسته‌اند تا با بهره گيري از روش‌های علمي و ابزارهای دقيق در هر يک از شاخه‌های علمی، دنیای خود را وسعت ببخشند. کاربردهای فیزیک در فناوری باعث شده تا انسان با دنیا آشنا شود، فیزیک انسان را به درون اتم راه داده و بر این اساس باعث شده تا انسان از انواع نيروهای بنيادی طبيعت سر در آورد. همچنین در این مدت انسان‌ها توانسته‌اند الکترون و ويژگي‌های آن را کشف کنند و طيف گسترده امواج الکترومغناطيسي را بشناسند.

تا اواخر قرن نوزدهم، هنوز کاربردهای فیزیک در فناوری شناخته شده نبود. تا آن زمان فیزیک فقط در مکانيک، گرما، صوت، نور و الکتريسيته کاربرد داشت اما اکنون مشخص شده که می‌تواند در علوم مختلف دنیا نقش داشته باشد. کاربردهای فیزیک در فناوری و همچنین در سایر علوم، روز به روز گسترده‌تر می‌شود و توانسته بيش از ۳۰ موضوع و مبحث مهم را در برگیرد.

بیشتر بخوانید : فناوری فضایی و کاربردهای آن در ستاره شناسی و علوم دیگر

مقدمه‌ای بر کاربردهای فیزیک در فناوری

فناوری در واقع علم استفاده از ابزارها و راه و روش انجام کارها و برآوردن نيازها است. فناوری یعنی استفاده از آگاهي‌هاي انسان براي تغيير محيط، البته به منظور رفع نيازهای موجود. اگر بتوان علم را فرآيند شناخت طبيعت در نظر گرفت، فناوري فرآيند انجام کارها خواهد بود. چیزی حدود يک صد سال پيش، زندگي ساده و ابتدايي بود، کارها با ابزارهای ساده و روش‌های اوليه انجام می‌شد.

کارهایی چون کشاورزي، حمل و نقل، تجارت، ساختمان سازي و … با روش‌هاي سنتي انجام می‌گرفتند، یعنی در واقع انجام این کارها بسیار سخت بود اما اکنون با پیشرفت‌هایی که اتفاق افتاده است تمامی کارها می‌توانند به راحتی انجام شوند. در گذشته دانشمندان کار خود را انجام می‌دادند و صنعتگران و ابزارکاران نیز راه خود را داشتند، تا اینکه عصر جديد آغاز شد و تغییرات حاصل باعث موفقیت‌هایی در زمینه‌های مختلف شد و توانست علوم مختلف را به هم مرتبط نماید.

هر پروژه‌ای که مربوط به علم فیزیک باشد و کسی قصد داشته باشد تا با استفاده از آن تحولی در تکنولوژی ایجاد کند یا باید از دانش جدیدی استفاده کند که در این حالت مرزهای دانش توسط فیزیکدان‌ها مشخص می‌شود و یا باید از دانش‌هایی که پیش از این وجود داشته‌اند استفاده کند البته به گونه‌ای نوتر و بهینه‌تر. البته نباید فراموش کرد که چنین چیزی نیازمند نگاه‌های جدیدی از زوایای مختلف به جوانب مسئله است.

در اینجا علاوه بر اینکه لازم است به کاربردهای فیزیک در فناوری توجه کرد، باید گفت که فناوری نیز قادر است به فیزیکدان‌ها در امور پژوهشی آنها کمک کند. بنابراین نکته مهمی که لازم است در اینجا به آن اشاره نمود این است که علم و تکنولوژی دو جز جدا ناشدنی از هم هستند و می‌توانند خدمات متقابلی به هم ارائه کنند. نمونه‌هایی از این کاربردها همان مباحث انرژی‌های نو و فناوری‌های ساخت پرتاب و رهگیری موشک و ماهواره در صنعت نانو و عرصه‌های دیگر هستند.

بیشتر بخوانید : ماده تاریک چیست ؛ سر به مهر‌ترین راز دنیای اخترفیزیک

فناوری و علم فیزیک

علم کوششی است در جهت دست یافتن به دانايی و فناوری تلاشي است در جهت دست یافتن به توانايی. اين دو، یعنی علم و فناوری، بر هم اثر متقابل دارند. هدف از دانش کامل‌تر کردن ابزارها و روش‌هاست و ابزارها نيز خود باعث شده‌اند دقت انسان در اندازه گيری‌ها و همچنین رسيدن به نتايج علمي بيشتر گردد. امروزه بسیاری از موضوعات و مباحث فيزيک پيامدهای کاربردي داشته‌اند و عملاً توانسته‌اند در فناوري‌های مختلف نیز موثر باشند.

