ĮVADAS

Fizika yra gamtos mokslas, tiriantis bendriausias savybes materialus pasaulis, bendriausios materijos judėjimo formos, kuriomis grindžiami visi gamtos reiškiniai. Fizika nustato dėsnius, kuriems šie reiškiniai paklūsta.

Fizika taip pat tiria materialių kūnų savybes ir struktūrą bei nurodo praktinio fizikinių dėsnių panaudojimo būdus technologijose.

Atsižvelgiant į materijos formų ir jos judėjimo įvairovę, fizika skirstoma į keletą skyrių: mechaniką, termodinamiką, elektrodinamiką, virpesių ir bangų fiziką, optiką, atomo, branduolio ir elementariųjų dalelių fiziką.

Fizikos ir kitų gamtos mokslų sankirtoje iškilo nauji mokslai: astrofizika, biofizika, geofizika, fizikinė chemija ir kt.

Fizika yra teorinis pagrindas technologija. Fizikos raida buvo pagrindas kuriant tokias naujas technologijų šakas kaip kosmoso technologija, branduolinė technologija, kvantinė elektronika ir kt. Savo ruožtu technikos mokslų plėtra prisideda prie visiškai naujų fizikinių tyrimų metodų kūrimo. nustatyti fizikos ir giminingų mokslų pažangą.

FIZINIAI KLASIKINĖS MECHANIKOS PAGRINDAI

aš. Mechanika. Bendrosios sąvokos

Mechanika – fizikos šaka, nagrinėjanti paprasčiausią materijos judėjimo formą – mechaninį judėjimą.

Mechaninis judėjimas suprantamas kaip tiriamo kūno padėties erdvėje pokytis laikui bėgant, palyginti su tam tikru tikslu arba kūnų sistema, įprastai laikoma nejudančiu. Tokia kūnų sistema kartu su laikrodžiu, kuriai galima pasirinkti bet kurį periodinį procesą, vadinama atskaitos sistema(S.O.). S.O. dažnai pasirenkami dėl patogumo.

Už matematinis aprašymas judėjimas su S.O. Jie susieja koordinačių sistemą, dažnai stačiakampę.

Paprasčiausias kūnas mechanikoje yra materialus taškas. Tai kūnas, kurio matmenys gali būti nepaisomi esamos problemos sąlygomis.

Bet koks kūnas, kurio matmenų negalima nepaisyti, yra laikomas materialių taškų sistema.

Mechanika skirstoma į kinematika, kuriame nagrinėjamas geometrinis judėjimo aprašymas, nenagrinėjant jo priežasčių, dinamika, kuri tiria kūnų judėjimo veikiant jėgoms dėsnius ir statiką, tiria kūnų pusiausvyros sąlygas.

2. Taško kinematika

Kinematika tiria kūnų judėjimą erdvėje ir laike. Jis veikia su tokiomis sąvokomis kaip poslinkis, kelias, laikas t, greitis, pagreitis.

Tiesė, kurią materialus taškas apibūdina jo judėjimo metu, vadinama trajektorija. Pagal judėjimo trajektorijų formą jos skirstomos į tiesiąsias ir kreivines. Vektorius , jungiantis pradinį I ir galutinius 2 taškus, vadinamas judėjimu (I.I pav.).

Kiekvienas laiko momentas t turi savo spindulio vektorių:

Taigi taško judėjimą galima apibūdinti vektorine funkcija.

kurią apibrėžiame vektorius judėjimo nurodymo būdas arba trys skaliarinės funkcijos

x= x(t); y= y(t); z= z(t) , (1.2)

kurios vadinamos kinematinėmis lygtimis. Jie nustato judėjimo užduotį koordinuoti būdu.

Taško judėjimas taip pat bus nustatytas, jei kiekvienam laiko momentui bus nustatyta taško padėtis trajektorijoje, t.y. priklausomybė

Tai lemia judėjimo užduotį natūralus būdu.

Kiekviena iš šių formulių reiškia įstatymas taško judėjimas.

3. Greitis

Jeigu laiko momentas t 1 atitinka spindulio vektorių ir , tai per intervalą kūnas gaus poslinkį . Šiuo atveju vidutinis greitist yra kiekis

kuri trajektorijos atžvilgiu reiškia sekantą, einantį per taškus I ir 2. Greitis momentu t vadinamas vektoriumi

Iš šio apibrėžimo išplaukia, kad greitis kiekviename trajektorijos taške yra nukreiptas į jį liestiniu būdu. Iš (1.5) matyti, kad greičio vektoriaus projekcijos ir dydis nustatomi pagal išraiškas:

Jei duotas judėjimo dėsnis (1.3), tada greičio vektoriaus dydis bus nustatytas taip:

Taigi, žinodami judėjimo dėsnį (I.I), (1.2), (1.3), galite apskaičiuoti greičio daktaro vektorių ir modulį ir, atvirkščiai, žinodami greitį pagal formules (1.6), (1.7), galite apskaičiuokite koordinates ir kelią.

4. Pagreitis

Savavališko judėjimo metu greičio vektorius nuolat kinta. Dydis, apibūdinantis greičio vektoriaus kitimo greitį, vadinamas pagreičiu.

Jei į. laiko momentas t 1 yra taško greitis, o esant t 2 - , tada greičio prieaugis bus (1.2 pav.). Šiuo atveju vidutinis pagreitis

ir momentinis

Projekcijos ir pagreičio moduliui turime: , (1.10)

Jei nustatyta natūralus būdas judesį, tada pagreitį galima nustatyti tokiu būdu. Greitis keičiasi pagal dydį ir kryptį, greičio prieaugis dalijamas į du dydžius; - nukreiptas išilgai (greičio padidėjimas dydžiu) ir - nukreiptas statmenai (greičio padidėjimas kryptimi), t.y. = + (I.З pav.). Iš (1.9) gauname:

Tangentinis (tangentinis) pagreitis apibūdina dydžio kitimo greitį (1,13)

normalus (centripetalinis pagreitis) apibūdina krypties kitimo greitį. Norėdami apskaičiuoti a n apsvarstyti

OMN ir MPQ esant nedideliam taško judėjimui išilgai trajektorijos. Iš šių trikampių panašumo randame PQ:MP=MN:OM:

Bendras pagreitis šiuo atveju nustatomas taip:

5. Pavyzdžiai

I. Vienodai kintamas tiesinis judėjimas. Tai judėjimas su pastoviu pagreičiu () . Iš (1.8) randame

arba kur v 0 - greitis laiku t 0 . Tikėdamas t 0 =0, randame , ir nuvažiuotą atstumą S iš (I.7) formulės:

Kur S 0 yra konstanta, nustatyta iš pradinių sąlygų.

2. Vienodas judėjimas aplink perimetrą. Šiuo atveju greitis keičiasi tik kryptimi, tai yra įcentrinis pagreitis.

I. Pagrindinės sąvokos

Kūnų judėjimas erdvėje yra jų mechaninės sąveikos vienas su kitu rezultatas, dėl kurio pasikeičia kūnų judėjimas arba jų deformacija. Kaip mechaninės sąveikos matas dinamikoje įvedamas dydis – jėga. Tam tikram kūnui jėga yra išorinis veiksnys, o judėjimo pobūdis priklauso nuo paties kūno savybės – lankstumo jį veikiančiai jėgai. išorinis poveikis arba kūno inercijos laipsnis. Kūno inercijos matas yra jo masė T, priklausomai nuo kūno medžiagų kiekio.

Taigi pagrindinės mechanikos sąvokos yra: judanti medžiaga, erdvė ir laikas kaip judančios materijos egzistavimo formos, masė kaip kūnų inercijos matas, jėga kaip mechaninės sąveikos tarp kūnų matas įstatymus! judesiai, kuriuos Niutonas suformulavo kaip eksperimentinių faktų apibendrinimą ir patikslinimą.

2. Mechanikos dėsniai

1-asis įstatymas. Kiekvienas kūnas išlaiko ramybės būseną arba tolygų tiesinį judėjimą tol, kol išoriniai poveikiai šios būsenos nekeičia. Pirmajame įstatyme yra inercijos dėsnis, taip pat jėgos, kaip priežasties, pažeidžiančios inercinę kūno būseną, apibrėžimas. Norėdami tai išreikšti matematiškai, Niutonas pristatė kūno impulso arba impulso sąvoką:

tada jei

2-asis įstatymas. Impulso pokytis yra proporcingas taikomai jėgai ir vyksta šios jėgos veikimo kryptimi. Matavimo vienetų pasirinkimas m ir kad proporcingumo koeficientas būtų lygus vienam, gauname

Jei judant m= konst , Tai

Šiuo atveju 2-asis dėsnis suformuluotas taip: jėga yra lygi kūno masės ir jo pagreičio sandaugai. Šis dėsnis yra pagrindinis dinamikos dėsnis ir leidžia mums rasti kūnų judėjimo dėsnį, pagrįstą nurodytomis jėgomis ir pradinėmis sąlygomis. 3 dėsnis. Jėgos, kuriomis du kūnai veikia vienas kitą, yra lygios ir nukreiptos priešingos pusės, t. y. (2.4)

Niutono dėsniai įgyja specifinę prasmę po to, kai nurodomos specifinės kūną veikiančios jėgos. Pavyzdžiui, dažnai mechanikoje kūnų judėjimą sukelia tokių jėgų veikimas: gravitacinė jėga, kur r atstumas tarp kūnų, yra gravitacinė konstanta; gravitacija - gravitacijos jėga šalia Žemės paviršiaus, P= mg; trinties jėga, kur k pagrindu klasikinis mechanika Niutono dėsniai meluoja. Kinematikos studijos...

Mechanika yra fizikos šaka, tirianti vieną iš paprasčiausių ir labiausiai bendrosios formos judėjimas gamtoje, vadinamas mechaniniu judėjimu.

Mechaninis judėjimas Tai reiškia, kad laikui bėgant keičiasi kūnų ar jų dalių padėtis viena kitos atžvilgiu. Taigi mechaninį judėjimą atlieka planetos, besisukančios uždaromis orbitomis aplink Saulę; skirtingi kūnai, juda išilgai Žemės paviršiaus; veikiami judančių elektronų elektromagnetinis laukas ir tt Mechaninis judėjimas yra kituose daugiau sudėtingos formos materija yra neatsiejama, bet ne baigtinė dalis.

Atsižvelgiant į tiriamų objektų pobūdį, mechanika skirstoma į mechaniką materialus taškas, mechanika kietas ir kontinuumo mechanika.

Mechanikos principus pirmasis suformulavo I. Niutonas (1687), remdamasis eksperimentiniu makrokūnų judėjimo mažais greičiais, palyginti su šviesos greičiu vakuume (3·10 8 m/s), tyrimu.

Makrokūnai vadinami paprastais mus supančiais kūnais, tai yra kūnais, susidedančiais iš daugybės molekulių ir atomų.

Mechanika, tirianti makrokūnų judėjimą daug mažesniu greičiu nei šviesos greitis vakuume, vadinama klasikine.

Pagrinde klasikinė mechanika Niutono idėjos apie erdvės ir laiko savybes meluoja.

Bet koks fizinis procesas teka erdvėje ir laike. Tai akivaizdu iš to, kad visose fizikinių reiškinių srityse kiekviename dėsnyje tiesiogiai arba netiesiogiai yra erdvės ir laiko dydžiai – atstumai ir laiko intervalai.

Erdvė, turinti tris matmenis, paklūsta Euklido geometrijai, tai yra, ji yra plokščia.

