Osnove klasične mehanike

Mehanika- veja fizike, ki proučuje zakonitosti mehanskega gibanja teles.

Telo– materialni stvarni predmet.

Mehansko gibanje - sprememba določbe telesa ali njegovih delov v prostoru skozi čas.

Aristotel je to vrsto gibanja predstavljal kot neposredno spremembo položaja telesa glede na druga telesa, saj je v njegovi fiziki materialni svet je bil neločljivo povezan s prostorom, obstajal z njim. Čas je štel za merilo gibanja telesa. Poznejše spremembe v pogledih na naravo gibanja so pripeljale do postopnega ločevanja prostora in časa fizična telesa. končno, absolutizacija Newtonov koncept prostora in časa jih je na splošno popeljal onkraj meja možne izkušnje.

Vendar je ta pristop dovoljen konec XVIII stoletja zgraditi popolno sistem mehanike, zdaj imenovan klasično. klasicizem je to to:

1) opisuje večino mehanski pojavi v makrokozmosu z uporabo majhnega števila začetnih definicij in aksiomov;

2) strogo matematično utemeljeno;

3) se pogosto uporablja na bolj specifičnih področjih znanosti.

Izkušnje to kažejo klasična mehanika veljavno k opisu gibanja teles s hitrostmi v<< с ≈ 3·10 8 м/с. Ее основные разделы:

1) statika proučuje pogoje ravnotežja teles;

2) kinematika - gibanje teles brez upoštevanja njegovih vzrokov;

3) dinamika - vpliv interakcije teles na njihovo gibanje.

Osnovno koncepti mehanike:

1) Mehanski sistem je miselno identificiran niz teles, ki so bistvenega pomena pri dani nalogi.

2) Materialna točka je telo, katerega obliko in dimenzije lahko v okviru tega problema zanemarimo. Telo lahko predstavimo kot sistem materialnih točk.

3) Absolutno togo telo je telo, pri katerem se razdalja med katerima koli točkama ne spreminja pod pogoji danega problema.

4) Relativnost gibanja je v tem, da lahko spremembo položaja telesa v prostoru ugotovimo le glede na nekatera druga telesa.

5) Referenčno telo (RB) – absolutno togo telo, glede na katerega se v tem problemu upošteva gibanje.

6) Referenčni okvir (FR) = (TO + SC + ura). Izhodišče koordinatnega sistema (OS) je združeno z neko točko TO. Ure merijo časovna obdobja.

kartezijanski SK:

Slika 5

Položaj je opisana materialna točka M radij vektorja točke, – njegove projekcije na koordinatne osi.

Če nastavite začetni čas t 0 = 0, potem bo opisano gibanje točke M vektorska funkcija ali tri skalarne funkcije x(t),l(t), z(t).

Linearne značilnosti gibanja materialne točke:

1) trajektorija – linija gibanja materialne točke (geometrijska krivulja),

2) pot ( S) – prevožena razdalja po njem v določenem časovnem obdobju,

3) premikanje,

4) hitrost,

5) pospešek.

Vsako gibanje togega telesa je mogoče zmanjšati na dve glavni vrsti - progresivno in rotacijski okoli fiksne osi.

Gibanje naprej- tista, pri kateri premica, ki povezuje kateri koli dve točki telesa, ostane vzporedna s prvotnim položajem. Takrat se vse točke gibljejo enakomerno in lahko opišemo gibanje celega telesa gibanje ene točke.

Vrtenje okoli fiksne osi - gibanje, pri katerem je ravna črta, togo povezana s telesom, katere vse točke ostanejo nepremične v danem referenčnem okviru. Trajektorije preostalih točk so krožnice s središči na tej premici. V tem primeru je priročno kotne značilnosti gibanja, ki so enaki za vse točke telesa.

Kotne značilnosti gibanja materialne točke:

1) kot vrtenja (kotna pot), merjen v radianih [rad], kjer je r– polmer trajektorije točke,

2) kotni premik, katerega modul je kot vrtenja v kratkem časovnem obdobju dt,

3) kotna hitrost,

4) kotni pospešek.

Slika 6

Razmerje med kotnimi in linearnimi značilnostmi:

Dynamics uporablja koncept moči, merjeno v newtonih (H), kot merilo vpliva enega telesa na drugo. Ta vpliv je vzrok za gibanje.

Načelo superpozicije sil– nastali učinek vpliva več teles na telo je enak vsoti učinkov vpliva vsakega od teh teles posebej. Količina se imenuje rezultanta sile in označuje enakovreden učinek na telo n tel.