بنابراین علاوه بر اینکه کاربردهای فیزیک در فناوری نیاز به توجه دارد، نقش فیزیک در فناوري‌هاي مختلفی چون حمل و نقل، توليد، استخراج انواع معادن و ساختمان و انواع ماشين‌ها و آموزش‌های وابسته به دانش مکانيک، الکتريسيته، الکترومغناطيس، ترموديناميک، فيزيک هسته اي، نورشناسي، فيزيک بهداشت، فيزيک پزشکي و … نیز قابل بررسی است.

نقش فيزيک در سایر علوم

در اینجا قصد داریم تا علاوه بر پرداختن به موضوع کاربردهای فیزیک در فناوری به بررسی کاربردهای آن در سایر علوم نیز بپردازیم. پزشکان براي تشخيص انواع بیماری‌ها از انواع مختلف وسايل ساده مانند دماسنج و فشارسنج و گوشي طبي استفاده می‌کنند تا انواع دستگاه‌هاي بسيار پيچيده مانند ميکروسکوپ الکتروني، ليزر و هولوگراف، که البته تمام این دستگاه‌ها نیز براساس قانون فيزيک طراحي و ساخته شده‌اند.

راديوگرافي و راديوسکوپي

راديوگرافي در واقع همان عکسبرداری از بدن با پرتوهای ايکس و راديوسکوپی مشاهده مستقيم بدن با آن پرتوها است. در عکاسي معمولا از نوری که از چيزها بازتابش مي‌شود، استفاده مي‌گردد اما در راديوگرافي از پرتوهايي که از بدن مي گذرند، استفاده می‌شود.

پرتوهای ايکس اولین بار توسط ويلهلم کنراد رنتيگن استاد فيزيک دانشگاه ورتسبورگ آلمان کشف شد. اين کشف بسيار شگفت انگيز بود تا جایی که خبر آن به سرعت در روزنامه‌های مختلف جهان منتشر شد. علاوه بر این رنتيگن بر روي پرتوهاي کاتدي نیز کار مي کرد. وی در ادامه تحقیقات خود متوجه شد که وقتي اين پرتوها، به مواد سخت و فلزات سنگين برخورد می‌کنند پرتوهای ناشناخته‌اي توليد می‌شوند. وی این پرتوها را پرتو ايکس نامگذاری کرد.

پرتوهاي ايکس در پزشکي و بهداشت کاربردهای فراوان دارند. از این پرتوها براي پيشگيري، تشخيص و درمان استفاده می‌شود، به طوري که این پرتوها در فناوري‌هاي مربوطه يکي از ابزارهاي اساسي به حساب می‌آیند.

سونوگرافي

سونوگرافي نیز در واقع همان عکسبرداري با امواج فراصوت است. منظور از فراصوت امواج مکانيکي مانند صوت هستند که بسامد آنها بيش از ۲۰ هزار هرتز اعلام شده است. تولید این امواج  با استفاده از نوسانگر پتروالکتريک يا نوسانگر مغناطيسي امکان پذیر است. خاصيت پيزوالکتريک نیز در اینجا نیاز به بحث دارد. منظور از این خاصیت ايجاد اختلاف پتانسيل الکتريکي در دو طرف يک بلور است البته هنگامي که آن بلور تحت فشار يا کشش قرار داشته باشد.

در اینجا انبساط و انقباض این بلور هنگامي که تحت تاثير يک ميدان الکتريکي واقع شود نیز مد نظر است. پديده پيزوالکتريک در سال ۱۸۸۰ بود که به وسيله پيرکوري کشف شد. از این پدیده علاوه بر توليد امواج فراصوتي، در ميکروفن‌هاي کريستالي و فندک نیز استفاده می‌شود.

