Основы классической механики

Механика – раздел физики, изучающий законы механического движения тел.

Тело – вещественный материальный объект.

Механическое движение – изменение положения тела или его частей в пространстве с течением времени.

Аристотель представлял такой вид движения как непосредственную перемену телом своего места относительно других тел, поскольку в его физике материальный мир был неразрывно связан с пространством, существовал вместе с ним. Время он считал мерой движения тела. Изменение в дальнейшем взглядов на природу движения привело к постепенному отделению пространства и времени от физических тел. Наконец, абсолютизация пространства и времени Ньютоном вообще вывела их за пределы возможного опыта.

Однако, этот подход позволил к концу XVIII века построить законченную систему механики, называемую теперь классической . Классичность заключается в том, что она:

1) описывает большинство механических явлений в макромире, используя небольшое число исходных определений и аксиом;

2) строго обоснована математически;

3) часто используется в более специфических разделах науки.

Опыт показывает, что классическая механика применима к описанию движения тел со скоростями υ << с ≈ 3·10 8 м/с. Ее основные разделы:

1) статика изучает условия равновесия тел;

2) кинематика – движение тел без учета его причин;

3) динамика – влияние взаимодействия тел на их движение.

Основные понятия механики:

1) Механическая система – мысленно выделенная совокупность тел, существенных в данной задаче.

2) Материальная точка – тело, формой и размерами которого можно пренебречь в рамках данной задачи. Тело может быть представлено в виде системы материальных точек.

3) Абсолютно твердое тело – тело, расстояние между любыми двумя точками которого не меняется в условиях данной задачи.

4) Относительность движения заключается в том, что изменение положения тела в пространстве может быть установлено только по отношению к каким-то другим телам.

5) Тело отсчета (ТО) – абсолютно твердое тело, относительно которого рассматривается движение в данной задаче.

6) Система отсчета (СО) = {ТО + СК + часы}. Начало системы координат (СК) совмещают с какой-нибудь точкой ТО. Часы измеряют промежутки времени.

Декартова СК:

Рисунок 5

Положение материальной точки М описывается радиусом-вектором точки , – ее проекции на оси координат.

Если задать начальный момент времени t 0 = 0, то движение точки М опишется вектор-функцией или тремя скалярными функциями x (t ), y (t ), z (t ).

Линейные характеристики движения материальной точки:

1) траектория – линия движения материальной точки (геометрическая кривая),

2) путь (S ) – расстояние, пройденное вдоль нее за промежуток времени ,

3) перемещение ,

4) скорость ,

5) ускорение .

Любое движение твердого тела можно свести к двум основным видам – поступательному и вращательному вокруг неподвижной оси.

Поступательное движение – такое, при котором прямая, соединяющая любые две точки тела, остается параллельной своему первоначальному положению. Тогда все точки движутся одинаково, и движение всего тела можно описать движением одной точки .

Вращение вокруг неподвижной оси – такое движение, при котором существует прямая, жестко связанная с телом, все точки которой остаются неподвижными в данной СО. Траектории остальных точек – окружности с центрами на этой прямой. В этом случае удобны угловые характеристики движения, которые одинаковы для всех точек тела.

Угловые характеристики движения материальной точки:

1) угол поворота (угловой путь) , измеряемый в радианах [рад], где r – радиус траектории точки,

2) угловое перемещение , модуль которого представляет собой угол поворота за малый промежуток времени dt ,

3) угловая скорость ,

4) угловое ускорение .

Рисунок 6

Связь между угловыми и линейными характеристиками:

Динамика использует понятие силы , измеряемой в ньютонах (H), как меры воздействия одного тела на другое. Это воздействие является причиной движения.

Принцип суперпозиции сил – результирующий эффект воздействия на тело нескольких тел равен сумме эффектов воздействий каждого из этих тел в отдельности. Величина называется равнодействующей силой и характеризует эквивалентное воздействие на тело n тел.

Законы Ньютона обобщают опытные факты механики.

1-й закон Ньютона . Существуют системы отсчета, относительно которых материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии силового воздействия на нее, т.е. если , то .

Такое движение называется движением по инерции или инерциальным движением, и поэтому системы отсчета, в которых выполняется 1-й закон Ньютона, называются инерциальными (ИСО).

2-й закон Ньютона . , где – импульс материальной точки, m – ее масса, т.е. если , то и, следовательно, движение уже не будет инерциальным.

3-й закон Ньютона . При взаимодействии двух материальных точек возникают силы и , приложенные к обеим точкам, причем .

Механика - учение о равновесии и движении тел (или их частей) в пространстве и времени. Механическое движение представляет собой простейшую и вместе с тем (для человека) наиболее распространенную форму существования материи. Поэтому механика занимает исключительно важное место в естествознании и является основным подразделом физики. Она исторически возникла и сформировалась как наука раньше других подразделов естествознания.

Механика включает в себя статику, кинематику и динамику. В статике изучаются условия равновесия тел, в кинематике - движения тел с геометрической точки зрения, т.е. без учета действия сил, а в динамике - с учетом этих сил. Статику и кинематику часто рассматривают как введение в динамику, хотя и они имеют самостоятельное значение.

До сих пор под механикой мы подразумевали классическую механику, строительство которой было завершено к началу XX века. В рамках современной физики существуют еще две механики - квантовая и релятивистская. Но более подробно мы рассмотрим классическую механику.

Классическая механика рассматривает движение тел со скоростями много меньше скорости света. Согласно специальной теории относительности, для тел, перемещающихся с большими скоростями, близкими к скорости света, не существует абсолютного времени и абсолютного пространства. Отсюда характер взаимодействия тел становится сложнее, в частности, масса тела, оказывается, зависит от скорости его движения. Все это явилось предметом рассмотрения релятивистской механики, для которой константа скорости света играет фундаментальную роль.

Классическая механика базируется на следующих основных законах.

Принцип относительности Галилея

Согласно этому принципу существует бесконечно много систем отсчёта, в которых свободное тело покоится или движется с постоянной по модулю и направлению скоростью. Эти системы отсчёта называются инерциальными и движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Этот принцип можно также сформулировать как отсутствие абсолютных систем отсчёта, то есть систем отсчёта, каким-либо образом выделенных относительно других.

Основой классической механики являются три закона Ньютона.

• 1. Всякое материальное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние. Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью. Поэтому первый закон называют также законом инерции.
• 2. Ускорение, приобретаемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на тело, и обратно пропорционально массе тела.
• 3. Силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположны по направлению.

