Φυσική & Τεχνολογία

Η ύλη του βιβλίου και η οργάνωσή της

Σε γενικές γραμμές, το βιβλίο αυτό καλύπτει ύλη Φυσικής, σε ευρύ φάσμα εννοιών και θεμάτων, που άπτονται των ενδιαφερόντων Μηχανικού, Μηχανολόγου ή Ηλεκτρολόγου. Συγκεκριμένα, τα θέματα και οι εφαρμογές που παρουσιάζονται και αναλύονται, σταχυολογούνται από τη Mηχανική, τον Hλεκτρισμό, τη Θερμότητα και τις Aνανεώσιμες Πηγές Eνέργειας (AΠE).
Αναλυτικότερα, στην εισαγωγή, γίνεται θεμελίωση του διεθνούς συστήματος μονάδων (SI) και παρέχεται μια αναλυτική παρουσίαση των πρότυπων μονάδων, με βάση τις αποφάσεις των σχετικών συνεδρίων. Ο σκοπός αυτής της ανάλυσης είναι η ανάδειξη της σημασίας της μέτρησης καθώς και της αναγκαιότητας καθορισμού των πρότυπων μονάδων των Φυσικών ποσοτήτων μέσα από συγκεκριμένες πειραματικές διαδικασίες.
Στο πρώτο κεφάλαιο δίδεται μια σύντομη, κυρίως εννοιολογική εισαγωγή, στο μαθηματικό λογισμό. Ο σκοπός αυτής της αναφοράς, είναι να δοθεί η φυσική διάσταση της μαθηματικής σκέψης, προκειμένου να περιοριστούν στο ελάχιστο δυνατόν, οι επιπτώσεις μιας πιθανής μηχανιστικής χρήσης των μαθηματικών κατά την παρουσίαση και επεξεργασία των θεμάτων στα κεφάλαια που ακολουθούν.
Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρονται περιληπτικά, έννοιες της κινηματικής, με σκοπό να εξυπηρετήσουν διδακτικές ανάγκες των επομένων κεφαλαίων.
Στο τρίτο κεφάλαιο, δίδεται ιδιαίτερη βαρύτητα στην ανάλυση των βασικών εννοιών της Φυσικής, όπως π.χ. όσα αφορούν σε δυνάμεις και πεδία, ενέργεια και διατήρησή της, μηχανικές και κύρια ηλεκτρικές ταλαντώσεις, φαινόμενα συντονισμού σε ηλεκτρικά κυκλώματα. Κρίθηκε σκόπιμο να δοθεί, μέσα από μια συνοπτική παρουσίαση, ως ειδικό θέμα συμπληρωματικής μελέτης, η αναφορά στα αποτελέσματα της δράσης του ηλεκτρικού πεδίου, στατικού ή εναλλασσομένου, με την ύλη. Εξετάζεται, επίσης, η δράση του μαγνητικού πεδίου σε κινούμενα φορτία, σε συνδυασμό με χρήσιμες εφαρμογές. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με παρουσίαση θεμάτων σχετικών με τη βαρύτητα.
Το τέταρτο κεφάλαιο αφορά στο έργο και την ενέργεια. Αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα κεφάλαια αυτού του βιβλίου. Θεμελιώνονται, προσεκτικά, οι έννοιες του έργου, της ενέργειας, της ισχύος, στιγμιαίας και μέσης Παρουσιάζονται, τα θεωρήματα που συσχετίζουν, αφ’ ενός, τη μεταβολή της κινητικής ενέργειας ενός σώματος με το σύνολο των έργων που παράγονται ή καταναλίσκονται κατά τη μεταβολή αυτή, αφ’ ετέρου το έργο των μη συντηρητικών δυνάμεων (τριβών) με τη μεταβολή της μηχανικής ενέργειας. Η ενεργειακή απόδοση μηχανών παρουσιάζεται γενικά και μέσω της έννοιας της θερμικής μηχανής και αντιδιαστέλλεται από το συντελεστή επίδοσης των ψυγείων και κλιματιστικών μηχανημάτων. Σε καθένα απ’ τα λυμένα παραδείγματα παρατίθεται η σκέψη επίλυσης, πολλά δε απ’ αυτά επελέγησαν με κύριο κριτήριο την τεχνολογική τους σημασία.
Στο πέμπτο κεφάλαιο, εξετάζεται ο απλός αρμονικός ταλαντωτής καθώς και η φθίνουσα και εξαναγκασμένη ταλάντωση και τα χαρακτηριστικά της. Αναλύεται η μεθοδολογία των περιστρεφομένων ανυσμάτων, η οποία αξιοποιείται στη μελέτη της σύνθεσης των ταλαντωτικών κινήσεων, ιδιαίτερα στα ηλεκτρικά κυκλώματα και γίνεται σύντομη αναφορά στην αντίστοιχη μεθοδολογία με τους μιγαδικούς αριθμούς.
Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται σύντομα αλλά με την δέουσα προσοχή στην ακρίβεια και τη σαφήνεια, θέματα που αφορούν στη στατική και στη δυναμική συμπεριφορά του στερεού σώματος, με αναφορά στην τεχνολογική εφαρμογής τους. Η εμπέδωση τους ολοκληρώνεται μέσα από χαρακτηριστικά παραδείγματα.
Στο κεφάλαιο της θερμότητας (Κεφάλαιο 7), δίδεται ιδιαίτερη προσοχή στη σαφή εισαγωγή και θεμελίωση των σχετικών εννοιών και στην παρουσίαση του ουσιαστικού νοήματος των θερμοδυναμικών νόμων. Συνάμα και πέραν των τυπικών παραδειγμάτων εμπέδωσής τους, δίδεται έμφαση σε θέματα γενικότερου αλλά και ειδικότερου ενδιαφέροντος, που σχετίζονται με τη διάδοση της ενέργειας με τη μορφή θερμότητας, όπως, θέματα θερμομόνωσης ή ψύξης χώρων και μηχανημάτων. Καταβλήθηκε ιδιαίτερη προσοχή στην παρουσίαση του θέματος αλληλεπίδρασης ύλης και ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, μέσα στα πλαίσια ενός εισαγωγικού βοηθήματος.
Στο τελευταίο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 8), γίνεται μια εξαιρετικά σύντομη παρουσίαση, του πολύ σημαντικού, για την εποχή μας, θέματος, της τεχνολογίας των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, με έμφαση στη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρισμό, με χρήση των φωτοβολταϊκών στοιχείων.
Μια προσεκτική και μεθοδευμένη, από μέρους του διδάσκοντα, επιλογή, των κατάλληλων σε κάθε περίπτωση, θεμάτων, μέσα από την εκτενή ύλη του συγγράμματος αυτού, σε συνδυασμό με τη δική του, καθοριστικής σημασίας, καθοδήγηση, θα βοηθήσει σημαντικά στην επιτυχία των στόχων του συγγράμματος.