Atstumai matuojami skalėmis, kurių pagrindinė savybė yra ta, kad dvi svarstyklės, kurios vieną kartą sutampa ilgiu, visada išlieka lygios viena kitai, tai yra, jos sutampa su kiekvienu paskesniu persidengimu.

Laiko intervalai matuojami valandomis, o pastarųjų vaidmenį gali atlikti bet kuri pasikartojantį procesą atliekanti sistema.

Pagrindinis klasikinės mechanikos idėjų apie kūnų dydžius ir laiko intervalus bruožas yra jų absoliutumo: skalė visada yra vienodo ilgio, nesvarbu, kaip ji juda stebėtojo atžvilgiu; du vienodo greičio laikrodžiai, kurie yra suderinti vienas su kitu, rodo tą patį laiką, nepaisant to, kaip jie juda.

Erdvė ir laikas turi nepaprastų savybių simetrija, nustatant tam tikrų procesų juose atsiradimo apribojimus. Šios savybės buvo nustatytos eksperimentiškai ir iš pirmo žvilgsnio atrodo tokios akivaizdžios, kad atrodo, kad nereikia jų izoliuoti ir su jomis kovoti. Tuo tarpu, jei nebūtų erdvinės ir laiko simetrijos, ne fizinis mokslas negalėjo nei atsirasti, nei vystytis.

Pasirodo, ta erdvė vienalyčiai Ir izotropiškai ir laikas - vienalyčiai.

Erdvės homogeniškumas susideda iš to, kad tas pats fizikiniai reiškiniai tomis pačiomis sąlygomis atliekami taip pat įvairios dalys erdvė. Taigi visi erdvės taškai yra visiškai nesiskiriantys, vienodos teisės ir bet kuris iš jų gali būti laikomas koordinačių sistemos pradžia. Erdvės vienalytiškumas pasireiškia impulso tvermės dėsniu.

Erdvė taip pat turi izotropiją: tos pačios savybės visomis kryptimis. Erdvės izotropija pasireiškia kampinio momento išsaugojimo dėsniu.

Laiko homogeniškumas slypi tame, kad visi laiko momentai taip pat yra lygūs, lygiaverčiai, tai yra identiškų reiškinių atsiradimas tomis pačiomis sąlygomis yra vienodas, nepriklausomai nuo jų įgyvendinimo ir stebėjimo laiko.

Laiko vienodumas pasireiškia energijos tvermės dėsniu.

Be šių vienalytiškumo savybių, įrengtas Minske fizinis įstatymas būtų nesąžininga Maskvoje, o atidaryti šiandien toje pačioje vietoje gali būti nesąžininga rytoj.

Klasikinė mechanika pripažįsta Galilėjaus-Niutono inercijos dėsnio pagrįstumą, pagal kurį kūnas, nepavaldus kitų kūnų įtakai, juda tiesia linija ir tolygiai. Šis dėsnis teigia, kad egzistuoja inercinės atskaitos sistemos, kuriose tenkinami Niutono dėsniai (taip pat Galilėjaus reliatyvumo principas). Galilėjaus reliatyvumo principas teigia kad visos inercinės atskaitos sistemos yra mechaniškai lygiavertės viena kitai, visi mechanikos dėsniai šiose atskaitos sistemose yra vienodi, arba, kitaip tariant, yra nekintantys Galilėjaus transformacijose, išreiškiantys bet kokio įvykio erdvinį-laikinį ryšį skirtinguose inercinės sistemos atgalinis skaičiavimas. Galilėjaus transformacijos rodo, kad bet kurio įvykio koordinatės yra santykinės, tai yra, turi skirtingos reikšmės V skirtingos sistemos atgalinis skaičiavimas; laiko momentai, kai įvyko įvykis, skirtingose ​​sistemose yra vienodi. Pastarasis reiškia, kad laikas skirtingose ​​atskaitos sistemose teka vienodai. Ši aplinkybė atrodė tokia akivaizdi, kad net nebuvo nurodyta kaip specialus postulatas.

Klasikinėje mechanikoje laikomasi tolimojo veikimo principo: kūnų sąveikos sklinda akimirksniu, tai yra be galo dideliu greičiu.

Priklausomai nuo kūnų judėjimo greičio ir pačių kūnų matmenų, mechanika skirstoma į klasikinę, reliatyvistinę ir kvantinę.

Kaip jau minėta, įstatymai klasikinė mechanika taikomas tik makrokūnų, kurių masė yra daug, judėjimui daugiau masės atomo, su mažu greičiu, palyginti su šviesos greičiu vakuume.

Reliatyvistinė mechanika svarsto makrokūnų judėjimą greičiu, artimu šviesos greičiui vakuume.

Kvantinė mechanika- mikrodalelių, judančių daug mažesniu greičiu nei šviesos greitis vakuume, mechanika.

Reliatyvistinis kvantas mechanika – mikrodalelių, judančių greičiu, artėjančiu prie šviesos greičio vakuume, mechanika.

Nustatyti, ar dalelė priklauso makroskopinėms, ar klasikinės formulės, reikia naudoti Heisenbergo neapibrėžtumo principas. Pagal kvantinė mechanika tikrosios dalelės gali būti apibūdinamos naudojant padėtį ir impulsą tik tam tikru tikslumu. Šio tikslumo riba nustatoma taip

Kur
ΔX – koordinačių neapibrėžtis;
ΔP x - projekcijos į impulso ašį neapibrėžtis;
h yra Planko konstanta, lygi 1,05·10 -34 J·s;
"≥" - didesnė už vertę, apie...

Pakeitę impulsą masės ir greičio sandauga, galime rašyti

Iš formulės aišku, kad kuo mažesnė dalelės masė, tuo mažiau tikri jos koordinatės ir greitis. Praktinis pritaikomumas makroskopiniams kūnams klasikinis būdas judėjimo aprašymas nekelia abejonių. Tarkime, pavyzdžiui, kad mes kalbame apie apie 1 g masės rutulio judėjimą Paprastai rutulio padėtį galima praktiškai nustatyti dešimtosios ar šimtosios milimetro dalies tikslumu. Bet kuriuo atveju vargu ar prasminga kalbėti apie klaidą nustatant mažesnio už atomo dydį rutulio padėtį. Todėl iš neapibrėžtumo santykio randame ΔX=10 -10 m

Vienu metu esantis ΔX ir ΔV x reikšmių mažumas yra klasikinio makrokūnų judėjimo apibūdinimo metodo praktinio pritaikymo įrodymas.

Panagrinėkime elektrono judėjimą vandenilio atome. Elektrono masė 9,1·10 -31 kg. Elektrono padėties paklaida ΔX bet kokiu atveju neturėtų viršyti atomo dydžio, tai yra ΔX<10 -10 м. Но тогда из соотношения неопределенностей получаем

Ši reikšmė yra net didesnė už elektrono greitį atome, kuris yra lygus 10 6 m/s. Šioje situacijoje klasikinis judėjimo paveikslas praranda bet kokią prasmę.

Mechanika skirstoma į kinematika, statika ir dinamika. Kinematika aprašo kūnų judėjimą nesidomėdamas priežastimis, kurios nulėmė šį judėjimą; statika atsižvelgia į kūnų pusiausvyros sąlygas; dinamika tiria kūnų judėjimą, susijusį su tomis priežastimis (kūnų sąveika), kurios lemia tą ar kitą judėjimo pobūdį.

Tikrieji kūnų judesiai yra tokie sudėtingi, kad juos tiriant reikia abstrahuotis nuo nagrinėjamam judesiui nesvarbių detalių (kitaip problema taip komplikuotųsi, kad jos išspręsti praktiškai būtų neįmanoma). Tam naudojamos sąvokos (abstrakcijos, idealizavimas), kurių pritaikomumas priklauso nuo mus dominančios problemos specifinio pobūdžio, taip pat nuo to, kokiu tikslumu norime gauti rezultatą. Tarp šių sąvokų svarbus vaidmuo tenka sąvokoms materialus taškas, materialių taškų sistema, absoliučiai standus kūnas.

Materialus taškas yra fizinė sąvoka, kurios pagalba aprašomas kūno transliacinis judėjimas, jei tik jo linijiniai matmenys yra maži, palyginti su kitų kūnų linijiniais matmenimis nurodytu kūno koordinačių nustatymo tikslumu, ir jam priskiriama kūno masė.

Gamtoje materialūs taškai neegzistuoja. Vienas ir tas pats kūnas, priklausomai nuo sąlygų, gali būti laikomas materialiu tašku arba baigtinių matmenų kūnu. Taigi Žemė, judanti aplink Saulę, gali būti laikoma materialiu tašku. Tačiau tiriant Žemės sukimąsi aplink savo ašį, jis nebegali būti laikomas materialiu tašku, nes šio judėjimo pobūdžiui didelę įtaką daro Žemės forma ir dydis bei kelias, kurį kerta bet kuris žemės taškas. Paviršius per laiką, lygus jo apsisukimo aplink savo ašį periodui, yra panašus į Žemės rutulio linijinius matmenis. Lėktuvas gali būti laikomas materialiu tašku, jei tiriame jo masės centro judėjimą. Bet jei reikia atsižvelgti į aplinkos įtaką ar nustatyti jėgas atskirose orlaivio dalyse, tuomet turime laikyti orlaivį absoliučiai standžiu korpusu.

Absoliučiai standus kūnas yra kūnas, kurio deformacijos tam tikros problemos sąlygomis gali būti nepaisomos.

Materialių taškų sistema yra nagrinėjamų kūnų, atstovaujančių materialius taškus, rinkinys.

Savavališkos kūnų sistemos judėjimo tyrimas yra susijęs su sąveikaujančių materialių taškų sistemos tyrimu. Todėl natūralu pradėti klasikinės mechanikos studijas nuo vieno materialaus taško mechanikos, o tada pereiti prie materialių taškų sistemos tyrimo.