Второй закон Ньютона нам известен в виде

естествознание классический механика закон

F = m Ч a, или a = F/m,

где ускорение а, получаемое телом под действием силы F, обратно пропорционально массе тела m.

Первый закон можно получить из второго, так как в случае отсутствия воздействия на тело со стороны других сил ускорение также равно нулю. Однако первый закон рассматривается как самостоятельный закон, поскольку он утверждает существование инерциальных систем отсчета. В математической формулировке второй закон Ньютона чаще всего записывается в следующем виде:

где -- результирующий вектор сил, действующих на тело; -- вектор ускорения тела; m -- масса тела.

Третий закон Ньютона уточняет некоторые свойства введёного во втором законе понятия силы. Им постулируется наличие для каждой силы, действующей на первое тело со стороны второго, равной по величине и противоположной по направлению силы, действующей на второе тело со стороны первого. Наличие третьего закона Ньютона обеспечивает выполнение закона сохранения импульса для системы тел.

Закон сохранения импульса

Данный закон является следствием законов Ньютона для замкнутых систем, то есть систем, на которые не действуют внешние силы или действия внешних сил скомпенсированы и результирующая сила равна нулю. С более фундаментальной точки зрения существует взаимосвязь закона сохранения импульса и однородности пространства , выражаемая теоремой Нётер.

Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии является следствием законов Ньютона для замкнутых консервативных систем, то есть систем, в которых действует только консервативные силы. Энергия, отданная одним телом другому, всегда равна энергии, полученной другим телом. Для количественной оценки процесса обмена энергией между взаимодействующими телами в механике вводится понятие работы силы, вызывающей движение. Сила, вызывающая движение тела, совершает работу, а энергия движущегося тела возрастает на величину затраченной работы. Как известно, тело массой m, движущееся со скоростью v, обладает кинетической энергией

Потенциальная энергия - это механическая энергия системы тел, которые взаимодействуют посредством силовых полей, например посредством гравитационных сил. Работа, совершаемая этими силами, при перемещении тела из одного положения в другое не зависит от траектории движения, а зависит только от начального и конечного положения тела в силовом поле. Гравитационные силы являются консервативными силами, а потенциальная энергия тела массой m, поднятого на высоту h над поверхностью Земли, равна

Е пот = mgh,

где g - ускорение свободного падения.

Полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергии.

Класси́ческая меха́ника - вид механики (раздела физики , изучающего законы изменения положений тел в пространстве со временем и причины, это вызывающие), основанный на законах Ньютона и принципе относительности Галилея . Поэтому её часто называют «Ньютоновской механикой ».

Классическая механика подразделяется на:

• статику (которая рассматривает равновесие тел)
• кинематику (которая изучает геометрическое свойство движения без рассмотрения его причин)
• динамику (которая рассматривает движение тел).

Существует несколько эквивалентных способов формального математического описания классической механики:

• Лагранжев формализм
• Гамильтонов формализм

Классическая механика даёт очень точные результаты, если её применение ограничено телами, скорости которых много меньше скорости света , а размеры значительно превышают размеры атомов и молекул . Обобщением классической механики на тела, двигающиеся с произвольной скоростью, является релятивистская механика , а на тела, размеры которых сравнимы с атомными - квантовая механика . Квантовая теория поля рассматривает квантовые релятивистские эффекты.

Тем не менее, классическая механика сохраняет своё значение, поскольку:

1. она намного проще в понимании и использовании, чем остальные теории
2. в обширном диапазоне она достаточно хорошо описывает реальность.

Классическую механику можно использовать для описания движения таких объектов, как волчок и бейсбольный мяч, многих астрономических объектов (таких, как планеты и галактики), и иногда даже многих микроскопических объектов, таких как молекулы .

Классическая механика является самосогласованной теорией, то есть в её рамках не существует утверждений, противоречащих друг другу. Однако, её объединение с другими классическими теориями, например классической электродинамикой и термодинамикой приводит к появлению неразрешимых противоречий. В частности, классическая электродинамика предсказывает, что скорость света постоянна для всех наблюдателей, что несовместимо с классической механикой. В начале XX века это привело к необходимости создания специальной теории относительности . При рассмотрении совместно с термодинамикой, классическая механика приводит к парадоксу Гиббса , в котором невозможно точно определить величину энтропии , и к ультрафиолетовой катастрофе , в которой абсолютно чёрное тело должно излучать бесконечное количество энергии. Попытки разрешить эти проблемы привели к возникновению и развитию квантовой механики.

Основные понятия

Классическая механика оперирует несколькими основными понятиями и моделями. Среди них следует выделить:

Основные законы

Принцип относительности Галилея

Основным принципом, на котором базируется классическая механика является принцип относительности, сформулированный на основе эмпирических наблюдений Г. Галилеем . Согласно этому принципу существует бесконечно много систем отсчёта, в которых свободное тело покоится или движется с постоянной по модулю и направлению скоростью. Эти системы отсчёта называются инерциальными и движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Во всех инерциальных системах отсчёта свойства пространства и времени одинаковы, и все процессы в механических системах подчиняются одинаковым законам. Этот принцип можно также сформулировать как отсутствие абсолютных систем отсчёта, то есть систем отсчёта, каким-либо образом выделенных относительно других .

Законы Ньютона

Основой классической механики являются три закона Ньютона.

Второго закона Ньютона недостаточно для описания движения частицы. Дополнительно требуется описание силы , полученное из рассмотрения сущности физического взаимодействия, в котором участвует тело.

Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии является следствием законов Ньютона для замкнутых консервативных систем, то есть систем, в которых действует только консервативные силы . С более фундаментальной точки зрения существует взаимосвязь закона сохранения энергии и однородности времени , выражаемая теоремой Нётер .

За пределами применимости законов Ньютона

Классическая механика также включает в себя описания сложных движений протяжённых неточечных объектов. Законы Эйлера обеспечивают расширение законов Ньютона на эту область. Понятие угловой момент опирается на те же математические методы, используемые для описания одномерного движения.

Уравнения движение ракеты расширяют понятие скорости, когда импульса объекта меняется со временем, чтобы учесть такой эффект как потеря массы. Есть две важные альтернативные формулировки классической механики: механика Лагранжа и Гамильтонова механика. Эти и другие современные формулировки, как правило, обходят понятие «сила», и делают упор на другие физические величины, такие как энергия или действие, для описания механических систем.