Newtonovi zakoni posplošujejo eksperimentalna dejstva mehanike.

Newtonov 1. zakon. Obstajajo referenčni sistemi, glede na katere materialna točka ohranja stanje mirovanja ali enakomernega premočrtnega gibanja, če nanjo ne deluje sila, tj. če, potem.

Takšno gibanje imenujemo gibanje po vztrajnosti ali vztrajnostno gibanje, zato imenujemo referenčne sisteme, v katerih je izpolnjen 1. Newtonov zakon. inercialna(ISO).

Newtonov 2. zakon. , kjer je moment materialne točke, m– njegova masa, tj. če , potem in posledično gibanje ne bo več vztrajnostno.

Newtonov 3. zakon. Ko dve materialni točki medsebojno vplivata, nastanejo sile, ki delujejo na obe točki in .

Mehanika je veda o ravnotežju in gibanju teles (ali njihovih delov) v prostoru in času. Mehansko gibanje je najenostavnejša in hkrati (za človeka) najpogostejša oblika obstoja materije. Zato zavzema mehanika izjemno pomembno mesto v naravoslovju in je glavno pododdelek fizike. Zgodovinsko je nastala in se kot veda oblikovala prej kot druga podpodročja naravoslovja.

Mehanika vključuje statiko, kinematiko in dinamiko. V statiki se preučujejo pogoji ravnotežja teles, v kinematiki - gibanja teles z geometrijskega vidika, tj. brez upoštevanja delovanja sil in v dinamiki - ob upoštevanju teh sil. Statiko in kinematiko pogosto obravnavamo kot uvod v dinamiko, čeprav imata tudi samostojen pomen.

Doslej smo z mehaniko razumeli klasično mehaniko, katere izgradnja je bila dokončana do začetka 20. stoletja. V okviru sodobne fizike obstajata še dve mehaniki - kvantna in relativistična. Toda bolj podrobno si bomo ogledali klasično mehaniko.

Klasična mehanika obravnava gibanje teles s hitrostjo veliko manjšo od svetlobne. Po posebni teoriji relativnosti za telesa, ki se gibljejo z velikimi hitrostmi blizu svetlobne hitrosti, absolutni čas in absolutni prostor ne obstajata. Zato postane narava interakcije teles bolj zapletena, zlasti se izkaže, da je masa telesa odvisna od hitrosti njegovega gibanja. Vse to je bilo predmet obravnave relativistične mehanike, za katero ima temeljno vlogo svetlobna konstanta.

Klasična mehanika temelji na naslednjih osnovnih zakonih.

Galilejev princip relativnosti

Po tem principu je neskončno veliko referenčnih sistemov, v katerih prosto telo miruje ali se giblje s hitrostjo, ki je konstantna po velikosti in smeri. Ti referenčni sistemi se imenujejo inercialni in se gibljejo drug glede na drugega enakomerno in premočrtno. To načelo lahko formuliramo tudi kot odsotnost absolutnih referenčnih sistemov, torej referenčnih sistemov, ki se na kakršen koli način razlikujejo glede na druge.

Osnova klasične mehanike so trije Newtonovi zakoni.

1. Vsako materialno telo ohranja stanje mirovanja ali enakomernega premokotnega gibanja, dokler ga vpliv drugih teles ne prisili, da spremeni to stanje. Želja telesa, da ohrani stanje mirovanja ali enakomernega linearnega gibanja, se imenuje vztrajnost. Zato prvi zakon imenujemo tudi zakon vztrajnosti.
2. Pospešek, ki ga pridobi telo, je premo sorazmeren s silo, ki deluje na telo, in obratno sorazmeren z maso telesa.
3. Sile, s katerimi medsebojno delujoča telesa delujejo druga na drugo, so enake po velikosti in nasprotne smeri.

Newtonov drugi zakon nam je znan kot

naravoslovni zakon klasične mehanike

F = m H a ali a = F/m,

kjer je pospešek a, ki ga prejme telo pod delovanjem sile F, obratno sorazmeren z maso telesa m.

Prvi zakon lahko dobimo iz drugega, saj je v odsotnosti vpliva drugih sil na telo pospešek enak nič. Vendar pa prvi zakon velja za neodvisen zakon, saj zatrjuje obstoj inercialnih referenčnih sistemov. V matematični formulaciji je Newtonov drugi zakon najpogosteje zapisan na naslednji način:

kjer je rezultantni vektor sil, ki delujejo na telo; -- vektor pospeška telesa; m - telesna teža.

