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 این موفقیت‌ها 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 گیری از روش‌های علمی و ابزارهای دقیق در هر یک 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 نیروهای بنیادی طبیعت سر در آورد. همچنین در این مدت انسان‌ها توانسته‌اند الکترون و ویژگی‌های آن را کشف کنند و طیف گسترده امواج الکترومغناطیسی را بشناسند.

تا اواخر قرن نوزدهم، هنوز کاربردهای فیزیک در فناوری شناخته شده نبود. تا آن زمان فیزیک فقط در مکانیک، گرما، صوت، نور و الکتریسیته 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 بیش 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 نیازها است. فناوری یعنی استفاده از آگاهی‌های انسان برای تغییر محیط، البته به منظور رفع نیازهای موجود. اگر بتوان علم را فرآیند شناخت طبیعت در نظر گرفت، فناوری فرآیند انجام کارها خواهد بود. چیزی حدود یک صد سال پیش، زندگی ساده و ابتدایی بود، کارها با ابزارهای ساده و روش‌های اولیه انجام می‌شد.

کارهایی چون کشاورزی، حمل و نقل، تجارت، ساختمان سازی و … با روش‌های سنتی 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 جدید 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 دانایی و فناوری تلاشی است در جهت دست یافتن به توانایی. این دو، یعنی علم و فناوری، بر هم اثر متقابل دارند. هدف از دانش کامل‌تر کردن ابزارها و روش‌هاست و ابزارها نیز خود باعث شده‌اند دقت انسان در اندازه گیری‌ها و همچنین رسیدن به نتایج علمی بیشتر گردد. امروزه بسیاری از موضوعات و مباحث فیزیک پیامدهای کاربردی داشته‌اند و عملاً توانسته‌اند در فناوری‌های مختلف نیز موثر باشند.

بنابراین علاوه بر اینکه کاربردهای فیزیک در فناوری نیاز به توجه دارد، نقش فیزیک در فناوری‌های مختلفی چون حمل و نقل، تولید، استخراج انواع معادن و ساختمان و انواع ماشین‌ها و آموزش‌های وابسته به دانش مکانیک، الکتریسیته، الکترومغناطیس، ترمودینامیک، فیزیک هسته ای، نورشناسی، فیزیک بهداشت، فیزیک پزشکی و … نیز قابل بررسی است.

نقش فیزیک 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 برای تشخیص انواع بیماری‌ها از انواع مختلف وسایل ساده مانند دماسنج و فشارسنج و گوشی طبی استفاده می‌کنند تا انواع دستگاه‌های بسیار پیچیده مانند میکروسکوپ الکترونی، لیزر و هولوگراف، که البته تمام این دستگاه‌ها نیز براساس قانون فیزیک طراحی و ساخته شده‌اند.

رادیوگرافی و رادیوسکوپی

رادیوگرافی در واقع همان عکسبرداری از بدن با پرتوهای ایکس و رادیوسکوپی مشاهده مستقیم بدن با آن پرتوها است. در عکاسی معمولا از نوری که از چیزها بازتابش می‌شود، استفاده می‌گردد اما در رادیوگرافی از پرتوهایی که از بدن می گذرند، استفاده می‌شود.

پرتوهای ایکس اولین بار توسط ویلهلم کنراد رنتیگن استاد فیزیک دانشگاه ورتسبورگ آلمان کشف شد. این کشف بسیار شگفت انگیز بود تا جایی که خبر آن به سرعت در روزنامه‌های مختلف جهان منتشر شد. علاوه بر این رنتیگن بر روی پرتوهای کاتدی نیز کار می کرد. وی در ادامه تحقیقات خود متوجه شد که وقتی این پرتوها، به مواد سخت و فلزات سنگین برخورد می‌کنند پرتوهای ناشناخته‌ای تولید می‌شوند. وی این پرتوها را پرتو ایکس نامگذاری کرد.

پرتوهای ایکس در پزشکی و بهداشت کاربردهای فراوان دارند. از این پرتوها برای پیشگیری، تشخیص و درمان استفاده می‌شود، به طوری که این پرتوها در فناوری‌های مربوطه یکی از ابزارهای اساسی به حساب می‌آیند.