Tai fizikos šaka, tirianti judėjimą remiantis Niutono dėsniais. Klasikinė mechanika skirstoma į:
Pagrindinės klasikinės mechanikos sąvokos yra jėgos, masės ir judėjimo sąvokos. Masė klasikinėje mechanikoje apibrėžiama kaip inercijos matas arba kūno gebėjimas išlaikyti ramybės būseną arba tolygų tiesinį judėjimą, kai nėra jį veikiančių jėgų. Kita vertus, kūną veikiančios jėgos keičia jo judėjimo būseną, sukeldamos pagreitį. Šių dviejų efektų sąveika yra pagrindinė Niutono mechanikos tema.
Kitos svarbios šios fizikos šakos sąvokos yra energija, impulsas ir kampinis momentas, kurie sąveikos metu gali būti perduodami tarp objektų. Mechaninės sistemos energija susideda iš jos kinetinės (judesio energijos) ir potencialinės (priklausomai nuo kūno padėties kitų kūnų atžvilgiu) energijos. Šiems fizikiniams dydžiams taikomi pagrindiniai gamtosaugos dėsniai.
Klasikinės mechanikos pagrindus padėjo Galilėjus, taip pat Kopernikas ir Kepleris, tyrinėdami dangaus kūnų judėjimo dėsnius, o ilgą laiką mechanika ir fizika buvo nagrinėjami astronominių įvykių kontekste.
Savo darbuose Kopernikas pažymėjo, kad dangaus kūnų judėjimo modelių skaičiavimas gali būti žymiai supaprastintas, jei nutolsime nuo Aristotelio nustatytų principų ir tokių skaičiavimų atskaitos tašku laikysime Saulę, o ne Žemę. t.y. pereiti nuo geocentrinių prie heliocentrinių sistemų.
Heliocentrinės sistemos idėjas Kepleris dar labiau įformino trimis dangaus kūnų judėjimo dėsniais. Visų pirma iš antrojo dėsnio išplaukė, kad visos Saulės sistemos planetos juda elipsinėmis orbitomis, kurių vienas iš židinių yra Saulė.
Kitas svarbus indėlis į klasikinės mechanikos pagrindą buvo Galilėjus, kuris, tyrinėdamas pagrindinius mechaninio kūnų judėjimo dėsnius, ypač veikiant gravitacijai, suformulavo penkis universalius judėjimo dėsnius.
Tačiau vis dėlto pagrindinio klasikinės mechanikos įkūrėjo laurai priklauso Isaacui Newtonui, kuris savo darbe „Matematiniai gamtos filosofijos principai“ atliko tų mechaninio judėjimo fizikos sąvokų, kurias suformulavo jo pirmtakai, sintezę. Niutonas suformulavo tris pagrindinius judėjimo dėsnius, kurie buvo pavadinti jo vardu, taip pat visuotinės gravitacijos dėsnį, kuris nubrėžė Galilėjaus laisvai krintančių kūnų reiškinio studijas. Taip buvo sukurtas naujas pagrindinių jo dėsnių pasaulio vaizdas, pakeisiantis pasenusį aristoteliškąjį.
Klasikinė mechanika suteikia tikslius rezultatus sistemoms, su kuriomis susiduriame kasdieniame gyvenime. Tačiau jie tampa neteisingi sistemoms, kurių greitis artėja prie šviesos greičio, kur jį pakeičia reliatyvistinė mechanika, arba labai mažoms sistemoms, kuriose galioja kvantinės mechanikos dėsniai. Sistemoms, kurios sujungia abi šias savybes, vietoj klasikinės mechanikos abi charakteristikos apibūdinamos kvantinio lauko teorija. Sistemoms, turinčioms labai daug komponentų arba laisvės laipsnių, gali tikti ir klasikinė mechanika, tačiau naudojami statistinės mechanikos metodai.
Klasikinė mechanika išsaugoma, nes, pirma, ją daug lengviau naudoti nei kitas teorijas, ir, antra, ji turi puikias aproksimavimo ir pritaikymo galimybes labai plačiai fizinių objektų klasei, pradedant nuo įprastų, pavyzdžiui, viršaus ar rutulys, daug astronominių objektų (planetų, galaktikų) ir labai mikroskopinių).
Nors klasikinė mechanika iš esmės suderinama su kitomis klasikinėmis teorijomis, tokiomis kaip klasikinė elektrodinamika ir termodinamika, tarp šių teorijų, kurios buvo atrastos XIX amžiaus pabaigoje, yra tam tikrų neatitikimų. Jas galima išspręsti modernesnės fizikos metodais. Visų pirma, klasikinė elektrodinamika numato, kad šviesos greitis yra pastovus, o tai nesuderinama su klasikine mechanika ir paskatino specialiosios reliatyvumo teorijos sukūrimą. Klasikinės mechanikos principai nagrinėjami kartu su klasikinės termodinamikos teiginiais, vedančiais prie Gibso paradokso, pagal kurį neįmanoma tiksliai nustatyti entropijos vertės, ir prie ultravioletinės katastrofos, kai juodas kūnas turi spinduliuoti begalinis energijos kiekis. Kvantinė mechanika buvo sukurta siekiant įveikti šiuos neatitikimus.
Objektai, kuriuos tiria mechanika, vadinami mechaninėmis sistemomis. Mechanikos uždavinys – ištirti mechaninių sistemų savybes, ypač jų raidą laikui bėgant.
Pagrindinis klasikinės mechanikos matematinis aparatas yra diferencialinis ir integralinis skaičiavimas, specialiai tam sukurtas Niutono ir Leibnizo. Pagal savo klasikinę formuluotę mechanika remiasi trimis Niutono dėsniais.
Toliau pateikiamos pagrindinės klasikinės mechanikos sąvokos. Paprastumo dėlei nagrinėsime tik materialųjį objekto tašką, kurio matmenų galima nepaisyti. Materialaus taško judėjimui būdingi keli parametrai: padėtis, masė ir jam taikomos jėgos.
Tiesą sakant, kiekvieno objekto, su kuriuo susiduria klasikinė mechanika, matmenys yra nuliniai. Materialūs taškai, tokie kaip elektronas, paklūsta kvantinės mechanikos dėsniams. Ne nulinio dydžio objektai gali patirti sudėtingesnius judesius, nes gali keistis jų vidinė būsena, pavyzdžiui, rutulys taip pat gali suktis. Tačiau tokių kūnų rezultatai gaunami materialiems taškams, laikant juos daugelio sąveikaujančių materialių taškų visuma. Tokie sudėtingi kūnai elgiasi kaip materialūs taškai, jei jie yra maži nagrinėjamos problemos mastu.
Spindulio vektorius ir jo dariniai
Materialaus taškinio objekto padėtis nustatoma fiksuoto erdvės taško, vadinamo pradžia, atžvilgiu. Jis gali būti nurodytas šio taško koordinatėmis (pavyzdžiui, stačiakampėje koordinačių sistemoje) arba spindulio vektoriumi r, nubrėžtas nuo pradžios iki šio taško. Iš tikrųjų materialus taškas laikui bėgant gali judėti, todėl spindulio vektorius paprastai yra laiko funkcija. Klasikinėje mechanikoje, priešingai nei reliatyvistinėje mechanikoje, manoma, kad laiko tėkmė visose atskaitos sistemose yra vienoda.
Trajektorija
Trajektorija – tai bendru atveju judančio materialaus taško padėčių visuma, kurios tipas priklauso nuo taško judėjimo pobūdžio ir pasirinktos atskaitos sistemos.
Judėjimas
Poslinkis yra vektorius, jungiantis pradinę ir galutinę materialaus taško padėtis.
Greitis
Greitis arba judėjimo ir laiko, per kurį jis vyksta, santykis yra apibrėžiamas kaip pirmasis judėjimo ir laiko išvestinis:

Klasikinėje mechanikoje greičius galima pridėti ir atimti. Pavyzdžiui, jei vienas automobilis važiuoja į vakarus 60 km/h greičiu ir pasiveja kitą, važiuojantį ta pačia kryptimi 50 km/h greičiu, tada antrojo automobilio atžvilgiu pirmasis juda į vakarus 60-50 = 10 km/h greičiu. Tačiau ateityje greitieji automobiliai lėčiau judės 10 km/h greičiu į rytus.
Santykiniam greičiui nustatyti bet kuriuo atveju greičio vektoriams konstruoti taikomos vektorinės algebros taisyklės.
Pagreitis
Pagreitis arba greičio kitimo greitis yra greičio ir laiko išvestinė arba antroji poslinkio iš laiko išvestinė:

Pagreičio vektorius gali keistis pagal dydį ir kryptį. Visų pirma, jei greitis mažėja, kartais greitėjimas ir lėtėjimas, bet apskritai bet koks greičio pokytis.
Jėga. Antrasis Niutono dėsnis
Antrasis Niutono dėsnis teigia, kad materialaus taško pagreitis yra tiesiogiai proporcingas jį veikiančiai jėgai, o pagreičio vektorius nukreiptas išilgai šios jėgos veikimo linijos. Kitaip tariant, šis dėsnis susieja kūną veikiančią jėgą su jo mase ir pagreičiu. Tada antrasis Niutono dėsnis atrodo taip:

Didumas m v vadinamas impulsu. Paprastai masė m su laiku nesikeičia, o Niutono dėsnį galima parašyti supaprastinta forma

Kur A pagreitis, kuris buvo apibrėžtas aukščiau. Kūno svoris m Ne visada laikui bėgant. Pavyzdžiui, naudojant kurą raketos masė mažėja. Tokiomis aplinkybėmis paskutinė išraiška netaikoma ir turi būti naudojama visa antrojo Niutono dėsnio forma.
Antrojo Niutono dėsnio nepakanka dalelės judėjimui apibūdinti. Tam reikia nustatyti jėgą, kuri jį veikia. Pavyzdžiui, tipinė trinties jėgos išraiška, kai kūnas juda dujose arba skystyje, apibrėžiama taip:

Kur? tam tikra konstanta, vadinama trinties koeficientu.
Nustačius visas jėgas, remiantis antruoju Niutono dėsniu, gauname diferencialinę lygtį, vadinamą judėjimo lygtimi. Mūsų pavyzdyje, kai dalelę veikia tik viena jėga, gauname:

Integruodami gauname:

Kur pradinis greitis. Tai reiškia, kad mūsų objekto greitis eksponentiškai sumažėja iki nulio. Ši išraiška savo ruožtu gali būti integruota dar kartą, kad būtų gauta kūno spindulio vektoriaus r išraiška kaip laiko funkcija.
Jei dalelę veikia kelios jėgos, jos sudedamos pagal vektorių sudėjimo taisykles.
Energija
Jei jėgos F veikia dalelę, kuri dėl to juda į? r, tada atliktas darbas lygus:

Jei dalelės masė tapo, tada trokštantis darbas, atliktas visomis jėgomis, pagal antrąjį Niutono dėsnį

Kur T kinetinė energija. Materialiam taškui jis apibrėžiamas kaip

Sudėtingiems objektams, susidedantiems iš daugelio dalelių, kūno kinetinė energija yra lygi visų dalelių kinetinės energijos sumai.
Specialią konservatyviųjų jėgų klasę galima išreikšti skaliarinės funkcijos gradientu, žinomu kaip potenciali energija. V:

Jei visos dalelę veikiančios jėgos yra konservatyvios, ir V visos potencialios energijos, gautos sudėjus visų jėgų potencines energijas, tada
Tie. visos energijos E = T + V išlieka laikui bėgant. Tai yra vieno iš pagrindinių fizinių išsaugojimo dėsnių apraiška. Klasikinėje mechanikoje tai gali būti naudinga praktiškai, nes daugelis jėgų rūšių gamtoje yra konservatyvios.
Niutono dėsniai turi keletą svarbių pasekmių standiesiems kūnams (žr. kampinį momentą)
Taip pat yra dvi svarbios alternatyvios klasikinės mechanikos formuluotės: Lagranžo mechanika ir Hamiltono mechanika. Jie prilygsta Niutono mechanikai, tačiau kartais praverčia analizuojant tam tikras problemas. Jie, kaip ir kitos šiuolaikinės formuluotės, nenaudoja jėgos sąvokos, o nurodo kitus fizinius dydžius, tokius kaip energija.

Valstybinis vadybos universitetas

Korespondencinių studijų institutas

Specialybė – vadyba

pagal discipliną: KSE

„Niutono mechanika yra klasikinio gamtos aprašymo pagrindas. Pagrindinis mechanikos uždavinys ir pritaikymo ribos“.

Baigta

Mokinio pažymėjimas Nr.1211

Grupės Nr.UP4-1-98/2

1. Įvadas._________________________________________________________________________ 3

2. Niutono mechanika._______________________________________________ 5

2.1. Niutono judėjimo dėsniai.____________________________________________________ 5

2.1.1. Pirmasis Niutono dėsnis.________________________________________________________ 6

2.1.2. Antrasis Niutono dėsnis._________________________________________________________ 7

2.1.3. Trečiasis Niutono dėsnis.__________________________________________________________ 8

2.2. Visuotinės gravitacijos dėsnis.______________________________________________________ 11

2.3. Pagrindinis mechanikos uždavinys._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 13

2.4. Taikymo ribos._________________________________________________________ 15

3. Išvada._________________________________________________________ 18

4. Literatūros sąrašas.________________________________________________ 20

Niutonas (1643–1727)

Šis pasaulis buvo apgaubtas gilios tamsos.