Tretji Newtonov zakon pojasnjuje nekatere lastnosti koncepta sile, uvedenega v drugem zakonu. Predpostavlja, da je za vsako silo, ki deluje na prvo telo od drugega, enaka po velikosti in nasprotna smer sili, ki deluje na drugo telo od prvega. Prisotnost tretjega Newtonovega zakona zagotavlja izpolnitev zakona o ohranitvi gibalne količine za sistem teles.

Zakon ohranitve gibalne količine

Ta zakon je posledica Newtonovih zakonov za zaprte sisteme, to je sisteme, na katere ne delujejo zunanje sile ali pa se delovanje zunanjih sil kompenzira in je posledična sila enaka nič. Z bolj temeljnega vidika obstaja razmerje med zakonom o ohranitvi gibalne količine in homogenostjo prostora, izraženo z Noetherjevim izrekom.

Zakon o ohranitvi energije

Zakon o ohranitvi energije je posledica Newtonovih zakonov za zaprte konservativne sisteme, torej sisteme, v katerih delujejo le konservativne sile. Energija, ki jo daje eno telo drugemu, je vedno enaka energiji, ki jo prejme drugo telo. Za kvantificiranje procesa izmenjave energije med medsebojno delujočimi telesi mehanika uvaja koncept dela sile, ki povzroča gibanje. Sila, ki povzroči gibanje telesa, opravlja delo, energija gibajočega se telesa pa se poveča za količino porabljenega dela. Kot veste, ima telo z maso m, ki se giblje s hitrostjo v, kinetično energijo

Potencialna energija je mehanska energija sistema teles, ki medsebojno delujejo preko silnih polj, na primer preko gravitacijskih sil. Delo, ki ga te sile opravijo pri premikanju telesa iz enega položaja v drugega, ni odvisno od trajektorije gibanja, ampak je odvisno samo od začetnega in končnega položaja telesa v polju sil. Gravitacijske sile so konservativne sile in potencialna energija telesa z maso m, dvignjenega na višino h nad zemeljsko površino, je enaka

E znoj = mgh,

kjer je g gravitacijski pospešek.

Celotna mehanska energija je enaka vsoti kinetične in potencialne energije.

Glej tudi: Portal:Fizika

Klasična mehanika- vrsta mehanike (veja fizike, ki preučuje zakonitosti spreminjanja položajev teles v prostoru skozi čas in vzroke, ki jih povzročajo), ki temelji na Newtonovih zakonih in Galilejevem načelu relativnosti. Zato se pogosto imenuje " Newtonova mehanika».

Klasično mehaniko delimo na:

statika (ki upošteva ravnotežje teles)
kinematika (ki proučuje geometrijske lastnosti gibanja, ne da bi upoštevala njegove vzroke)
dinamika (ki upošteva gibanje teles).

Obstaja več enakovrednih načinov za formalni matematični opis klasične mehanike:

Lagrangijev formalizem
Hamiltonov formalizem

Klasična mehanika daje zelo natančne rezultate, če je njena uporaba omejena na telesa, katerih hitrosti so veliko manjše od svetlobne hitrosti in katerih velikosti znatno presegajo velikosti atomov in molekul. Posplošitev klasične mehanike na telesa, ki se gibljejo s poljubno hitrostjo, je relativistična mehanika, na telesa, katerih dimenzije so primerljive z atomskimi, pa kvantna mehanika. Kvantna teorija polja preučuje kvantne relativistične učinke.

Vendar pa klasična mehanika ohranja svoj pomen, ker:

jo je veliko lažje razumeti in uporabljati kot druge teorije
v širokem obsegu precej dobro opisuje realnost.

Klasično mehaniko lahko uporabimo za opis gibanja predmetov, kot so vrhovi in žogice za baseball, številnih astronomskih objektov (kot so planeti in galaksije) in včasih celo številnih mikroskopskih predmetov, kot so molekule.

Klasična mehanika je samokonsistentna teorija, to pomeni, da v njenem okviru ni trditev, ki bi si nasprotovale. Vendar pa njena kombinacija z drugimi klasičnimi teorijami, na primer klasično elektrodinamiko in termodinamiko, vodi do nastanka nerešljivih protislovij. Predvsem klasična elektrodinamika predvideva, da je hitrost svetlobe konstantna za vse opazovalce, kar ni združljivo s klasično mehaniko. Na začetku 20. stoletja je to privedlo do potrebe po oblikovanju posebne teorije relativnosti. Če klasično mehaniko obravnavamo v povezavi s termodinamiko, pride do Gibbsovega paradoksa, v katerem je nemogoče natančno določiti vrednost entropije, in do ultravijolične katastrofe, pri kateri mora črno telo sevati neskončno veliko energije. Poskusi reševanja teh problemov so privedli do nastanka in razvoja kvantne mehanike.