امواج فراصوتي داري انرژي بسيار زيادی هستند. دما و انرژی بالای این امواج می‌تواند سبب بالا رفتن دماي بافت‌هاي بدن انسان، سوختگي و تخريب سلول‌ها شود. از اين امواج در دريانوردي، صنعت و پزشکي نیز استفاده مي‌شود. در پزشکي نیز به منظور تشخيص، درمان و تحقيقات اين امواج مورد استفاده قرار می‌گیرند.

وسايل الکتروپزشکي

بعضی از وسايل‌هایی که برای تشخيص بيماري‌ها، استفاده می‌شوند، دستگاه‌هايي هستند که براساس قانون‌هاي مربوط به الکتريسيته و الکترونيک ساخته شده و به کار گرفته مي‌شوند. به عنوان مثال دستگاه‌هایی چون الکتروکارديوگراف، الکتروبيوگراف و الکترو آسفالوگراف از این نوع هستند. از طریق این دستگاه‌ها نمودارهایی می‌توان رسم نمود که با استفاده از آنها سلامت يا بيماري قابل تشخیص است.

بعضی از این دستگاه‌ها نیز خود دارای نوسان نگار هستند، که در این حالت می‌توان نمودارها را مستقيماً بر روي يک صفحه تلويزيون مشاهده کرد. نمونه‌ای از اين دستگاه کارديوسکوپ است که معمولاً در اتاق بيماران قرار داده می‌شود و از طریق آن منحني ضربان قلب بيمار قابل مشاهده است.

تهيه طرح‌هاي سه بعدي از بدن با استفاده از اسکن

در سال‌های 1360 تا 1370 بود که به منظور تشخیص بيماری‌ها چهار روش جديد ابداع گردید. روش اول گرمانگاری بود که در سال ۱۹۶۲ عرضه شد. در این حالت  از خاصیت انتشار امواج گرمايي استفاده می‌شود و اختلاف دماي مربوط به قسمتي از بدن به صورت تصويری و رنگي تهيه می‌شود.

روش دوم توموگرافی است. در این روش پرتوهای ايکس می‌توانند از بافت‌های نرم عبور کنند. البته ميزان جذب يا قدرت عبور آنها به غلظت بافت نیز بستگي دارد. اگر پرتو ايکس در مسير عبور خود از یک غده بگذرد، ميزان جذب آن نسبت به وضعيتي که غده وجود نداشته باشد، متفاوت است. در این حالت امکان پردازش تصویری که گرفته شده است با کمک کامپيوتر وجود دارد و همچنین می‌توان اطلاعات دقيق مربوط به ساختمان بدن و وجود غده را مشخص نمود.

روش سومی که مورد بحث قرار می‌گیرد، هولوگرافي است. دنيس گابور فيزيکدان، نوع جديدی از عکاسي را در سال ۱۹۴۷ ابداع کرد. هولوگرافي براساس خواص امواج متکي است و تصويري که در این حالت از ريزشيء گرفته مي‌شود، سه بعدي است. برای تهيه عکس سه بعدی معمولاً از پرتوهای ليزر استفاده می‌گردد.

دستگاه تشديد مغناطيسي ابداع چهارم است. در این روش هسته‌ی اتم‌هاي خاصي در صورت قرار گرفتن در ميدان مغناطيسي امواجي از خود تابش مي‌کنند که قابل رديابي است. اين پديده در سال ۱۹۴۰ شناخته شد و کاربرد آن در پزشکي برای نخستين بار در سوئد توسط اريش اودبلاد شروع شد.

بررسی نقش فیزیک در فناوری‌های مختلف

در این قسمت به بررسی کاربردهای فیزیک در فناوری های مختلف خواهیم پرداخت.

نقش فیزیک در فناوری‌های آموزشی

شاخه‌های مختلف علم فیزیک به طور مستقیم و غیرمستقیم در تولید تجهیزات و رسانه‌های آموزشی و روش‌های آن نقش دارند. هرگونه یادگیری از طریق حواس انسان و در ارتباط با محیط صورت می‌گیرد و باید گفت که علم فیزیک نیز توانسته است توانایی حواس ما را افزایش دهد. بنابراین در این حالت انسان نه تنها به اطراف خود بلکه به زمان‌ها و مکان‌های ناپیدا و دور نیز پیوند می‌یابد. در ادامه بخشی از اثرهای فیزیک در آموزش و پرورش بررسی می‌شوند.