Приведенные выше выражения для импульса и кинетической энергии действительны только при отсутствии значительного электромагнитного вклада. В электромагнетизме, второй закон Ньютона для провода с током нарушается, если не включает в себя вклад электромагнитного поля в импульс системы выраженный через вектор Пойнтинга поделённый на c 2 , где c - это скорость света в свободном пространстве.

История

Древнее время

Классическая механика зародилась в древности главным образом в связи с проблемами, которые возникали при строительстве . Первым из разделов механики, получившим развитие стала статика , основы которой были заложены в работах Архимеда в III веке до н. э. Им были сформулированы правило рычага, теорема о сложении параллельных сил , введено понятие центра тяжести , заложены основы гидростатики (сила Архимеда).

Средние века

Новое время

XVII век

XVIII век

XIX век

В XIX веке развитие аналитической механики происходит в работах Остроградского , Гамильтона , Якоби , Герца и др. В теории колебаний Раусом, Жуковским и Ляпуновым была разработана теория устойчивости механических систем. Кориолис разработал теорию относительного движения, доказав теорему о разложении ускорения на составляющие . Во второй половине XIX века происходит выделение кинематики в отдельный раздел механики.

Особенно значительны в XIX веке были успехи в области механики сплошной среды . Навье и Коши в общей форме сформулировали уравнения теории упругости . В работах Навье и Стокса были получены дифференциальные уравнения гидродинамики с учётом вязкости жидкости. Наряду с этим происходит углубление знаний в области гидродинамики идеальной жидкости: появляются работы Гельмгольца о вихрях, Кирхгофа , Жуковского и Рейнольдса о турбулентности, Прандтля о пограничных эффектах. Сен-Венан разработал математическую модель , описывающую пластические свойства металлов.

Новейшее время

В XX веке интерес исследователей переключается на нелинейные эффекты в области классической механики. Ляпунов и Анри Пуанкаре заложили основы теории нелинейных колебаний. Мещерский и Циолковский провели анализ динамики тел переменной массы. Из механики сплошной среды выделяется аэродинамика , основы которой разработаны Жуковским. В середине XX века активно развивается новое направление в классической механике - теория хаоса . Важными также остаются вопросы устойчивости сложных динамических систем.

Ограничения классической механики

Классическая механика дает точные результаты для систем, которые мы встречаем в повседневной жизни. Но её предсказания становятся некорректными для систем, скорость которых приближается к скорости света , где она заменяется релятивистской механикой или для очень малых систем, где действуют законы квантовой механики. Для систем, которые объединяют оба эти свойства, вместо классической механики применяется релятивистская квантовая теория поля. Для систем с очень большим количеством составляющих, или степеней свободы, классическая механика также не может быть адекватной, зато используются методы статистической механики.

Классическая механика является широко применяемой, потому что она, во-первых, гораздо проще и легче в применении, чем перечисленные выше теории, и, во-вторых, имеет большие возможности для аппроксимации и применения для очень широкого класса физических объектов, начиная с привычных, таких как волчок или мяч, до больших астрономических объектов (планеты, галактики) и совсем микроскопических (органические молекулы).

Хотя классическая механика является в целом совместимой с другими «классическими» теориями, такими как классическая электродинамика и термодинамика, имеются некоторые несоответствия между этими теориями, которые были найдены в конце 19 века. Они могут быть решены методами более современной физики. В частности, уравнения классической электродинамики неинвариантны относительно преобразований Галилея. Скорость света входит в них как константа, что означает, что классическая электродинамика и классическая механика могли бы быть совместимы только в одной избранной системе отсчета, связанной с эфиром. Однако, экспериментальная проверка не выявила существование эфира, что привело к созданию специальной теории относительности, в рамках которой были модифицированы уравнения механики. Принципы классической механики также несовместимы с некоторыми утверждениями классической термодинамики, что приводит к парадоксу Гиббса, согласно которому невозможно точно установить энтропию, и к ультрафиолетовой катастрофе, в которой абсолютно черное тело должно излучать бесконечное количество энергии. Для преодоления этих несовместимости была создана квантовая механика.

Примечания

Интернет-ссылки

• Видеолекция 1. Физика: Классическая механика (осень 1999) // Лекции Массачусетского технологического института: 8.01

Литература

• Арнольд В.И. Авец А. Эргодические проблемы классической механики.. - РХД, 1999. - 284 с.
• Б. М. Яворский, А. А. Детлаф. Физика для школьников старших классов и поступающих в вузы. - М .: Академия, 2008. - 720 с. - (Высшее образование). - 34 000 экз. - ISBN 5-7695-1040-4
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. - Издание 5-е, стереотипное. - М .: Физматлит , 2006. - Т. I. Механика. - 560 с. - ISBN 5-9221-0715-1
• А. Н. Матвеев. Механика и теория относительности . - 3-е изд. - М .: ОНИКС 21 век: Мир и Образование, 2003. - 432 с. - 5000 экз. - ISBN 5-329-00742-9
• Ч. Киттель, У. Найт, М. Рудерман Механика. Берклеевский курс физики. - М .: Лань, 2005. - 480 с. - (Учебники для вузов). - 2000 экз. - ISBN 5-8114-0644-4
• Ландау, Л. Д. , Лифшиц, Е. М. Механика. - Издание 5-е, стереотипное. - М .:

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Класси́ческая меха́ника - видмеханики(разделафизики, изучающего законы изменения положений тел в пространстве со временем и причины, это вызывающие), основанный назаконах Ньютонаипринципе относительности Галилея. Поэтому её часто называют «Ньютоновской механикой ».

Классическая механика подразделяется на:

статику(которая рассматривает равновесие тел)

кинематику(которая изучает геометрическое свойство движения без рассмотрения его причин)

динамику(которая рассматривает движение тел).

Классическая механика даёт очень точные результаты, если её применение ограничено телами, скоростикоторых много меньшескорости света, а размеры значительно превышают размерыатомовимолекул. Обобщением классической механики на тела, двигающиеся с произвольной скоростью, являетсярелятивистская механика, а на тела, размеры которых сравнимы с атомными -квантовая механика.Квантовая теория полярассматривает квантовые релятивистские эффекты.

Тем не менее, классическая механика сохраняет своё значение, поскольку:

она намного проще в понимании и использовании, чем остальные теории

в обширном диапазоне она достаточно хорошо описывает реальность.

Классическую механику можно использовать для описания движения таких объектов, как волчок и бейсбольный мяч, многих астрономических объектов (таких, как планетыигалактики), и иногда даже многих микроскопических объектов, таких какмолекулы.