Tebūnie šviesa! Ir tada pasirodė Niutonas.

1. Įvadas.

Sąvokos „fizika“ šaknys yra gilioje praeityje, išvertus iš graikų kalbos, ji reiškia „gamtą“. Pagrindinis šio mokslo uždavinys – nustatyti supančio pasaulio „dėsnius“. Vienas pagrindinių Aristotelio mokinio Platono darbų vadinosi „Fizika“.

Tų metų mokslas turėjo prigimtinį-filosofinį pobūdį, t.y. kilo iš to, kad tiesiogiai stebimi dangaus kūnų judesiai yra jų tikrieji judesiai. Iš to buvo padaryta išvada apie centrinę Žemės padėtį Visatoje. Ši sistema teisingai atspindėjo kai kurias Žemės, kaip dangaus kūno, ypatybes: kad Žemė yra rutulys, kad viskas gravituoja į savo centrą. Taigi šis mokymas iš tikrųjų buvo apie Žemę. Savo laiko lygiu ji atitiko pagrindinius mokslo žinių reikalavimus. Pirma, jis paaiškino stebimus dangaus kūnų judėjimus vienu požiūriu ir, antra, leido apskaičiuoti būsimas jų padėtis. Tuo pačiu metu teorinės senovės graikų konstrukcijos buvo grynai spekuliacinės - jos buvo visiškai atskirtos nuo eksperimento.

Tokia sistema egzistavo iki XVI amžiaus, iki pat Koperniko mokymų atsiradimo, kuris gavo tolesnį pagrindimą eksperimentinėje Galilėjaus fizikoje, kurio kulminacija buvo Niutono mechanikos sukūrimas, sujungęs dangaus kūnų ir žemės objektų judėjimą su vieningu. judėjimo dėsniai. Tai buvo didžiausia revoliucija gamtos moksle, žymėjusi mokslo raidos pradžią šiuolaikiniu supratimu.

Galilėjus Galilėjus tikėjo, kad pasaulis yra begalinis, o materija yra amžina. Visuose procesuose niekas nesunaikinama ir nesusikuria – tik pasikeičia santykinis kūnų ar jų dalių išsidėstymas. Medžiaga susideda iš absoliučiai nedalomų atomų, jos judėjimas yra vienintelis universalus mechaninis judėjimas. Dangaus kūnai yra panašūs į Žemę ir paklūsta tiems patiems mechanikos dėsniams.

Niutonui buvo svarbu nedviprasmiškai, atliekant eksperimentus ir stebėjimus, išsiaiškinti tiriamo objekto savybes ir sukurti indukcija pagrįstą teoriją, nenaudojant hipotezių. Jis rėmėsi tuo, kad fizikoje, kaip eksperimentiniame moksle, nėra vietos hipotezėms. Pripažindamas indukcinio metodo netobulumą, jis manė, kad jis yra tinkamiausias tarp kitų.

Tiek senovėje, tiek XVII amžiuje buvo pripažinta dangaus kūnų judėjimo tyrimo svarba. Bet jei senovės graikams ši problema turėjo daugiau filosofinės reikšmės, tai XVII amžiuje vyravo praktinis aspektas. Vystantis navigacijai, reikėjo sukurti tikslesnes astronomines lenteles navigacijos tikslams, palyginti su tomis, kurių reikia astrologiniams tikslams. Pagrindinė užduotis buvo nustatyti ilgumą, taip reikalingą astronomams ir navigatoriams. Šiai svarbiai praktinei problemai išspręsti buvo sukurtos pirmosios valstybinės observatorijos (1672 m. Paryžiaus observatorijos, 1675 m. Grinvičas). Iš esmės tai buvo užduotis nustatyti absoliutų laiką, kuris, lyginant su vietos laiku, davė laiko intervalą, kurį būtų galima paversti ilguma. Šį laiką buvo galima nustatyti stebint Mėnulio judėjimą tarp žvaigždžių, taip pat naudojant tikslų laikrodį, nustatytą pagal absoliutų laiką ir laikomą stebėtojo. Pirmuoju atveju prireikė labai tikslių lentelių dangaus kūnų padėčiai numatyti, o antruoju – absoliučiai tikslių ir patikimų laikrodžių mechanizmų. Darbas šiomis kryptimis nebuvo sėkmingas. Tik Niutonas sugebėjo rasti sprendimą, kuris, atradęs visuotinės gravitacijos dėsnį ir tris pagrindinius mechanikos dėsnius, taip pat diferencialinį ir integralinį skaičiavimą, suteikė mechanikai integralios mokslinės teorijos pobūdį.

2. Niutono mechanika.

I. Niutono mokslinės kūrybos viršūnė yra jo nemirtingas veikalas "Matematiniai gamtos filosofijos principai", pirmą kartą paskelbtas 1687 m. Jame jis apibendrino savo pirmtakų ir savo tyrimų rezultatus ir pirmą kartą sukūrė vientisą, darnią žemės ir dangaus mechanikos sistemą, sudariusią visos klasikinės fizikos pagrindą. Čia Niutonas pateikė pradinių sąvokų apibrėžimus – medžiagos kiekis, ekvivalentiškas masei, tankis; impulsui ekvivalentiškas impulsas ir įvairių rūšių jėgos. Suformuluodamas materijos kiekio sampratą, jis rėmėsi mintimi, kad atomai susideda iš kažkokios vienintelės pirminės materijos; tankis buvo suprantamas kaip kūno tūrio vieneto užpildymo pirmine medžiaga laipsnis. Šiame darbe išdėstyta Niutono visuotinės gravitacijos doktrina, kuria remdamasis jis sukūrė planetų, palydovų ir kometų, sudarančių Saulės sistemą, judėjimo teoriją. Remdamasis šiuo dėsniu, jis paaiškino potvynių ir atoslūgių reiškinį ir Jupiterio suspaudimą.

Niutono koncepcija buvo daugelio technologijų pažangos pagrindas laikui bėgant. Jos pagrindu buvo suformuota daugybė įvairių gamtos mokslų sričių mokslinių tyrimų metodų.

2.1. Niutono judėjimo dėsniai.

Jei kinematika tiria geometrinio kūno judėjimą, kuris neturi jokių materialaus kūno savybių, išskyrus gebėjimą užimti tam tikrą vietą erdvėje ir laikui bėgant pakeisti šią padėtį, tai dinamika tiria realių kūnų judėjimą veikiant. jiems pritaikytų jėgų. Trys Niutono nustatyti mechanikos dėsniai yra dinamikos pagrindas ir sudaro pagrindinę klasikinės mechanikos šaką.

Jie gali būti tiesiogiai taikomi paprasčiausiam judėjimo atvejui, kai judantis kūnas laikomas materialiu tašku, t.y. kai neatsižvelgiama į kūno dydį ir formą ir kai kūno judėjimas laikomas taško judėjimu mase. Verdančiame vandenyje apibūdinti taško judėjimą galite pasirinkti bet kurią koordinačių sistemą, kurios atžvilgiu nustatomi šį judėjimą apibūdinantys dydžiai. Bet koks kūnas, judantis kitų kūnų atžvilgiu, gali būti laikomas atskaitos objektu. Dinamikoje mes susiduriame su inercinėmis koordinačių sistemomis, pasižyminčiomis tuo, kad jų atžvilgiu laisvas materialus taškas juda pastoviu greičiu.

2.1.1. Pirmasis Niutono dėsnis.

Inercijos dėsnį pirmą kartą nustatė Galilėjus horizontaliojo judėjimo atveju: kai kūnas juda horizontalia plokštuma, jo judėjimas yra tolygus ir tęstųsi nuolat, jei plokštuma tęstųsi erdvėje be galo. Niutonas pateikė bendresnę inercijos dėsnio, kaip pirmojo judėjimo dėsnio, formuluotę: kiekvienas kūnas lieka ramybės būsenoje arba tolygiai juda, kol jį veikiančios jėgos šią būseną nepakeičia.

Gyvenime šis dėsnis aprašo atvejį, kai nustojus traukti ar stumti judantį kūną, jis sustoja ir toliau nejuda pastoviu greičiu. Taip automobilis sustoja išjungęs variklį. Pagal Niutono dėsnį pagal inerciją riedantį automobilį turi veikti stabdymo jėga, kuri praktiškai yra oro pasipriešinimas ir automobilių padangų trintis greitkelio paviršiuje. Jie suteikia automobiliui neigiamą pagreitį, kol jis sustoja.

Šios dėsnio formuluotės trūkumas yra tas, kad joje nebuvo jokių nuorodų į poreikį susieti judėjimą su inercine koordinačių sistema. Faktas yra tas, kad Niutonas nevartojo inercinės koordinačių sistemos sąvokos – vietoj to jis pristatė absoliučios erdvės – vienalytės ir nejudančios – sąvoką, su kuria susiejo tam tikrą absoliučią koordinačių sistemą, kurios atžvilgiu buvo nustatytas kūno greitis. . Atskleidus absoliučios erdvės, kaip absoliučios atskaitos sistemos, tuštumą, inercijos dėsnis pradėtas formuluoti kitaip: inercinės koordinačių sistemos atžvilgiu laisvas kūnas išlaiko ramybės būseną arba tolygų tiesinį judėjimą.

2.1.2. Antrasis Niutono dėsnis.

Formuluodamas antrąjį dėsnį, Niutonas pristatė sąvokas:

Pagreitis yra vektorinis dydis (Niutonas jį pavadino impulsu ir į jį atsižvelgė formuluodamas greičio lygiagretainio taisyklę), kuris lemia kūno greičio kitimo greitį.

Jėga – vektorinis dydis, suprantamas kaip kitų kūnų ar laukų mechaninio poveikio kūnui matas, dėl kurio kūnas įgauna pagreitį arba keičia savo formą ir dydį.

Kūno masė yra fizikinis dydis – viena pagrindinių materijos charakteristikų, nulemiančių jos inercines ir gravitacines savybes.

Antrasis mechanikos dėsnis teigia: kūną veikianti jėga yra lygi kūno masės ir šios jėgos suteikiamo pagreičio sandaugai. Tai yra moderni jo formuluotė. Niutonas jį suformulavo kitaip: impulso pokytis yra proporcingas taikomai veikiančiai jėgai ir vyksta tiesės kryptimi, kuria ši jėga veikia, ir atvirkščiai proporcinga kūno masei arba matematiškai:

Šį dėsnį lengva patvirtinti eksperimentiškai, jei pritvirtinsite vežimėlį prie spyruoklės galo ir atleisite spyruoklę, tada laiku t vežimėlis nuvažiuos toli s 1(1 pav.), tada prie tos pačios spyruoklės pritvirtinkite du vežimėlius, t.y. padvigubinkite savo kūno svorį ir atleiskite spyruoklę, tada tuo pačiu metu t jie nueis į atstumą s 2, du kartus mažiau nei s 1 .

Šis dėsnis taip pat galioja tik inercinėse atskaitos sistemose. Pirmasis dėsnis, matematiniu požiūriu, yra ypatingas antrojo dėsnio atvejis, nes jei rezultatinės jėgos yra lygios nuliui, tai pagreitis taip pat yra lygus nuliui. Tačiau pirmasis Niutono dėsnis laikomas savarankišku dėsniu, nes Būtent jis teigia, kad egzistuoja inercinės sistemos.