استفاده از نور و وسایل نوری

نور خود یکی از شاخه‌های فیزیک است که در این شاخه از علم فیزیک، ماهیت و رنگ نور، رفتارهای نور و نیز چشم و دستگاه‌های نوری مورد توجه قرار می‌گیرد. برخی از دستگاه‌های نوری مرتبط با مباحث فیزیک که به منزله تجهیزات آموزشی به کار می‌روند، عبارت‌اند از، عدسی‌ها و میکروسکپ برای دیدن اشیای ریز،‌دوربین و تلسکوپ برای دیدن چیزهای دور، دوربین‌های عکاسی و فیلمبرداری برای تهیه و مشاهده تصاویر، طیف‌نما برای تجزیه رنگ‌های نور و بررسی اجسام نور‌دهنده. بنابراین دستگاه‌های نور از جمله وسایلی هستند که در آموزش کاربرد فراوانی دارند.

صوت و وسایل صوتی

در مبحث صوت و وسایل صوتی، از ماهیت صوت و رفتارهای آن و نیز گوشی و وسایل صوتی استفاده می‌شود. در گذشته تجهیزات صوتی مدارس فقط زنگ مدرسه بود اما اکنون از انواع مختلف وسایل سمعی و بصری استفاده می‌شود. در آموزش‌های امروزه تنها معلم، سخنگو نیست بلکه برای آموزش‌های بیشتر از ضبط صوت، رادیو، تلویزیون و … نیز استفاده می‌شود.

الکتریسیته و الکترونیک

روزی که جریان الکتریسیته کشف شد یا زمانی که ولتا، اهم و فارادی در حال کار بر روی الکتریسیته و موج و الکترون بودند، نمی‌دانستند در حال به وجود آوردن جریانی از علم و صنعت هستند. این شاخه از فیزیک تا جایی اثرگذار بوده است که توانسته بر همه ابعاد زندگی انسان تاثیر بگذارد.

بیشتر بخوانید : نوبل فیزیک ۲۰۱۷ به سه کاشف امواج گرانشی اختصاص یافت

فیزیک و نقش یک مدیر دانش آموخته فیزیک

سال ۲۰۰۵ میلادی به عنوان سال جهانی فیزیک انتخاب و اعلام شد. از آن زمان تاکنون در مورد هدف‌ها و برنامه‌های محلی، منطقه‌ای و جهانی فیزیک، بحث‌های مفصل و مهمی در جریان است. یکی از این بخش‌های مهم اثر علم فیزیک و فیزیکدانان در انواع فناوری‌ها، هنرها، فلسفه، جهان بینی و رفتار انسان بوده است. پرسشی که در اینجا در ذهن ایجاد می‌شود این است که آیا علم فیزیک یا فیزیکدانان در مدیریت هم، اثر چشم گیری داشته یا دارند؟ و یا اینکه آیا مدیرانی که زمینه تحصیلات آن‌ها فیزیک بوده، توانسته‌اند در انجام وظایف مدیریت که برنامه ریزی، سازماندهی، آموزش، انگیزش و… است، موفق‌تر یا ممتازتر از دیگران باشند.

شاید بهتر باشد در اینجا این گونه اعلام کرد که فیزیک، علم مطالعه جهان قانونمند است. فیزیک کل نگر است و زمان و مکان، نمی‌تواند آن را محدود کند. علم فیزیک مشخص کرده است که همه چیز از جزء و کل در حرکت و دگرگونی هستند البته براساس قوانینی مشخص و منظم. در میان انواع مختلف پدیده‌ها فیزیک به مطالعه رابطه میان آنها فکر می‌کند و همچنین به دنبال یافتن وحدت نیروها در میان انبوه واکنش‌ها است.

فیزیکدان خود از میدان و نبرد خبر دارند و برای اینکه بتوانند کاری را بهتر و سریع‌تر انجام دهند، باید نیروها را هم جهت کنند و در راستای رسیدن به هدف از آنها استفاده کنند. فیزیکدانان از بازده و راندمان خبر دارند و می داند که برای افزایش بازده باید موانع را برطرف کنند. فیزیکدانان فناوری‌های نو را استفاده می‌کنند، می‌دانند که چگونه باید راه‌های اتلاف انرژی را کاهش دهند. آنها از بازیافت استفاده می‌کنند و همواره به دنبال یافتن روش‌های نو نیز هستند.

.