Классическая механика является самосогласованной теорией, то есть в её рамках не существует утверждений, противоречащих друг другу. Однако, её объединение с другими классическими теориями, например классической электродинамикойитермодинамикойприводит к появлению неразрешимых противоречий. В частности, классическая электродинамика предсказывает, чтоскорость светапостоянна для всех наблюдателей, что несовместимо с классической механикой. В началеXX векаэто привело к необходимости созданияспециальной теории относительности. При рассмотрении совместно с термодинамикой, классическая механика приводит кпарадоксу Гиббса, в котором невозможно точно определить величинуэнтропии, и культрафиолетовой катастрофе, в которойабсолютно чёрное телодолжно излучать бесконечное количество энергии. Попытки разрешить эти проблемы привели к возникновению и развитию квантовой механики.

10 билет МЕХАНИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА.ТЕРМОДИНАМИКА

Термодина́мика (греч.θέρμη- «тепло»,δύναμις- «сила») - разделфизики, изучающий соотношения и превращениятеплотыи других формэнергии. В отдельные дисциплины выделилисьхимическая термодинамика, изучающаяфизико-химическиепревращения, связанные с выделением или поглощением тепла, а такжетеплотехника.

В термодинамике имеют дело не с отдельными молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называются термодинамическими системами. В термодинамике тепловые явления описываются макроскопическими величинами - давление, температура, объём, …, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

В теоретической физикенаряду с феноменологической термодинамикой, изучающейфеноменологиютепловых процессов, выделяют термодинамику статистическую, которая была создана для механического обоснования термодинамики и была одним из первых разделовстатистической физики.

Термодинамика может быть применена в широком круге вопросов в области науки и техники, таких, как двигатели, фазовые переходы,химические реакции, явления переноса, и дажечёрные дыры. Термодинамика имеет важное значение для других областей физики и химии, химической технологии, аэрокосмической техники,машиностроения,клеточной биологии,биомедицинской инженерии,материаловедения, и полезно в таких других областях, какэкономика [

11 билет ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Электродина́мика - разделфизики, изучающийэлектромагнитное полев наиболее общем случае (то есть, рассматриваются переменные поля, зависящие от времени) и его взаимодействие с телами, имеющимиэлектрический заряд(электромагнитное взаимодействие). Предмет электродинамики включает связь электрических и магнитных явлений,электромагнитное излучение(в разных условиях, как свободное, так и в разнообразных случаях взаимодействии с веществом),электрический ток(вообще говоря, переменный) и его взаимодействие с электромагнитным полем (электрический ток может быть рассмотрен при этом как совокупность движущихся заряженных частиц). Любое электрическое и магнитное взаимодействие между заряженными телами рассматривается в современной физике как осуществляющееся через посредство электромагнитного поля, и, следовательно, также является предметом электродинамики.

Чаще всего под термином электродинамика по умолчанию понимаетсяклассическая электродинамика, описывающая только непрерывные свойстваэлектромагнитного поляпосредством системыуравнений Максвелла; для обозначения современнойквантовой теорииэлектромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами обычно используется устойчивый терминквантовая электродинамика .

12 билет ПОНЯТИЕ СИММЕТРИИ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

Теоре́ма Эмми Нётер утверждает, что каждой непрерывнойсимметриифизической системы соответствует некоторыйзакон сохранения. Так,закон сохранения энергиисоответствует однородностивремени,закон сохранения импульса- однородностипространства,закон сохранения момента импульса-изотропиипространства,закон сохранения электрического заряда-калибровочной симметриии т. д.

Теорема обычно формулируется для систем, обладающих функционаломдействия, и выражает собойинвариантностьлагранжианапо отношению к некоторойнепрерывной группепреобразований.

Теорема установлена в работах учёных гёттингенскойшколыД. Гильберта,Ф. КлейнаиЭ. Нётер. В наиболее распространенной формулировке была доказана Эмми Нётер в1918 году.

Типы симметрий, встречающиеся в математике и в естественных науках:

двусторонняя симметрия- симметричность относительнозеркального отражения. (Билатеральная симметрия)

симметрия n-го порядка- симметричность относительноповоротовна угол 360°/n вокруг какой-либо оси. Описывается группой Z n .

аксиальная симметрия(радиальная симметрия,лучевая симметрия) - симметричность относительноповоротовна произвольный угол вокруг какой-либо оси. Описывается группойSO(2).

сферическая симметрия- симметричность относительновращенийв трёхмерном пространстве на произвольные углы. Описывается группой SO(3). Локальная сферическая симметрия пространства или среды называется такжеизотропией.

вращательная симметрия- обобщение предыдущих двух симметрий.

трансляционная симметрия- симметричность относительносдвигов пространствав каком-либо направлении на некоторое расстояние.

лоренц-инвариантность- симметричность относительно произвольных вращений впространстве-времениМинковского.

калибровочная инвариантность- независимость вида уравнений калибровочных теорий вквантовой теории поля(в частности,теорий Янга - Миллса) при калибровочных преобразованиях.

суперсимметрия- симметрия теории относительно заменыбозоновнафермионы.

высшая симметрия- симметрия в групповом анализе.

кайносимметрия- явлениеэлектронной конфигурации(термин введёнС. А. Щукаревым, открывшим его), которым обусловленавторичная периодичность(открытаЕ. В. Бироном).

13 билет СТО

Специальная теория относительности (СТО ; такжечастная теория относительности ) - теория, описывающая движение, законымеханикии пространственно-временные отношения при произвольныхскоростяхдвижения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких кскорости света. В рамках специальной теории относительностиклассическая механикаНьютонаявляется приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей называетсяобщей теорией относительности.

Описываемые специальной теорией относительности отклонения в протекании физических процессов от предсказаний классической механики называют релятивистскими эффектами , а скорости, при которых такие эффекты становятся существенными, -релятивистскими скоростями .

14 билет ОТО

О́бщая тео́рия относи́тельности (ОТО ;нем.allgemeine Relativitätstheorie ) -геометрическаятеориятяготения, развивающаяспециальную теорию относительности(СТО), опубликованнаяАльбертом Эйнштейномв1915-1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в другихметрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены несиловым взаимодействиемтел иполей, находящихся впространстве-времени, а деформацией самого́ пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрическихтеорий тяготенияиспользованиемуравнений Эйнштейнадля связикривизныпространства-времени с присутствующей в нёмматерией.