2.1.3. Trečiasis Niutono dėsnis.

Trečiasis Niutono dėsnis teigia: veiksmas visada turi vienodą ir priešingą reakciją, kitaip kūnai veikia vienas kitą jėgomis, nukreiptomis išilgai tos pačios tiesės, vienodo dydžio ir priešingos krypties arba matematiškai:

Niutonas išplėtė šio dėsnio poveikį ir kūnų susidūrimo, ir jų tarpusavio traukos atvejui. Paprasčiausias šio dėsnio demonstravimas yra horizontalioje plokštumoje esantis kūnas, kuriam veikia gravitacijos jėga F t ir antžeminės reakcijos jėga F o, gulint ant tos pačios tiesės, vienodos vertės ir priešingos krypties, šių jėgų lygybė leidžia kūnui būti ramybės būsenoje (2 pav.).

Išvados išplaukia iš trijų pagrindinių Niutono judėjimo dėsnių, iš kurių vienas yra impulso pridėjimas pagal lygiagretainio taisyklę. Kūno pagreitis priklauso nuo dydžių, kurie apibūdina kitų kūnų poveikį tam tikram kūnui, taip pat nuo dydžių, kurie lemia šio kūno savybes. Kitų kūnų mechaninis poveikis kūnui, keičiantis tam tikro kūno judėjimo greitį, vadinamas jėga. Jis gali turėti skirtingą pobūdį (gravitacija, tamprumo jėga ir kt.). Kūno greičio pokytis priklauso ne nuo jėgų pobūdžio, o nuo jų dydžio. Kadangi greitis ir jėga yra vektoriai, kelių jėgų veikimas sumuojasi pagal lygiagretainio taisyklę. Kūno savybė, nuo kurios priklauso jo įgyjamas pagreitis, yra inercija, matuojama mase. Klasikinėje mechanikoje, kuri nagrinėja žymiai mažesnius už šviesos greitį greičius, masė yra paties kūno charakteristika, nepriklausomai nuo to, ar jis juda, ar ne. Kūno masė klasikinėje mechanikoje nepriklauso nuo kūno sąveikos su kitais kūnais. Ši masės savybė paskatino Niutoną laikyti masę materijos matu ir manyti, kad jos dydis lemia medžiagos kiekį kūne. Taigi masė buvo suprantama kaip medžiagos kiekis.

Medžiagos kiekį galima išmatuoti, proporcingą kūno svoriui. Svoris – tai jėga, kuria kūnas veikia atramą, kuri neleidžia jam laisvai kristi. Skaitmeniškai svoris lygus kūno masės ir gravitacijos pagreičio sandaugai. Dėl Žemės susispaudimo ir jos kasdieninio sukimosi kūno svoris kinta priklausomai nuo platumos ir yra 0,5% mažesnis ties pusiauju nei ties ašigaliais. Kadangi masė ir svoris yra griežtai proporcingi, praktiškai buvo įmanoma išmatuoti medžiagos masę arba kiekį. Supratimas, kad svoris yra kintamas poveikis kūnui, paskatino Niutoną nustatyti vidinę kūno charakteristiką – inerciją, kurią jis laikė būdingu kūno gebėjimu išlaikyti vienodą linijinį judėjimą, proporcingą masei. Masę, kaip inercijos matą, galima išmatuoti naudojant svarstykles, kaip tai padarė Niutonas.

Nesvarumo būsenoje masę galima išmatuoti pagal inerciją. Inercinis matavimas yra įprastas masės matavimo būdas. Tačiau inercija ir svoris yra skirtingos fizinės sąvokos. Jų proporcingumas vienas kitam yra labai patogus praktiškai - matuojant masę naudojant svarstykles. Taigi jėgos ir masės sąvokų, taip pat jų matavimo metodo nustatymas leido Niutonui suformuluoti antrąjį mechanikos dėsnį.

Pirmasis ir antrasis mechanikos dėsniai yra atitinkamai susiję su materialaus taško arba vieno kūno judėjimu. Šiuo atveju atsižvelgiama tik į kitų kūnų poveikį tam tikram kūnui. Tačiau kiekvienas veiksmas yra sąveika. Kadangi mechanikoje veiksmas apibūdinamas jėga, tai jei vienas kūnas veikia kitą tam tikra jėga, tai antrasis veikia pirmąjį ta pačia jėga, kurią fiksuoja trečiasis mechanikos dėsnis. Niutono formuluotėje trečiasis mechanikos dėsnis galioja tik tiesioginės jėgų sąveikos atveju arba kai vieno kūno veikimas akimirksniu perkeliamas kitam. Jeigu ieškinys perduodamas ribotam laikui, šis įstatymas taikomas tada, kai galima nepaisyti ieškinio perdavimo laiko.

2.2. Visuotinės gravitacijos dėsnis.

Manoma, kad Niutono dinamikos šerdis yra jėgos samprata, o pagrindinis dinamikos uždavinys yra nustatyti dėsnį pagal tam tikrą judėjimą ir, atvirkščiai, nustatyti kūnų judėjimo dėsnį pagal tam tikrą jėgą. Iš Keplerio dėsnių Niutonas padarė išvadą, kad egzistuoja į Saulę nukreipta jėga, kuri buvo atvirkščiai proporcinga planetų atstumo nuo Saulės kvadratui. Apibendrinęs Keplerio, Huygenso, Descarteso, Borelli, Huko išsakytas idėjas, Niutonas suteikė jiems tikslią matematinio dėsnio formą, pagal kurią buvo teigiama, kad gamtoje yra visuotinės gravitacijos jėgos, lemiančios kūnų trauką. Gravitacijos jėga yra tiesiogiai proporcinga gravitacinių kūnų masių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui arba matematiškai:

Kur G yra gravitacinė konstanta.

Šis dėsnis apibūdina bet kokių kūnų sąveiką – svarbu tik tai, kad atstumas tarp kūnų būtų pakankamai didelis, lyginant su jų dydžiais, tai leidžia kūnus priimti kaip materialius taškus. Niutono gravitacijos teorijoje priimta, kad gravitacijos jėga iš vieno gravituojančio kūno į kitą perduodama akimirksniu ir be jokios terpės tarpininkavimo. Visuotinės gravitacijos dėsnis sukėlė ilgas ir įnirtingas diskusijas. Tai nebuvo atsitiktinumas, nes šis įstatymas turėjo svarbią filosofinę reikšmę. Esmė ta, kad iki Niutono fizinių teorijų kūrimo tikslas buvo nustatyti ir pavaizduoti fizikinių reiškinių mechanizmą visose jo detalėse. Tais atvejais, kai to nebuvo galima padaryti, buvo argumentuojama dėl vadinamųjų „paslėptų savybių“, kurių negalima detaliai interpretuoti. Baconas ir Dekartas paskelbė, kad nuorodos į „paslėptas savybes“ yra nemokslinės. Dekartas manė, kad gamtos reiškinio esmę galima suprasti tik tada, kai ją įsivaizduojame vizualiai. Taigi jis gravitacijos reiškinius reprezentavo eterinių sūkurių pagalba. Plačiai plintant tokioms idėjoms, Niutono visuotinės traukos dėsnis, nepaisant to, kad jis neregėtu tikslumu parodė jo pagrindu atliktų astronominių stebėjimų atitiktį, buvo suabejotas tuo pagrindu, kad abipusis kūnų trauka labai primena. peripatetinės doktrinos apie „paslėptas savybes“. Ir nors Niutonas jos egzistavimo faktą nustatė remdamasis matematine analize ir eksperimentiniais duomenimis, matematinė analizė dar nėra tvirtai įėjusi į tyrėjų sąmonę kaip pakankamai patikimas metodas. Tačiau noras apriboti fizinius tyrimus faktais, kurie nepretenduoja į absoliučią tiesą, leido Niutonui užbaigti fizikos, kaip savarankiško mokslo, formavimąsi ir atskirti ją nuo gamtos filosofijos pretenzijomis į absoliutų žinojimą.

Visuotinės gravitacijos dėsniu mokslas gavo gamtos dėsnio modelį kaip absoliučiai tikslią, visur taikomą taisyklę, be išimčių, su tiksliai apibrėžtomis pasekmėmis. Šį dėsnį Kantas įtraukė į savo filosofiją, kur gamta buvo vaizduojama kaip būtinybės karalystė, priešingai nei moralė – laisvės karalystė.

Niutono fizikinė koncepcija buvo savotiškas XVII amžiaus fizikos pasiekimas. Statinį požiūrį į Visatą pakeitė dinaminis. Eksperimentinis-matematinis tyrimo metodas, sudaręs galimybę išspręsti daugelį XVII amžiaus fizikos problemų, pasirodė tinkamas fizinėms problemoms spręsti dar du šimtmečius.

2.3. Pagrindinė mechanikos užduotis.

Klasikinės mechanikos raidos rezultatas buvo vieningo mechaninio pasaulio paveikslo sukūrimas, kurio rėmuose visa kokybinė pasaulio įvairovė buvo paaiškinta kūnų judėjimo skirtumais, vadovaujantis Niutono mechanikos dėsniais. Pagal mechaninį pasaulio vaizdą, jei pasaulio fizikinį reiškinį buvo galima paaiškinti remiantis mechanikos dėsniais, tai toks paaiškinimas buvo pripažintas moksliniu. Taip Niutono mechanika tapo mechaninio pasaulio paveikslo pagrindu, kuris dominavo iki mokslinės revoliucijos XIX–XX amžių sandūroje.

Niutono mechanika, priešingai nei ankstesnės mechaninės koncepcijos, leido išspręsti bet kurio judėjimo etapo, tiek ankstesnio, tiek vėlesnio, ir bet kuriame erdvės taške problemą su žinomais faktais, sukeliančiais šį judėjimą, taip pat atvirkštinę problemą šių veiksnių veikimo dydis ir kryptis bet kuriame taške su žinomais pagrindiniais judėjimo elementais. Dėl šios priežasties Niutono mechanika gali būti naudojama kaip mechaninio judėjimo kiekybinės analizės metodas. Bet kokie fiziniai reiškiniai gali būti tiriami nepriklausomai nuo juos sukeliančių veiksnių. Pavyzdžiui, galite apskaičiuoti Žemės palydovo greitį: Paprastumo dėlei suraskime palydovo, kurio orbita lygi Žemės spinduliui, greitį (3 pav.). Esant pakankamam tikslumui, palydovo pagreitį galime prilyginti žemės paviršiaus gravitacijos pagreičiui:

Kita vertus, įcentrinis palydovo pagreitis.

kur . – Šis greitis vadinamas pirmuoju pabėgimo greičiu. Bet kokios masės kūnas, kuriam suteikiamas toks greitis, taps Žemės palydovu.

Niutono mechanikos dėsniai siejo jėgą ne su judėjimu, o su judėjimo pasikeitimu. Tai leido atsisakyti tradicinių idėjų, kad judėjimui palaikyti reikalinga jėga, ir priskirti trintį, dėl kurios esamuose mechanizmuose judėjimui palaikyti jėga buvo būtina, antraeiliu vaidmeniu. Sukūręs dinamišką pasaulio vaizdą, o ne tradicinį statinį, Niutonas savo dinamiką padarė teorinės fizikos pagrindu. Nors Niutonas rodė atsargumą mechaniškai aiškindamas gamtos reiškinius, jis vis tiek manė, kad iš mechanikos principų pageidautina išvesti kitus gamtos reiškinius. Tolesnis fizikos vystymasis buvo pradėtas toliau plėtoti mechanikos aparatą, susijusį su konkrečių problemų sprendimu, nes jas sprendžiant, stiprėjo mechaninis pasaulio vaizdas.