Περιεχόμενα

Eισαγωγή

1o Κεφάλαιο: Στοιχεία Μαθηματικής Ανάλυσης

1. Διανύσματα
2. Παράγωγος συνάρτησης
3. Oλοκλήρωση συνάρτησης
4. Tοπικά ακρότατα
   Ασκήσεις

2o Κεφάλαιο: Κίνηση (Στοιχεία από την κινηματική του υλικού σημείου)

1. Oρισμοί
2. Γραμμικά μεγέθη κινηματικής
3. Γωνιακά μεγέθη
4. Παραδείγματα απλών κινήσεων
5. Γενική επίπεδη κίνηση υλικού σημείου
6. Kίνηση υλικού σημείου σε ομογενές πεδίο βαρύτητας
   Περίληψη ορισμών και σχέσεων του 2ου κεφαλαίου
   Ασκήσεις

3o Κεφάλαιο: Δυνάμεις και Πεδία

1. Γενικά περί δυνάμεων
2. Θεμελίωση της Μηχανικής από τον Νεύτωνα
3. Ισορροπία υλικού σημείου
4. Κεντρομόλος δύναμη. Μια ειδική συνθήκη
5. Αναλυτική παρουσίαση μερικών νόμων δυνάμεων
6. Πεδία
7. Παραδείγματα λύσης προβλημάτων δυναμικής υλικού σημείου
   Περίληψη ορισμών και σχέσεων του 3ου κεφαλαίου
   Ασκήσεις

4o Κεφάλαιο: Έργο – Ενέργεια

1. Έργο
2. Ειδικές περιπτώσεις υπολογισμού έργου
3. Ισχύς
4. Ενέργεια
5. Θεώρημα Μεταβολής Κινητικής Ενέργειας-Έργου (ΘΜΚΕ)
6. Διατήρηση της ενέργειας
7. Συντηρητικές και μη συντηρητικές δυνάμεις
8. Συντελεστές απόδοσης – επίδοσης
9. Λυμένα προβλήματα
   Περίληψη ορισμών και σχέσεων του 4ου κεφαλαίου
   Ασκήσεις

5o Κεφάλαιο: Ταλαντώσεις

1. Γενικά
2. Περιοδικό Φαινόμενο – Ορισμοί
3. Απλή αρμονική ταλάντωση
4. Διαφορική εξίσωση της α.α.τ.
5. Aναλυτική μελέτη χαρακτηριστικών αρμονικών ταλαντώσεων
6. Ταλαντώσεις με απόσβεση
7. Αναλυτική μελέτη των ταλαντώσεων παρουσία τριβής
8. Εφαρμογές
9. Σύνθεση ταλαντώσεων
10. Ανάλυση Fourier
    Περίληψη ορισμών και σχέσεων του 5ου κεφαλαίου
    Ασκήσεις