ОТО в настоящее время - самая успешнаятеория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальнойпрецессииперигелияМеркурия. Затем, в1919 году,Артур Эддингтонсообщил о наблюдении отклонения света вблизиСолнцав момент полногозатмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности . С тех пор многие другиенаблюдения и экспериментыподтвердили значительное количествопредсказаний теории, включаягравитационное замедление времени,гравитационное красное смещение,задержку сигнала в гравитационном полеи, пока лишь косвенно,гравитационное излучение . Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности - существованиячёрных дыр .

Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный, во-первых, с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории, а во-вторых, с тем, что сама теория указывает границы своей применимости, так как предсказывает появление неустранимых физических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообщесингулярностейпространства-времени. Для решения этих проблем был предложен рядальтернативных теорий, некоторые из которых также являютсяквантовыми. Современные экспериментальные данные, однако, указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют.

15 билет РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ.ЗАКОН ХАББЛА

Расширение Вселенной - явление, состоящее в почтиоднородномиизотропномрасширении космического пространства в масштабах всейВселенной. Экспериментально расширение Вселенной наблюдается в виде выполнениязакона Хаббла. Началом расширения Вселенной наука считает так называемыйБольшой взрыв. Теоретически явление было предсказано и обоснованоА. Фридманомна раннем этапе разработкиобщей теорией относительностииз общефилософскихсоображений об однородности иизотропности Вселенной.

Зако́н Ха́ббла (закон всеобщего разбегания галактик) -эмпирический закон, связывающийкрасное смещениегалактики расстояние до нихлинейным образом :

где z -красное смещениегалактики,D - расстояние до неё,H 0 - коэффициент пропорциональности, называемыйпостоянной Хаббла. При малом значенииz выполняется приближённое равенствоcz=V r , гдеV r - скорость галактики вдоль луча зрения наблюдателя,c -скорость света. В этом случае закон принимает классический вид:

Этот возраст является характерным временем расширения Вселеннойна данный момент и с точностью до множителя 2 соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому постандартной космологической модели Фридмана.

16 билет МОДЕЛЬ ФРИДМАНА.СИНГУЛЯРНОСТЬ

Вселе́нная Фри́дмана (метрика Фридмана - Леметра - Робертсона - Уокера ) - одна из космологических моделей, удовлетворяющих полевым уравнениямобщей теории относительности, первая из нестационарных моделей Вселенной. ПолученаАлександром Фридманомв1922. Модель Фридмана описывает однородную изотропнуюнестационарную Вселенную с веществом, обладающую положительной, нулевой или отрицательной постоянной кривизной. Эта работа учёного стала основным теоретическим развитием ОТО после работ Эйнштейна 1915-1917 гг.

гравитационная сингулярность - областьпространства-времени, через которую нельзя продолжитьгеодезическую линию. Часто в нейкривизнапространственно-временного континуума обращается вбесконечность, либометрикаобладает иными патологическими свойствами, не допускающими физической интерпретации (например,космологическая сингулярность - состояние Вселенной в начальный моментБольшого взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества);

17 билет ТЕОРИЯ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА.РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Рели́ктовое излуче́ние (иликосмическое микроволновое фоновое излучение отангл.cosmic microwave background radiation ) - космическоеэлектромагнитное излучениес высокой степеньюизотропностии соспектром, характерным дляабсолютно чёрного теластемпературой2,725К.

Существование реликтового излучения было предсказано теоретически в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказатьтемпературуреликтового излучения, остались неизменны. Считается, что реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существованияВселеннойи равномерно её заполняет. Экспериментально его существование было подтверждено в1965 году. Наряду скосмологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва

Большо́й взрыв (англ.Big Bang ) -космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной , а именно - началорасширения Вселенной, перед которымВселеннаянаходилась всингулярном состоянии.

Обычно сейчас автоматически сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной, но эти концепции независимы и исторически существовало также представление охолодной начальной Вселеннойвблизи Большого взрыва. Именно сочетание теории Большого взрыва с теорией горячей Вселенной, подкрепляемое существованиемреликтового излучения, и рассматривается далее.

18 билет КОСМИЧЕСКИЙ ВАКУУМ

Ва́куум (отлат.vacuum - пустота) - пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащуюгазпридавленияхзначительно нижеатмосферного. Вакуум характеризуется соотношением междудлиной свободного пробегамолекул газаλи характерным размером средыd . Подd может приниматься расстояние между стенкамивакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В зависимости от величины соотношенияλ/d различают низкий (), средний () и высокий () вакуум.

Следует различать понятия физического вакуума итехнического вакуума .

19 билет КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА

Ква́нтовая меха́ника - разделтеоретической физики, описывающий физические явления, в которыхдействиесравнимо по величине спостоянной Планка. Предсказания квантовой механики могут существенно отличаться от предсказанийклассической механики. Поскольку постоянная Планка является чрезвычайно малой величиной по сравнению с действием повседневных объектов, квантовые эффекты в основном проявляются только в микроскопических масштабах. Если физическое действие системы намного больше постоянной Планка, квантовая механика органически переходит в классическую механику. В свою очередь, квантовая механика является нерелятивистским приближением (то есть приближением малых энергий по сравнению сэнергией покоямассивных частиц системы)квантовой теории поля.

Классическая механика, хорошо описывающая системы макроскопических масштабов, не способна описать явления на уровне атомов, молекул, электроновифотонов. Квантовая механика адекватно описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул,конденсированных сред, и других систем с электронно-ядерным строением. Квантовая механика также способна описывать поведение электронов, фотонов, а также другихэлементарных частиц, однако более точное релятивистски инвариантное описание превращений элементарных частиц строится в рамках квантовой теории поля. Эксперименты подтверждают результаты, полученные с помощью квантовой механики.

Основными понятиями квантовой кинематики являются понятия наблюдаемойисостояния.

Основные уравнения квантовой динамики - уравнение Шрёдингера,уравнение фон Неймана,уравнение Линдблада,уравнение Гейзенбергаиуравнение Паули.

Уравнения квантовой механики тесно связаны со многими разделами математики, среди которых: теория операторов,теория вероятностей,функциональный анализ,операторные алгебры,теория групп.

Абсолютно чёрное тело - физическая идеализация, применяемая втермодинамике, тело, поглощающее всё падающее на негоэлектромагнитное излучениево всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметьцвет.Спектр излученияабсолютно чёрного тела определяется только еготемпературой.

Важность абсолютно чёрного тела в вопросе о спектре теплового излучения любых (серых и цветных) тел вообще, кроме того, что оно представляет собой наиболее простой нетривиальный случай, состоит ещё и в том, что вопрос о спектре равновесного теплового излучения тел любого цвета и коэффициента отражения сводится методами классической термодинамики к вопросу об излучении абсолютно чёрного (и исторически это было уже сделано к концу XIX века, когда проблема излучения абсолютно чёрного тела вышла на первый план).