2.4. Taikymo ribos.

pradžios fizikos raidos rezultatas, buvo nustatyta klasikinės mechanikos taikymo sritis: jos dėsniai galioja judesiams, kurių greitis yra daug mažesnis už šviesos greitį. Nustatyta, kad didėjant greičiui didėja kūno masė. Apskritai klasikinės mechanikos Niutono dėsniai galioja inercinėms atskaitos sistemoms. Neinercinių atskaitos sistemų atveju situacija yra kitokia. Pagreitėjus neinercinei koordinačių sistemai, palyginti su inercine sistema, pirmasis Niutono dėsnis (inercijos dėsnis) šioje sistemoje negalioja - joje esantys laisvieji kūnai laikui bėgant pakeis savo judėjimo greitį.

Pirmasis klasikinės mechanikos neatitikimas buvo atskleistas, kai buvo atrastas mikrokosmosas. Klasikinėje mechanikoje judesiai erdvėje ir greičio nustatymas buvo tiriami nepriklausomai nuo to, kaip šie judesiai buvo realizuoti. Kalbant apie mikropasaulio reiškinius, tokia situacija, kaip paaiškėjo, iš principo yra neįmanoma. Čia kinematikos pagrindu esanti erdvėlaikinė lokalizacija įmanoma tik kai kuriais ypatingais atvejais, kurie priklauso nuo konkrečių dinaminių judėjimo sąlygų. Makro mastu kinematikos naudojimas yra gana priimtinas. Mikroskalėms, kur pagrindinis vaidmuo tenka kvantams, kinematika, tirianti judėjimą nepriklausomai nuo dinaminių sąlygų, praranda prasmę.

Mikropasaulio mastu antrasis Niutono dėsnis taip pat pasirodė nepagrįstas - jis galioja tik didelio masto reiškiniams. Atskleista, kad bandymai išmatuoti bet kokį dydį, apibūdinantį tiriamą sistemą, sukelia nekontroliuojamą kitų šią sistemą charakterizuojančių dydžių pasikeitimą: jei bandoma nustatyti padėtį erdvėje ir laike, tai sukelia nekontroliuojamą atitinkamo konjuguoto dydžio pasikeitimą. , kuris lemia dinamines būsenų sistemas. Taigi neįmanoma tiksliai išmatuoti dviejų tarpusavyje susietų dydžių vienu metu. Kuo tiksliau nustatoma vieno sistemą apibūdinančio dydžio reikšmė, tuo neapibrėžtesnė su juo susijusio dydžio reikšmė. Dėl šios aplinkybės labai pasikeitė požiūris į dalykų prigimties supratimą.

Klasikinės mechanikos nenuoseklumas buvo pagrįstas tuo, kad ateitis tam tikra prasme yra visiškai įtraukta į dabartį - tai lemia galimybę tiksliai numatyti sistemos elgesį bet kuriuo būsimu laiko momentu. Ši galimybė suteikia galimybę vienu metu nustatyti tarpusavyje konjuguotus kiekius. Mikropasaulio srityje tai pasirodė neįmanoma, o tai labai keičia supratimą apie prognozavimo galimybes ir gamtos reiškinių tarpusavio ryšį: kadangi dydžių, apibūdinančių sistemos būklę tam tikru laiko momentu, reikšmė. gali būti nustatytas tik esant tam tikram neapibrėžtumui, tada galimybė tiksliai numatyti šių dydžių vertes vėlesniais laikotarpiais yra atmesta laiko momentais, t.y. galima tik numatyti tikimybę gauti tam tikras vertes.

Kitas atradimas, supurtęs klasikinės mechanikos pagrindus, buvo lauko teorijos sukūrimas. Klasikinė mechanika visus gamtos reiškinius bandė redukuoti į jėgas, veikiančias tarp materijos dalelių – tuo buvo pagrįsta elektrinių skysčių samprata. Šios koncepcijos rėmuose tikri buvo tik substancija ir jos pokyčiai – čia svarbiausia buvo dviejų elektros krūvių veikimo aprašymas pasitelkiant su jais susijusias sąvokas. Lauko tarp šių užtaisų aprašymas, o ne patys užtaisai, buvo labai svarbus norint suprasti įkrovų veiksmą. Štai paprastas Niutono trečiojo dėsnio pažeidimo pavyzdys tokiomis sąlygomis: jei įkrauta dalelė nutolsta nuo laidininko, kuriuo teka srovė, ir atitinkamai aplink jį susidaro magnetinis laukas, tada susidariusi jėga, kurią įkrauta dalelė veikia srovės laidininkas yra lygiai nulis.

Sukurta nauja tikrovė neturėjo vietos mechaniniame pasaulio paveiksle. Dėl to fizika pradėjo nagrinėti dvi realijas – materiją ir lauką. Jei klasikinė fizika rėmėsi materijos samprata, tai identifikavus naują tikrovę, fizinis pasaulio vaizdas turėjo būti peržiūrėtas. Bandymai paaiškinti elektromagnetinius reiškinius naudojant eterį pasirodė nepagrįsti. Eksperimentiškai eterio aptikti nepavyko. Tai paskatino sukurti reliatyvumo teoriją, kuri privertė persvarstyti klasikinei fizikai būdingas erdvės ir laiko sąvokas. Taigi dvi sąvokos – kvantų teorija ir reliatyvumo teorija – tapo naujų fizikinių sąvokų pagrindu.

3. Išvada.

Niutono indėlis į gamtos mokslų plėtrą buvo tuo, kad jis pateikė matematinį metodą, kaip paversti fizikinius dėsnius į kiekybiškai įvertinamus rezultatus, kuriuos būtų galima patvirtinti stebėjimais, ir, atvirkščiai, iš tokių stebėjimų išvesti fizikinius dėsnius. Kaip jis pats rašė „Principų“ pratarmėje, „... mes siūlome šį darbą kaip matematinius fizikos pagrindus. Visas fizikos sunkumas... yra atpažinti gamtos jėgas iš judėjimo reiškinių, o tada. naudojant šias jėgas aiškinant likusius reiškinius... Norėtųsi iš mechanikos principų išvesti kitus gamtos reiškinius, samprotaujant panašiai, nes daug kas verčia manyti, kad visus šiuos reiškinius lemia tam tikros jėgos su kuriais kūnų dalelės dėl vis dar nežinomų priežasčių arba linksta viena prie kitos ir susipina į taisyklingas figūras, arba tarpusavyje atstumia ir tolsta viena nuo kitos Kadangi šios jėgos nežinomos, iki šiol filosofų bandymai paaiškinti gamtos reiškinius Tačiau išliko bevaisis, kad arba šis samprotavimo būdas, arba kitas, teisingesnis, čia pateiktos priežastys suteiks tam tikrą apšvietimą.

Niutono metodas tapo pagrindiniu gamtos supratimo įrankiu. Klasikinės mechanikos dėsniai ir matematinės analizės metodai parodė savo efektyvumą. Fizinis eksperimentas, pasikliaudamas matavimo technologija, užtikrino precedento neturintį tikslumą. Fizinės žinios vis labiau tapo pramonės technologijų ir inžinerijos pagrindu ir skatino kitų gamtos mokslų plėtrą. Fizikoje anksčiau izoliuota šviesa, elektra, magnetizmas ir šiluma buvo sujungti į elektromagnetinę teoriją. Ir nors gravitacijos prigimtis liko neaiški, jos veiksmus buvo galima apskaičiuoti. Buvo sukurta Laplaso mechanistinio determinizmo samprata, pagrįsta galimybe vienareikšmiškai nustatyti sistemos elgesį bet kuriuo momentu, jei žinomos pradinės sąlygos. Mechanikos, kaip mokslo, struktūra atrodė tvirta, patikima ir beveik visiškai išbaigta – t.y. susidūrę reiškiniai, kurie netelpa į esamus klasikinius kanonus, klasikinės mechanikos požiūriu atrodė gana paaiškinami ateityje sudėtingesnio proto. Susidarė įspūdis, kad fizikos žinios buvo beveik baigtos – tokią galingą jėgą pademonstravo klasikinės fizikos pamatai.

4. Literatūros sąrašas.

1. Karpenkovas S.Kh. Pagrindinės gamtos mokslų sąvokos. M.: VIENYBĖ, 1998 m.

2. Niutonas ir XX amžiaus fizikos filosofinės problemos. Autorių komanda red. M.D. Akhundova, S.V. Illarionovas. M.: Nauka, 1991 m.

3. Gursky I.P. Elementarioji fizika. M.: Nauka, 1984 m.

4. Didžioji tarybinė enciklopedija 30 tomų. Red. Prokhorova A.M., 3 leidimas, M., Sovietų enciklopedija, 1970 m.

5. Dorfman Ya.G. Pasaulinė fizikos istorija nuo XIX amžiaus pradžios iki XX amžiaus vidurio. M., 1979 m.

S. Marshak, op. 4 tomuose, Maskva, Goslitizdat, 1959, t. 3, p. 601

Citata autorius: Bernal J. Mokslas visuomenės istorijoje. M., 1956.P.265

Klasikinės mechanikos atsiradimas buvo fizikos pavertimo griežtu mokslu, tai yra žinių sistema, kuri tvirtina savo pradinių principų ir galutinių išvadų tiesą, objektyvumą, pagrįstumą ir patikrinamumą, pradžia. Šis atsiradimas įvyko XVI–XVII a. ir yra susijęs su Galilėjaus Galilėjaus, Rene Dekarto ir Izaoko Niutono vardais. Būtent jie atliko gamtos „matematizavimą“ ir padėjo pagrindus eksperimentiniam-matematiniam gamtos vaizdui. Jie pristatė gamtą kaip „medžiaginių“ taškų rinkinį, turintį erdvines-geometrines (forma), kiekybines-matematines (skaičius, dydis) ir mechanines (judesio) savybes ir sujungtus priežasties-pasekmės ryšiais, kuriuos galima išreikšti matematinėmis lygtimis. .

Fizikos virsmo griežtu mokslu pradžią padėjo G. Galilėjus. Galilėjus suformulavo keletą pagrindinių mechanikos principų ir dėsnių. Būtent:

- inercijos principas, pagal kurią, kai kūnas juda horizontalia plokštuma nepatirdamas pasipriešinimo judėjimui, tada jo judėjimas yra tolygus ir tęstųsi nuolat, jei plokštuma tęstųsi erdvėje be galo;

- reliatyvumo principas, pagal kurią inercinėse sistemose visi mechanikos dėsniai yra vienodi ir nėra galimybės, būnant viduje, nustatyti, ar jis juda tiesia linija ir tolygiai, ar yra ramybės būsenoje;

- greičio išsaugojimo principas ir erdvinių bei laiko intervalų išsaugojimas pereinant iš vienos inercinės sistemos į kitą. Tai garsus Galilėjos transformacija.

Izaoko Niutono darbuose mechanika gavo holistinį vaizdą apie logiškai ir matematiškai sutvarkytą pagrindinių sąvokų, principų ir dėsnių sistemą. Visų pirma, darbe „Matematiniai gamtos filosofijos principai“ Šiame darbe Niutonas pristato sąvokas: svorio, arba medžiagos kiekis, inercija, arba kūno savybė atsispirti jo ramybės ar judėjimo pokyčiams, svorio, kaip masės matas, stiprumo, arba kūnui atliktas veiksmas, siekiant pakeisti jo būklę.