6o Κεφάλαιο: Στερεό σώμα

1. Γενικά
2. Κινηματική στερεού σώματος
3. Δυναμική στερεού σώματος
4. Κέντρο μάζας – Κέντρο βάρους
   Περίληψη ορισμών και σχέσεων του 6ου κεφαλαίου
5. Λυμένα προβλήματα
   Ασκήσεις

7o Κεφάλαιο: Θερμικά φαινόμενα

1. Θερμική κίνηση
2. Εσωτερική ενέργεια σώματος
3. Θερμική αλληλεπίδραση – θερμική ισορροπία
4. Θερμοδυναμική
5. Μηδενικό θερμοδυναμικό αξίωμα ή μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής
6. Θερμοκρασία
7. Έργο
8. Έργο και θερμότητα
9. Πρώτο θερμοδυναμικό αξίωμα
10. Δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα
11. Θερμότητα και εντροπία
12. Θερμικές μηχανές και 2ος νόμος θερμοδυναμικής
13. Θεώρημα Carnot
14. Κυκλικές μεταβολές στις θερμικές μηχανές
15. Στατιστική και εντροπία
16. Θερμική διαστολή
17. Ειδική θερμότητα – θερμοχωρητικότητα
18. Αλλαγές φάσης
19. Το τριπλό σημείο
20. Τρόποι διάδοσης της ενέργειας με τη μορφή θερμότητας
21. Νόμος του Νεύτωνα για το ρυθμό μετάβασης των σωμάτων στη θερμική ισορροπία με το περιβάλλον τους
22. Το φαινόμενο του θερμοκηπίου
    Περίληψη ορισμών και σχέσεων του 7ου κεφαλαίου
    Ασκήσεις

8o Κεφάλαιο: Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας

1. Οι πηγές ενέργειας
2. Η φωτοβολταϊκή ηλεκτρική ενέργεια

Σχόλια του συγγραφέα
Ο σκοπός της συγγραφής του βιβλίου αυτού είναι η δημιουργία ενός εκπαιδευτικού βοηθήματος, στο χώρο της Tριτοβάθμιας εκπαίδευσης, που να συνδυάζει, στα πλαίσια του εφικτού, την παρουσίαση των θεμελιωδών αρχών και νόμων της Φυσικής, με την εφαρμογή τους σε θέματα τεχνολογικού ενδιαφέροντος. Προηγήθηκε μια μακρά περίοδος διαμόρφωσης της ύλης και του κειμένου, με βάση την αμφίδρομη σχέση που αναπτύσσεται, συνήθως, μεταξύ διδάσκοντα και διδασκομένων. Πολύτιμη, υπήρξε η βοήθεια ήδη καταξιωμένων εκπαιδευτικών συγγραμμάτων, τα οποία αναφέρονται αναλυτικά, στον πίνακα βιβλιογραφίας του συγγράμματος.
Η μελέτη των φυσικών νόμων και εννοιών και η ανάπτυξη των επιμέρους θεμάτων επιλέχθηκε, συνειδητά, να γίνει μέσα από την εμπεριστατωμένη και κριτική αντιμετώπισή τους, αποφεύγοντας την επιγραμματική τους μόνο παράθεση. Η μεθοδολογία της συμπυκνωμένης παρουσίασης εννοιών, η οποία αποδεικνύεται πολύ εξυπηρετική σε σεμιναριακού τύπου διδασκαλία, εμπεριέχει τον κίνδυνο, ιδιαίτερα στο στάδιο της θεμελίωσης των εννοιών της Φυσικής, να οδηγήσει στην αδρανοποίηση της πνευματικής ανησυχίας των νέων και μάλιστα εκείνων που αναζητούν τη γνώση και δεν ικανοποιούνται με την υποβάθμισή της σε απλή πληροφορία. Η αναφορά στις έννοιες της Φυσικής με τη μορφή συνθηματικών προτάσεων και μόνο, εμφανίζεται πολλές φορές δελεαστική για τα δύο μέλη της εκπαιδευτικής διαδικασίας, διδάσκοντες και διδασκόμενους. Στους μεν, παρέχει την ευχέρεια άνετης και θελκτικής παρουσίασης ενός θέματος, στους δε, δίδει την ψευδαίσθηση ενός άμεσα αντιληπτού θετικού αποτελέσματος, το οποίο, όμως, αποδεικνύεται πρόσκαιρο και εξανεμίζεται μόλις η αναφορά στη γνώση γίνει ουσιαστική. Αντίθετα, η ισορροπημένη διδακτική παρουσίαση και η μεθοδική αναζήτηση της ουσίας των πραγμάτων, με αλληλεπίδραση με το ακροατήριο, ενισχύει την πνευματική ικανότητα του εκπαιδευόμενου, στρέφοντάς την στη δημιουργική και παραγωγική αξιοποίηση της γνώσης.