Наиболее чёрные реальные вещества, например, сажа, поглощают до 99 % падающего излучения (то есть имеютальбедо, равное 0,01) в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже. Среди телСолнечной системысвойствами абсолютно чёрного тела в наибольшей степени обладаетСолнце.

Термин был введён Густавом Кирхгофомв1862 году.

20 билет ПРИНЦИПЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Все задачи современной физики можно разделить на две группы: задачи физики классической и задачи физики квантовой, Изучая свойства обычных макроскопических тел, почти не приходится встречаться с квантовыми задачами, потому что квантовые свойства становятся ощутимыми лишь в микромире. Поэтому физика XIX в., исследовавшая лишь макроскопические тела, совершенно не знала квантовых процессов. Это и есть физика классическая. Для классической физики характерно, что она не учитывает атомистическое строение вещества. Ныне же развитие экспериментальной техники столь широко раздвинуло границы нашего знакомства с природой, что мы теперь знаем, и притом весьма детально, строгние отдельных атомов и молекул. Современная физика изучает атомное строение вещества и, потому принципы старой классической физики XIX в. должны были измениться в соответствии с новыми фактами, причем измениться коренным образом. Это изменение принципов и есть переход к физике квантовой

21 билет КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ

Корпускуля́рно-волново́й дуали́зм -принцип, согласно которому любой объект может проявлять какволновые, так икорпускулярныесвойства. Был введён при разработкеквантовой механикидля интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. Дальнейшим развитием принципа корпускулярно-волнового дуализма стала концепцияквантованных полейвквантовой теории поля.

Как классический пример, светможно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойстваэлектромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явленияхдифракциииинтерференциипри масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, дажеодиночные фотоны, проходящие черездвойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемуюуравнениями Максвелла .

Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей, что наглядно показал эксперимент, проведённый французскими физиками Гранжье, Роже и Аспэ в 1986 году . Корпускулярные свойства света проявляются прифотоэффектеи вэффекте Комптона. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например,атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например,электрон).

В настоящий момент концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как служила только интерпретацией, способом описать поведение квантовых объектов, подбирая ему аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Методологически более корректной является формулировка квантовой теории через интегралы по траекториям(пропагаторная), свободная от использования классических понятий.

22 билет ПОНЯТИЕ О СТРОЕНИЕ АТОМА.МОДЕЛИ АТОМА

Модель атома Томсона (модель «Пудинг с изюмом»,англ.Plum pudding model ).Дж. Дж. Томсонпредложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри негоэлектронами. Была окончательно опровергнутаРезерфордомпосле проведённого им знаменитого опыта по рассеиваниюальфа-частиц.

Ранняя планетарная модель атома Нагаоки . В 1904 году японский физикХантаро Нагаокапредложил модель атома, построенную по аналогии с планетойСатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбитам вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалась ошибочной.

Планетарная модель атома Бора-Резерфорда . В 1911 году Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобиепланетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие склассической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении сцентростремительным ускорениемдолжен излучатьэлектромагнитные волны, а, следовательно, терятьэнергию. Расчёты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомовНильсу Борупришлось ввестипостулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданиюквантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.

А́том (отдр.-греч.ἄτομος- неделимый) - наименьшая химически неделимая частьхимического элемента, являющаяся носителем его свойств . Атом состоит изатомного ядраиэлектронов. Ядро атома состоит из положительнозаряженныхпротонови незаряженныхнейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называетсяионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов -изотопуэтого элемента.

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуютмолекулы.

23 билет ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Фундамента́льные взаимоде́йствия - качественно различающиеся типы взаимодействияэлементарных частици составленных из них тел.

На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий:

гравитационного

электромагнитного

сильного

слабого

При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия .

Ведутся поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока какого-либо другого типа фундаментального взаимодействия не обнаружено.

В физике механическая энергия делится на два вида - потенциальнуюикинетическую энергию. Причиной изменения движения тел (изменения кинетической энергии) является сила (потенциальная энергия) (см.второй закон Ньютона).Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество самых разнообразных сил:сила тяжести,сила натяжения нити,сила сжатия пружины,сила столкновения тел,сила трения,сила сопротивления воздуха,сила взрываи т. д. Однако когда была выясненаатомарнаяструктура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку основной видмежатомного взаимодействия-электромагнитное, то, как оказалось, большинство этих сил - лишь различные проявленияэлектромагнитного взаимодействия. Одно из исключений составляет, например, сила тяжести, причиной которой являетсягравитационное взаимодействиемежду телами, обладающимимассой.

24 билет ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ИХ СВОЙСТВА

Элемента́рная части́ца - собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части.

Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон,фотон,кваркии т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичныефундаментальные частицы . Другие элементарные частицы (так называемыесоставные частицы -протон,нейтрони т. д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно (см.Конфайнмент).

Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.

Основная статья: Кварки

Кварки и антикварки никогда не были обнаружены в свободном состоянии - это объясняется явлением конфайнмента. На основании симметрии между лептонами и кварками, проявляемой вэлектромагнитном взаимодействии, выдвигаются гипотезы о том, что эти частицы состоят из более фундаментальных частиц −преонов.

25 билет ПОНЯТИЕ БИФУРКАЦИИ.ТОЧКА БИФУРКАЦИИ

Бифуркация - это приобретение нового качества в движениях динамической системыпри малом изменении её параметров.

Центральным понятием теории бифуркации является понятие (не)грубой системы (см. ниже). Берётся какая-либо динамическая система и рассматривается такое (много)параметрическое семейство динамических систем, что исходная система получается в качестве частного случая - при каком-либо одном значении параметра (параметров). Если при значении параметров, достаточно близких к данному, сохраняется качественная картина разбиения фазового пространства на траектории, то такая система называется грубой . В противном случае, если такой окрестности не существует, то система называетсянегрубой .

Таким образом в пространстве параметров возникают области грубых систем, которые разделяются поверхностями, состоящими из негрубых систем. Теория бифуркаций изучает зависимость качественной картины при непрерывном изменении параметра вдоль некоторой кривой. Схема, по которой происходит изменение качественной картины называется бифуркационной диаграммой .

Основные методы теории бифуркаций - это методы теории возмущений. В частности, применяется метод малого параметра (Понтрягина).

Точка бифуркации - смена установившегося режима работы системы. Термин изнеравновесной термодинамикиисинергетики.