Niutonas išskyrė absoliučią (tikrąją, matematinę) erdvę ir laiką, kurie nepriklauso nuo juose esančių kūnų ir visada yra lygūs sau patiems, bei santykinę erdvę ir laiką – judančias erdvės dalis ir išmatuojamas laiko trukmes.

Ypatingą vietą Niutono sampratoje užima doktrina apie gravitacija arba gravitacija, kurioje jis sujungia „dangaus“ ir žemės kūnų judėjimą. Šis mokymas apima teiginius:

Kūno gravitacija proporcinga jame esančios medžiagos ar masės kiekiui;

Gravitacija proporcinga masei;

Gravitacija arba gravitacija ir yra ta jėga, kuri veikia tarp Žemės ir Mėnulio atvirkščiai proporcingai atstumo tarp jų kvadratui;

Ši gravitacinė jėga veikia tarp visų materialių kūnų per atstumą.

Kalbėdamas apie gravitacijos prigimtį, Niutonas pasakė: „Aš nekuriu jokių hipotezių“.

Galilėjaus-Niutono mechanika, išplėtota D. Alemberto, Lagrandžo, Laplaso, Hamiltono darbuose... ilgainiui gavo darnią formą, nulėmusią fizinį to meto pasaulio vaizdą. Šis paveikslas buvo pagrįstas fizinio kūno tapatybės principais; jo nepriklausomybė nuo erdvės ir laiko; determinizmas, tai yra griežtas nedviprasmiškas priežasties ir pasekmės ryšys tarp konkrečių fizinių kūnų būsenų; visų fizinių procesų grįžtamumas.

Termodinamika.

S. Kalno, R. Mayer, D. Joule, G. Hemholtz, R. Clausius, W. Thomson (lordas Kelvinas) atliktos šilumos pavertimo darbu ir atgal proceso tyrimais XIX a. išvados, apie kurias rašė R. Mayeris: „Judesys, šiluma..., elektra yra reiškiniai, kurie vienas kitu matuojami ir transformuojasi vienas į kitą pagal tam tikrus dėsnius“. Hemholtzas apibendrina šį Mayerio teiginį: „Gamtoje egzistuojančių įtemptų ir gyvųjų jėgų suma yra pastovi“. William Thomson paaiškino „intensyvių ir gyvų jėgų“ sąvokas iki potencialios ir kinetinės energijos sąvokų, apibrėždamas energiją kaip gebėjimą dirbti. R. Klausius šias mintis apibendrino formuluotėje: „Pasaulio energija yra pastovi“. Taigi, bendromis fizikos bendruomenės pastangomis, pagrindinis principas visiems fiziniams energijos tvermės ir transformacijos dėsnio išmanymas.

Energijos išsaugojimo ir transformacijos procesų tyrimai leido atrasti kitą dėsnį – entropijos didėjimo dėsnis. „Šilumos perėjimas iš šaltesnio kūno į šiltesnį, – rašė Clausius, – negali vykti be atlygio. Clausius vadino šilumos gebėjimo transformuoti matą entropija. Entropijos esmė išreiškiama tuo, kad bet kurioje izoliuotoje sistemoje procesai turi vykti visų rūšių energijos pavertimo šiluma kryptimi, tuo pačiu išlyginant sistemoje esančius temperatūrų skirtumus. Tai reiškia, kad realūs fiziniai procesai vyksta negrįžtamai. Principas, teigiantis entropijos tendenciją iki maksimumo, vadinamas antruoju termodinamikos dėsniu. Pirmasis principas yra energijos tvermės ir transformacijos dėsnis.

Entropijos didinimo principas fizinei minčiai kėlė nemažai problemų: fizikinių procesų grįžtamumo ir negrįžtamumo santykis, energijos tvermės formalumas, kuris nepajėgus dirbti, kai kūnų temperatūra yra vienoda. Visa tai reikalavo gilesnio termodinamikos principų pagrindimo. Visų pirma, šilumos prigimtis.

Tokį pagrįstumą bandė Ludwigas Boltzmannas, kuris, remdamasis molekuline-atomine šilumos prigimties idėja, padarė išvadą, kad statistiniai antrojo termodinamikos dėsnio prigimtis, nes dėl didelio makroskopinius kūnus sudarančių molekulių skaičiaus ir didelio jų judėjimo greičio bei atsitiktinumo stebime tik vidutines vertes. Vidutinių verčių nustatymas yra tikimybių teorijos užduotis. Esant maksimalios temperatūros pusiausvyrai, molekulinio judėjimo chaosas taip pat yra maksimalus, kuriame išnyksta visa tvarka. Kyla klausimas: ar gali ir, jei taip, kaip iš chaoso vėl gali atsirasti tvarka? Į tai fizika galės atsakyti tik po šimto metų, įvesdama simetrijos ir sinergijos principą.

Elektrodinamika.

Iki XIX amžiaus vidurio elektrinių ir magnetinių reiškinių fizika pasiekė tam tikrą pabaigą. Buvo atrasta nemažai svarbiausių Kulono, Ampero dėsnių, elektromagnetinės indukcijos dėsnių, nuolatinės srovės dėsnių ir kt. Visi šie įstatymai buvo pagrįsti ilgo nuotolio principas. Išimtis buvo Faradėjaus nuomonė, kuri manė, kad elektrinis veiksmas perduodamas per nuolatinę terpę, ty trumpo nuotolio principas. Remdamasis Faradėjaus idėjomis, anglų fizikas J. Maxwellas pristato koncepciją elektromagnetinis laukas ir apibūdina jo „atrasta“ materijos būseną savo lygtyse. „... Elektromagnetinis laukas, – rašo Maxwellas, – yra ta erdvės dalis, kurioje yra ir supa elektrinės arba magnetinės būsenos kūnus. Sujungęs elektromagnetinio lauko lygtis, Maxwellas gauna bangų lygtį, iš kurios egzistuoja elektromagnetines bangas, kurio sklidimo greitis ore lygus šviesos greičiui. Tokių elektromagnetinių bangų egzistavimą eksperimentiškai patvirtino vokiečių fizikas Heinrichas Hercas 1888 m.

Siekdamas paaiškinti elektromagnetinių bangų sąveiką su medžiaga, vokiečių fizikas Hendrikas Antonas Lorenzas iškėlė hipotezę apie egzistavimą. elektronas, tai yra maža elektriškai įkrauta dalelė, kurios didžiuliai kiekiai yra visuose svariuose kūnuose. Ši hipotezė paaiškino spektro linijų skilimo magnetiniame lauke fenomeną, kurį 1896 metais atrado vokiečių fizikas Zeemanas. 1897 m. Thomsonas eksperimentiškai patvirtino, kad yra mažiausia neigiamai įkrauta dalelė arba elektronas.

Taigi klasikinės fizikos rėmuose susidarė gana harmoningas ir išsamus pasaulio vaizdas, apibūdinantis ir paaiškinantis judėjimą, gravitaciją, šilumą, elektrą ir magnetizmą bei šviesą. Tai paskatino lordą Kelviną (Thomsoną) pasakyti, kad fizikos pastatas buvo beveik baigtas, trūko tik kelių detalių...

Pirma, paaiškėjo, kad Maksvelo lygtys yra nekintančios Galilėjaus transformacijose. Antra, teorija apie eterį kaip absoliučią koordinačių sistemą, prie kurios „pririštos“ Maksvelo lygtys, nerado eksperimentinio patvirtinimo. Michelson-Morley eksperimentas parodė, kad judančioje koordinačių sistemoje šviesos greitis nepriklauso nuo krypties. Nr. Maksvelo lygčių išsaugojimo šalininkas Hendrikas Lorentzas šias lygtis „pririšo“ prie eterio kaip absoliučios atskaitos sistemos, paaukojo Galilėjaus reliatyvumo principą, jo transformacijas ir suformulavo savo transformacijas. Iš G. Lorentzo transformacijų išplaukė, kad erdviniai ir laiko intervalai yra nekintantys pereinant iš vienos inercinės atskaitos sistemos į kitą. Viskas būtų gerai, bet absoliučios terpės – eterio – egzistavimas nebuvo patvirtintas, kaip pažymėta, eksperimentiškai. Tai krizė.

Neklasikinė fizika. Specialioji reliatyvumo teorija.

Apibūdindamas specialiosios reliatyvumo teorijos kūrimo logiką, Albertas Einšteinas bendroje knygoje su L. Infeldu rašo: „Dabar surinkime kartu tuos faktus, kuriuos pakankamai patikrino patirtis, daugiau nebesijaudindami dėl reliatyvumo problemos. eteris:

1. Šviesos greitis tuščioje erdvėje visada yra pastovus, nepriklausomai nuo šviesos šaltinio ar imtuvo judėjimo.

2. Dviejose koordinačių sistemose, judančiose tiesia linija ir tolygiai viena kitos atžvilgiu, visi gamtos dėsniai yra griežtai vienodi, ir nėra jokių priemonių, leidžiančių aptikti absoliutų tiesinį ir tolygų judėjimą...

Pirmoji pozicija išreiškia šviesos greičio pastovumą, antroji apibendrina Galilėjo reliatyvumo principą, suformuluotą mechaniniams reiškiniams, viskam, kas vyksta gamtoje." Einšteinas pažymi, kad šių dviejų principų priėmimas ir atmetimas Galilėjaus transformacija, nes ji prieštarauja šviesos greičio pastovumui, padėjo pagrindą specialiajai reliatyvumo teorijai. prideda visų gamtos dėsnių nekeičiamumo principą G. Lorentzo transformacijų atžvilgiu judančio laikrodžio ritmas ir judančių strypų ilgis priklauso nuo greičio: strypas susitrauks iki nulio, jei jo greitis pasieks šviesos greitį, o judančio laikrodžio ritmas sulėtėtų, jei jis visiškai sustotų; galėjo judėti šviesos greičiu.

Taigi iš fizikos buvo pašalintas Niutono absoliutus laikas, erdvė, judėjimas, kurie buvo tarsi nepriklausomi nuo judančių kūnų ir jų būsenos.

Bendroji reliatyvumo teorija.

Jau minėtoje knygoje Einšteinas klausia: „Ar galime suformuluoti fizikinius dėsnius taip, kad jie galiotų visoms koordinačių sistemoms, ne tik sistemoms, judančioms tiesiai ir tolygiai, bet ir sistemoms, judančioms visiškai savavališkai viena kitos atžvilgiu? “. Ir jis atsako: „Pasirodo, kad tai įmanoma“.

Specialiojoje reliatyvumo teorijoje praradę „nepriklausomybę“ nuo judančių kūnų ir vienas nuo kito, erdvė ir laikas tarsi „surado“ vienas kitą viename erdvės ir laiko keturių dimensijų kontinuume. Kontinuumo autorius matematikas Hermannas Minkowskis 1908 metais paskelbė veikalą „Elektromagnetinių procesų teorijos pagrindai“, kuriame teigė, kad nuo šiol pati erdvė ir pats laikas turėtų būti nustumti į šešėlių vaidmenį, ir tik tam tikras abiejų ryšys turėtų ir toliau išsaugoti nepriklausomybę. A. Einšteino idėja buvo vaizduoti visus fizikinius dėsnius kaip savybesšio kontinuumo, koks jis yra metrinė. Iš šios naujos pozicijos Einšteinas svarstė Niutono gravitacijos dėsnį. Vietoj to gravitacija jis pradėjo operuoti gravitacinis laukas. Gravitacijos laukai buvo įtraukti į erdvės ir laiko kontinuumą kaip jo „kreivumą“. Kontinuumo metrika tapo neeuklido, „Riemano“ metrika. Kontinuumo „kreivumas“ pradėtas laikyti jame judančių masių pasiskirstymo rezultatu. Naujoji teorija paaiškino Merkurijaus sukimosi aplink Saulę trajektoriją, kuri neatitinka Niutono gravitacijos dėsnio, taip pat žvaigždžių šviesos spindulio, sklindančio šalia Saulės, nukreipimą.