سونوگرافی

سونوگرافی نیز در واقع همان عکسبرداری با امواج فراصوت است. منظور از فراصوت امواج مکانیکی مانند صوت هستند که بسامد آنها بیش از ۲۰ هزار هرتز اعلام شده است. تولید این امواج  با استفاده از نوسانگر پتروالکتریک یا نوسانگر مغناطیسی امکان پذیر است. خاصیت پیزوالکتریک نیز در اینجا نیاز به بحث دارد. منظور از این خاصیت ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی در دو طرف یک بلور است البته هنگامی که آن بلور تحت فشار یا کشش قرار داشته باشد.

در اینجا انبساط و انقباض این بلور هنگامی که تحت تاثیر یک میدان الکتریکی واقع شود نیز مد نظر است. پدیده پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ بود که به وسیله پیرکوری کشف شد. از این پدیده علاوه بر تولید امواج فراصوتی، در میکروفن‌های کریستالی و فندک نیز استفاده می‌شود.

امواج فراصوتی داری انرژی بسیار زیادی هستند. دما و انرژی بالای این امواج می‌تواند سبب بالا رفتن دمای بافت‌های بدن انسان، سوختگی و تخریب سلول‌ها شود. از این امواج در دریانوردی، صنعت و پزشکی نیز استفاده می‌شود. در پزشکی نیز به منظور تشخیص، درمان و تحقیقات این امواج مورد استفاده قرار می‌گیرند.

وسایل الکتروپزشکی

بعضی از وسایل‌هایی که برای تشخیص بیماری‌ها، استفاده می‌شوند، دستگاه‌هایی هستند که براساس قانون‌های مربوط به الکتریسیته و الکترونیک ساخته شده و به کار گرفته می‌شوند. به عنوان مثال دستگاه‌هایی چون الکتروکاردیوگراف، الکتروبیوگراف و الکترو آسفالوگراف از این نوع هستند. از طریق این دستگاه‌ها نمودارهایی می‌توان رسم نمود که با استفاده از آنها سلامت یا بیماری قابل تشخیص است.

بعضی از این دستگاه‌ها نیز خود دارای نوسان نگار هستند، که در این حالت می‌توان نمودارها را مستقیماً بر روی یک صفحه تلویزیون مشاهده کرد. نمونه‌ای از این دستگاه کاردیوسکوپ است که معمولاً در اتاق بیماران قرار داده می‌شود و از طریق آن منحنی ضربان قلب بیمار قابل مشاهده است.

تهیه طرح‌های سه بعدی از بدن با استفاده از اسکن

در سال‌های 1360 تا 1370 بود که به منظور تشخیص بیماری‌ها چهار روش جدید ابداع گردید. روش اول گرمانگاری بود که در سال ۱۹۶۲ عرضه شد. در این حالت  از خاصیت انتشار امواج گرمایی استفاده می‌شود و اختلاف دمای مربوط به قسمتی از بدن به صورت تصویری و رنگی تهیه می‌شود.

روش دوم توموگرافی است. در این روش پرتوهای ایکس می‌توانند از بافت‌های نرم عبور کنند. البته میزان جذب یا قدرت عبور آنها به غلظت بافت نیز بستگی دارد. اگر پرتو ایکس در مسیر عبور خود از یک غده بگذرد، میزان جذب آن نسبت به وضعیتی که غده وجود نداشته باشد، متفاوت است. در این حالت امکان پردازش تصویری که گرفته شده است با کمک کامپیوتر وجود دارد و همچنین می‌توان اطلاعات دقیق مربوط به ساختمان بدن و وجود غده را مشخص نمود.

روش سومی که مورد بحث قرار می‌گیرد، هولوگرافی است. دنیس گابور فیزیکدان، نوع جدیدی از عکاسی را در سال ۱۹۴۷ ابداع کرد. هولوگرافی براساس خواص امواج متکی است و تصویری که در این حالت از ریزشیء گرفته می‌شود، سه بعدی است. برای تهیه عکس سه بعدی معمولاً از پرتوهای لیزر استفاده می‌گردد.

دستگاه تشدید مغناطیسی ابداع چهارم است. در این روش هسته‌ی اتم‌های خاصی در صورت قرار گرفتن در میدان مغناطیسی امواجی از خود تابش می‌کنند که قابل ردیابی است. این پدیده در سال ۱۹۴۰ شناخته شد و کاربرد آن در پزشکی برای نخستین بار در سوئد توسط اریش 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.

.