Точка бифуркации - критическое состояние системы, при котором система становится неустойчивой относительнофлуктуацийи возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности. Термин изтеории самоорганизации.

26 билет СИНЕРГЕТИКА – НАУКА ОБ ОТКРЫТЫХ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМАХ

Синерге́тика (отдр.-греч.συν-- приставка со значением совместности иἔργον- «деятельность») -междисциплинарноенаправление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принциповсамоорганизациисистем(состоящих изподсистем ). «…Наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы…» .

Синергетика изначально заявлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же (безотносительно природы систем), и для их описания должен быть пригоден общий математический аппарат.

С мировоззренческой точки зрения синергетику иногда позиционируют как «глобальный эволюционизм» или «универсальную теорию эволюции», дающую единую основу для описания механизмов возникновения любых новаций подобно тому, как некогдакибернетикаопределялась, как «универсальная теория управления», одинаково пригодная для описания любых операций регулирования и оптимизации: в природе, в технике, в обществе и т. п. и т. д. Однако время показало, что всеобщий кибернетический подход оправдал далеко не все возлагавшиеся на него надежды. Аналогично - и расширительное толкование применимости методов синергетики также подвергается критике .

Основное понятие синергетики - определение структурыкаксостояния , возникающего в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных структур или многофакторных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особыхрежимов с обострениеми наличия более одного устойчивого состояния. В обозначенных системах неприменимы нивторое начало термодинамики, нитеорема Пригожинао минимуме скорости производстваэнтропии, что может привести к образованию новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные.

Этот феноментрактуется синергетикой как всеобщий механизм повсеместно наблюдаемого в природе направленияэволюции: от элементарного и примитивного - к сложносоставному и более совершенному.

В отдельных случаях образование новых структур имеет регулярный, волновой характер и тогда они называются автоволновыми процессами (по аналогии с автоколебаниями).

27 билет ПОНЯТИЕ ЖИЗНЬ.ПРОБЛЕМА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

Жизнь - активная форма существованиясубстанции, в некотором смысле высшая по сравнению с её физической и химической формами существования ; совокупность физических и химических процессов, протекающих вклетке, позволяющих осуществлятьобмен веществиеё деление. Основной атрибут живой материи -генетическая информация, используемая длярепликации. Более или менее точно определить понятие «жизнь» можно только перечислением качеств, отличающих её от нежизни. Вне клетки жизнь не существует,вирусыпроявляют свойства живой материи только после переноса генетического материала в клетку [ источник не указан 268 дней ] . Приспосабливаясь к окружающей среде, живая клетка формирует всё многообразие живых организмов.

Также под словом «жизнь» понимают период существования отдельно взятого организма от момента возникновениядо егосмерти(онтогенез) .

В 1860 годупроблемой происхождения жизни занялся французский химикЛуи Пастер. Своими опытами он доказал, чтобактериивездесущи, и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. Учёный кипятил в воде различные среды, в которых могли бы образоваться микроорганизмы. При дополнительном кипячении микроорганизмы и их споры погибали. Пастер присоединил к S-образной трубке запаянную колбу со свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипячённая питательная среда оставалась стерильной, в ней не обнаруживалось зарождения жизни, несмотря на то, что доступ воздуха был обеспечен.

В результате ряда экспериментов Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения .

28 билет КОНЦЕПЦИЯ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ ОПАРИНА

ЛЕКЦИЯ 1

ВВЕДЕНИЕ В КЛАССИЧЕСКУЮ МЕХАНИКУ

Классическая механика изучает механическое движение макроскопических объектов, которые движутся со скоростями много меньше скорости света (=3 10 8 м/с). Под макроскопическими объектами понимаются объекты, размеры которых м. (справа стоит размер типичной молекулы).

Физические теории, изучающие системы тел, движение которых происходит со скоростями много меньшими скорости света, относятся к числу нерелятивистских теорий. Если скорости частиц системы сравнимы со скоростью света , то такие системы относятся к релятивистским системам, и они должны описываться на основе релятивистских теорий. Основой всех релятивистских теорий является специальная теория относительности (СТО). Если размеры изучаемых физических объектов малы м., то такие системы относятся к квантовым системам, и их теории принадлежат к числу квантовых теорий.

Таким образом, классическую механику следует рассматривать как нерелятивистскую неквантовую теорию движения частиц.

1.1 Системы отсчета и принципы инвариантности

Механическое движение – это изменение положения тела относительно других тел с течением времени в пространстве.

Пространство в классической механике считается трехмерным (для определения положения частицы в пространстве необходимо задать три координаты), подчиняющимся геометрии Евклида (в пространстве справедлива теорема Пифагора) и абсолютным. Время одномерно, однонаправлено (меняется от прошлого к будущему) и абсолютно. Абсолютность пространства и времени означает, что их свойства не зависят от распределения и движения материи. В классической механике принимается справедливым следующее утверждение: пространство и время не связаны друг с другом и могут рассматриваться независимо друг от друга.

Движение относительно и, следовательно, для его описания необходимо выбрать тело отсчета , т.е. тело относительно которого рассматривается движение. Поскольку движение происходит в пространстве и во времени, то для его описания следует выбрать ту или иную систему координат и часы (арифметизировать пространство и время). В силу трехмерности пространства каждой его точке сопоставляются три числа (координаты). Выбор той или иной системы координат обычно диктуется условием и симметрией поставленной задачи. В теоретических рассуждениях мы обычно будем использовать прямоугольную декартову систему координат (рис 1.1).

В классической механике для измерения промежутков времени, в силу абсолютности времени, достаточно наличия одних часов, помещенных в начале системы координат (подробно этот вопрос будет рассмотрен в теории относительности). Тело отсчета и, связанные с этим телом, часы и масштабы (система координат) образуют систему отсчета .

Введем понятие замкнутой физической системы. Замкнутой физической системой называется такая система материальных объектов, в которой все объекты системы взаимодействуют между собой, но не взаимодействуют с объектами, которые не входят в систему.

Как показывают эксперименты, по отношению к целому ряду систем отсчета оказываются справедливыми следующие принципы инвариантности.

Принцип инвариантности относительно пространственных сдвигов (пространство однородно): на протекание процессов внутри замкнутой физической системы не сказывается ее место положения относительно тела отсчета.

Принцип инвариантности относительно пространственных поворотов (пространство изотропно): на протекание процессов внутри замкнутой физической системы не сказывается ее ориентация относительно тела отсчета.

Принцип инвариантности относительно временных сдвигов (время однородно): на протекание процессов внутри замкнутой физической системы не сказывается время начала протекания процессов.