Taigi iš fizikos buvo pašalinta „inercinės koordinačių sistemos“ sąvoka ir apibendrintas teiginys. reliatyvumo principas: bet kuri koordinačių sistema vienodai tinka gamtos reiškiniams apibūdinti.

Kvantinė mechanika.

Antrasis, pasak lordo Kelvino (Thomsono), trūkstamas elementas, norint užbaigti fizikos pastatą XIX ir XX amžių sandūroje, buvo rimtas teorijos ir eksperimento neatitikimas, tiriant absoliučiai juodųjų šiluminės spinduliuotės dėsnius. kūno. Pagal vyraujančią teoriją, jis turėtų būti tęstinis, nuolatinis. Tačiau tai lėmė paradoksalias išvadas, pavyzdžiui, kad visa juodo kūno skleidžiama energija tam tikroje temperatūroje yra lygi begalybei (Rayleigh-Jean formulė). Siekdamas išspręsti šią problemą, vokiečių fizikas Maxas Planckas 1900 m. iškėlė hipotezę, kad materija negali spinduliuoti ar sugerti energijos, išskyrus baigtines dalis (kvantus), proporcingas skleidžiamam (arba sugertam) dažniui. Vienos dalies (kvanto) energija E=hn, kur n – spinduliavimo dažnis, o h – universali konstanta. Planko hipotezę Einšteinas panaudojo fotoelektriniam efektui paaiškinti. Einšteinas pristatė šviesos kvanto arba fotono sąvoką. Jis taip pat pasiūlė tai šviesos, pagal Plancko formulę, turi ir bangines, ir kvantines savybes. Fizikų bendruomenė pradėjo kalbėti apie bangų ir dalelių dvilypumą, juolab kad 1923 metais buvo atrastas dar vienas reiškinys, patvirtinantis fotonų egzistavimą – Komptono efektas.

1924 m. Louis de Broglie išplėtė dvigubos korpuskulinės bangos šviesos idėją apimant visas materijos daleles, pristatydamas idėją materijos bangos. Iš čia galime kalbėti apie elektrono bangines savybes, pavyzdžiui, apie elektronų difrakciją, kurios buvo nustatytos eksperimentiškai. Tačiau R. Feynmano eksperimentai „apliejant“ elektronus ant skydo su dviem skylutėmis parodė, kad, viena vertus, neįmanoma pasakyti, per kurią skylę skrenda elektronas, tai yra tiksliai nustatyti jo koordinatę, o iš kitos pusės. kita vertus, neiškraipyti aptiktų elektronų pasiskirstymo modelio, nepažeidžiant trukdžių pobūdžio. Tai reiškia, kad galime žinoti arba elektrono koordinates, arba jo impulsą, bet ne abu.

Šis eksperimentas suabejojo ​​pačia dalelės samprata klasikine tikslios lokalizacijos erdvėje ir laike prasme.

„Neklasikinio“ mikrodalelių elgesio paaiškinimą pirmasis pateikė vokiečių fizikas Werneris Heisenbergas. Pastarasis suformulavo mikrodalelės judėjimo dėsnį, pagal kurį tikslios dalelės koordinatės žinojimas lemia visišką jos impulso neapibrėžtumą, o atvirkščiai – tikslus dalelės impulso žinojimas lemia visišką jos koordinačių neapibrėžtumą. W. Heisenbergas nustatė ryšį tarp mikrodalelės koordinačių ir impulso neapibrėžčių:

Dx * DP x ³ h, kur Dx yra koordinatės reikšmės neapibrėžtis; DP x – impulso vertės neapibrėžtis; h yra Planko konstanta. Šis dėsnis ir neapibrėžtumo santykis vadinamas neapibrėžtumo principas Heisenbergas.

Analizuodamas neapibrėžtumo principą, danų fizikas Nielsas Bohras parodė, kad, priklausomai nuo eksperimento sąrankos, mikrodalelė atskleidžia arba savo korpuskulinę, arba banginę prigimtį. bet ne abu iš karto. Vadinasi, šios dvi mikrodalelių prigimtys yra viena kitą paneigiančios ir tuo pat metu turėtų būti laikomos viena kitą papildančiomis, o jų aprašymas, pagrįstas dviem eksperimentinių situacijų klasėmis (korpuskuliniu ir banginiu), turėtų būti holistinis mikrodalelės aprašymas. Yra ne dalelė „savyje“, o sistemos „dalelė - įrenginys“. Šios N. Bohro išvados vadinamos papildomumo principas.

Pagal šį metodą neapibrėžtumas ir papildomumas yra ne mūsų nežinojimo matas, o objektyvios mikrodalelių savybės, mikropasaulis kaip visuma. Iš to išplaukia, kad statistiniai, tikimybiniai dėsniai slypi fizinės tikrovės gelmėse, o dinamiški vienareikšmės priežasties ir pasekmės priklausomybės dėsniai yra tik tam tikras konkretus ir idealizuotas statistinių dėsnių išreiškimo atvejis.

Reliatyvistinė kvantinė mechanika.

1927 metais anglų fizikas Paulas Diracas atkreipė dėmesį į tai, kad apibūdinti tuo metu atrastų mikrodalelių: elektrono, protono ir fotono judėjimą, nes jie juda greičiu, artimu šviesos greičiui, buvo pritaikyta specialioji teorija. reikalingas reliatyvumas. Diracas sukūrė lygtį, kuri apibūdino elektrono judėjimą, atsižvelgdama į kvantinės mechanikos ir Einšteino reliatyvumo teorijos dėsnius. Buvo du šios lygties sprendiniai: vienas sprendinys davė žinomą elektroną su teigiama energija, kitas – nežinomą elektroną dvynį, bet turintį neigiamą energiją. Taip kilo idėja apie daleles ir joms simetriškas antidaleles. Tai iškėlė klausimą: ar vakuumas tuščias? Po Einšteino „išstūmimo“ eterį jis neabejotinai atrodė tuščias.

Šiuolaikinės, pasiteisinusios idėjos sako, kad vakuumas „tuščias“ tik vidutiniškai. Jame nuolat gimsta ir išnyksta daugybė virtualių dalelių ir antidalelių. Tai neprieštarauja neapibrėžtumo principui, kuris taip pat turi išraišką DE * Dt ³ h. Vakuumas kvantinio lauko teorijoje apibrėžiamas kaip mažiausia energijos būsena kvantiniame lauke, kurio energija vidutiniškai lygi nuliui. Taigi vakuumas yra „kažkas“, vadinamas „niekuo“.

Kelyje į vieningos lauko teorijos konstravimą.

1918 m. Emmy Noether įrodė, kad jei tam tikra sistema yra nekintanti dėl kokios nors globalios transformacijos, tada ji turi tam tikrą išsaugojimo vertę. Iš to išplaukia, kad (energijos) tvermės dėsnis yra pasekmė simetrijos, egzistuojančios realiame erdvėlaikyje.

Simetrija kaip filosofinė sąvoka reiškia egzistavimo ir tapačių momentų formavimosi procesą tarp skirtingų ir priešingų pasaulio reiškinių būsenų. Tai reiškia, kad tiriant bet kokių sistemų simetriją, būtina atsižvelgti į jų elgesį įvairiose transformacijose ir visame transformacijų rinkinyje nustatyti tuos, kurie palieka nekintantis, nekintantis kai kurios funkcijos, atitinkančios nagrinėjamas sistemas.

Šiuolaikinėje fizikoje ši sąvoka naudojama matuoklio simetrija. Kalibravimu geležinkelių darbuotojai turi omenyje perėjimą nuo siauros prie plačios vėžės. Fizikoje kalibravimas iš pradžių taip pat buvo suprantamas kaip lygio ar masto pasikeitimas. Specialiojoje reliatyvumo teorijoje fizikos dėsniai nesikeičia transliacijos ar poslinkio atžvilgiu kalibruojant atstumą. Matuoklio simetrijoje nekintamumo reikalavimas sukelia tam tikrą specifinį sąveikos tipą. Vadinasi, matuoklio nekintamumas leidžia atsakyti į klausimą: „Kodėl ir kodėl tokios sąveikos egzistuoja gamtoje? Šiuo metu fizika apibrėžia keturių tipų fizinių sąveikų egzistavimą: gravitacinę, stipriąją, elektromagnetinę ir silpnąją. Visi jie turi matuoklio pobūdį ir apibūdinami matuoklio simetrija, kuri yra skirtingi Lie grupių atvaizdai. Tai rodo pirminio egzistavimą supersimetrinis laukas, kuriame vis dar nėra skirtumo tarp sąveikos tipų. Sąveikos skirtumai ir tipai yra spontaniško, spontaniško pradinio vakuumo simetrijos pažeidimo rezultatas. Visatos evoliucija tada pasirodo kaip sinergetinis savęs organizavimo procesas: Vykstant plėtimuisi iš vakuuminės supersimetrinės būsenos, Visata įkaito iki „didžiojo sprogimo“. Tolesnė jo istorijos eiga ėjo per kritinius taškus – bifurkacijos taškus, kuriuose įvyko spontaniški pradinio vakuumo simetrijos pažeidimai. pareiškimas sistemų savarankiškas organizavimas per spontaniškas pradinio tipo simetrijos pažeidimas bifurkacijos taškuose ir yra sinergijos principas.

Savaiminio organizavimo krypties pasirinkimas bifurkacijos taškuose, tai yra, spontaniško pradinės simetrijos pažeidimo taškuose, nėra atsitiktinis. Ją apibrėžia taip, tarsi vakuuminės supersimetrijos lygmenyje jau būtų žmogaus „projektas“, tai yra būtybės, klausiančios, kodėl pasaulis yra toks, „projektas“. Tai antropinis principas, kurią fizikoje 1962 m. suformulavo D. Dicke'as.

Reliatyvumo, neapibrėžtumo, papildomumo, simetrijos, sinergijos, antropinio principo principai, taip pat tikimybinių priežasties ir pasekmės priklausomybių giluminio pagrindo patvirtinimas, susijęs su dinamiškomis, nedviprasmiškomis priežasties ir pasekmės priklausomybėmis. kategoriška-konceptuali šiuolaikinio geštalto struktūra, fizinės tikrovės vaizdas.

Literatūra

1. Akhiezer A.I., Rekalo M.P. Šiuolaikinis fizinis pasaulio vaizdas. M., 1980 m.

2. Bohr N. Atominė fizika ir žmogaus pažinimas. M., 1961 m.

3. Bohr N. Priežastingumas ir papildomumas // Bohr N. Rinktiniai moksliniai darbai 2 tomais T.2. M., 1971 m.

4. Gimė M. Fizika mano kartos gyvenime, M., 1061 m.

5. Broglie L. De. Revoliucija fizikoje. M., 1963 m

6. Heisenbergas V. Fizika ir filosofija. Dalis ir visuma. M. 1989 m.

8. Einšteinas A., Infeldas L. Fizikos evoliucija. M., 1965 m.