Принцип инвариантности относительно зеркальных отражений (пространство зеркально - симметрично): процессы, протекающие в замкнутых зеркально – симметричных физических системах, сами являются зеркально – симметричными.

Те системы отсчета по отношению, к которым пространство однородно, изотропно и зеркально – симметрично и время однородно называются инерциальными системами отсчета (ИСО).

Первый закон Ньютона утверждает, что ИСО существуют.

Существует не одна, а бесконечное множество ИСО. Та система отсчета, которая движется относительно ИСО прямолинейно и равномерно сама будет ИСО.

Принцип относительности утверждает, что на протекание процессов в замкнутой физической системе не сказывается ее прямолинейное равномерное движение относительно системы отсчета; законы, описывающие процессы, одинаковы в разных ИСО; сами процессы будут одинаковы, если одинаковы начальные условия.

1.2 Основные модели и разделы классической механики

В классической механике при описании реальных физических систем вводится ряд абстрактных понятий, которым отвечают реальные физические объекты. В число основных таких понятий входят: замкнутая физическая система, материальная точка (частица), абсолютно твердое тело, сплошная среда и ряд других.

Материальная точка (частица) – тело, размерами и внутренней структурой которого можно пренебречь при описании его движения. При этом каждая частица характеризуется своим определенным набором параметров – масса, электрический заряд. В модели материальной точки не рассматриваются структурные внутренние характеристики частиц: момент инерции, дипольный момент, собственный момент (спин) и др. Положение частицы в пространстве характеризуется тремя числами (координатами) или радиус-вектором (рис. 1.1).

Абсолютно твердое тело

Система материальных точек, расстояния между которыми не меняются в процессе их движения;

Тело, деформациями которого можно пренебречь.

Реальный физический процесс рассматривается как непрерывная последовательность элементарных событий.

Элементарное событие – это явление с нулевой пространственной протяженностью и нулевой длительностью (например, попадание пули в мишень). Событие характеризуется четырьмя числами – координатами; три пространственные координаты (или радиус – вектор) и одна временная координата: . Движение частицы при этом представляется как непрерывная последовательность следующих элементарных событий: прохождение частицы через данную точку пространства в данное время.

Закон движения частицы считается заданным, если известна зависимость радиус – вектора частицы (или трех ее координат) от времени:

В зависимости от вида изучаемых объектов классическую механику подразделяют на механику частицы и системы частиц, механику абсолютно твердого тела, механику сплошных сред (механика упругих тел, гидромеханика, аэромеханика).

По характеру решаемых задач классическую механику подразделяют на кинематику, динамику и статику. Кинематика изучает механическое движение частиц без учета причин, вызывающих изменение характера движения частиц (сил). Закон движения частиц системы считается заданным. По этому закону в кинематике определяются скорости, ускорения, траектории движения частиц системы. Динамика рассматривает механическое движение частиц с учетом причин, вызывающих изменение характера движения частиц. Силы, действующие между частицами системы и на частицы системы со стороны тел, не включенных в систему, считаются известными. Природа сил в классической механике не обсуждается. Статика может рассматриваться как частный случай динамики, где изучаются условия механического равновесия частиц системы.

По способу описания систем механика делится на ньютонову и аналитическую механику.

1.3 Преобразования координат событий

Рассмотрим, как преобразуются координаты событий при переходе от одной ИСО к другой.

1. Пространственный сдвиг. В данном случае преобразования выглядят так:

Где – вектор пространственного сдвига, который не зависит от номера события (индекс а).

2. Временной сдвиг:

Где – временной сдвиг.

3. Пространственный поворот:

Где – вектор бесконечно малого поворота (рис.1.2).

4. Временная инверсия (обращение времени):

5. Пространственная инверсия (отражение в точке):

6. Преобразования Галилея. Рассматриваем преобразования координат событий при переходе от одной ИСО к другой, которая движется относительно первой прямолинейно и равномерно со скоростью (рис.1.3):

Где второе соотношение постулируется (!) и выражает собой абсолютность времени.

Дифференцируя по времени правую и левую часть преобразования пространственных координат с учетом абсолютного характера времени, используя определение скорости , как производной от радиуса – вектора по времени, условие, что =const, получаем классический закон сложения скоростей

Здесь следует особо обратить внимание на то обстоятельство, что при выводе последнего соотношения необходимо принимать во внимание постулат об абсолютном характере времени.

Рис. 1.2 Рис. 1.3

Дифференцируя по времени еще раз, используя определение ускорения , как производной от скорости по времени, получим, что ускорение одинаково по отношению к разным ИСО (инвариантно относительно преобразований Галилея). Данное утверждение математически выражает собой принцип относительности в классической механике.

С математической точки зрения преобразования 1-6 образуют группу. Действительно, данная группа содержит в себе единичное преобразование – тождественное преобразование, отвечающее отсутствию перехода от одной системы к другой; для каждого из преобразований 1-6 существует обратное преобразование, которое переводит систему в исходное состояние. Операция умножения (композиции) вводится как последовательное применение соответствующих преобразований. Следует особо обратить внимание, что группа преобразований вращения не подчиняется коммутативному (перестановочному) закону, т.е. является неабелевой. Полную группу преобразований 1-6 называют галилеевой группой преобразований.

1.4 Векторы и скаляры

Вектором называется физическая величина, которая преобразуется как радиус-вектор частицы и характеризуется своим численным значением и направлением в пространстве. По отношению к операции пространственной инверсии векторы делятся на истинные (полярные) и псевдовекторы (аксиальные). При пространственной инверсии истинный вектор меняет свой знак, псевдовектор не изменяется.

Скаляры характеризуются только своим численным значением. По отношению к операции пространственной инверсии скаляры делятся на истинные и псевдоскаляры . При пространственной инверсии истинный скаляр не изменяется, псевдоскаляр меняет свой знак.

Примеры . Радиус-вектор, скорость, ускорение частицы являются истинными векторами. Векторы угла поворота, угловой скорости, углового ускорения – псевдовекторы. Векторное произведение двух истинных векторов – псевдовектор, векторное произведение истинного вектора на псевдовектор – истинный вектор. Скалярное произведение двух истинных векторов – истинный скаляр, истинного вектора на псевдовектор – псевдоскаляр.

Следует отметить, что в векторном или скалярном равенстве справа и слева должны стоять слагаемые одной природы по отношению к операции пространственной инверсии: истинные скаляры или псевдоскаляры, истинные векторы или псевдовекторы.