Osnovni pojmi

Klasična mehanika deluje na več osnovnih konceptih in modelih. Med njimi so:

Osnovni zakoni

Galilejev princip relativnosti

Glavno načelo, na katerem temelji klasična mehanika, je načelo relativnosti, ki ga je na podlagi empiričnih opazovanj oblikoval G. Galileo. Po tem principu je neskončno veliko referenčnih sistemov, v katerih prosto telo miruje ali se giblje s hitrostjo, ki je konstantna po velikosti in smeri. Ti referenčni sistemi se imenujejo inercialni in se gibljejo relativno enakomerno in premočrtno. V vseh inercialnih referenčnih sistemih so lastnosti prostora in časa enake in vsi procesi v mehanskih sistemih se podrejajo istim zakonom. To načelo lahko formuliramo tudi kot odsotnost absolutnih referenčnih sistemov, torej referenčnih sistemov, ki se na kakršen koli način razlikujejo glede na druge.

Newtonovi zakoni

Osnova klasične mehanike so trije Newtonovi zakoni.

Newtonov drugi zakon ni dovolj za opis gibanja delca. Poleg tega je potreben opis sile, pridobljen iz upoštevanja bistva fizične interakcije, v kateri sodeluje telo.

Zakon o ohranitvi energije

Zakon o ohranitvi energije je posledica Newtonovih zakonov za zaprte konservativne sisteme, torej sisteme, v katerih delujejo le konservativne sile. Z bolj temeljnega vidika obstaja razmerje med zakonom o ohranitvi energije in homogenostjo časa, izraženo z Noetherjevim izrekom.

Onkraj uporabnosti Newtonovih zakonov

Klasična mehanika vključuje tudi opise kompleksnih gibanj razširjenih netočkovnih objektov. Eulerjevi zakoni zagotavljajo razširitev Newtonovih zakonov na to področje. Koncept kotne količine temelji na enakih matematičnih metodah, ki se uporabljajo za opisovanje enodimenzionalnega gibanja.

Enačbe gibanja rakete razširjajo koncept hitrosti, kjer se gibalna količina predmeta spreminja skozi čas, da se upoštevajo učinki, kot je izguba mase. Obstajata dve pomembni alternativni formulaciji klasične mehanike: Lagrangeova mehanika in Hamiltonova mehanika. Te in druge sodobne formulacije ponavadi zaobidejo koncept "sile" in poudarjajo druge fizikalne količine, kot sta energija ali delovanje, za opis mehanskih sistemov.

Zgornji izrazi za gibalno količino in kinetično energijo so veljavni le, če ni pomembnega elektromagnetnega prispevka. V elektromagnetizmu je drugi Newtonov zakon za žico, po kateri teče tok, kršen, če ne vključuje prispevka elektromagnetnega polja k gibalni količini sistema, izraženega s Poyntingovim vektorjem, deljenim z c 2 kje c je hitrost svetlobe v prostem prostoru.

Zgodba

Starodavni čas

Klasična mehanika je nastala v antiki predvsem v povezavi s problemi, ki so se pojavljali med gradnjo. Prva veja mehanike, ki se je razvila, je bila statika, katere temelje je postavil Arhimed v 3. stoletju pr. e. Oblikoval je pravilo vzvoda, izrek o seštevanju vzporednih sil, uvedel pojem težišča in postavil temelje hidrostatike (Arhimedova sila).

srednji vek

Nov čas

17. stoletje

XVIII stoletja

19. stoletje

V 19. stoletju je razvoj analitične mehanike potekal v delih Ostrogradskega, Hamiltona, Jacobija, Hertza in drugih. V teoriji oscilacij so Routh, Žukovski in Ljapunov razvili teorijo stabilnosti mehanskih sistemov. Coriolis je razvil teorijo relativnega gibanja in dokazal izrek o razgradnji pospeška na komponente. V drugi polovici 19. stoletja se je kinematika izločila v ločen del mehanike.

Napredek na področju mehanike kontinuuma je bil še posebej pomemben v 19. stoletju. Navier in Cauchy sta oblikovala enačbe teorije elastičnosti v splošni obliki. V delih Navierja in Stokesa so bile pridobljene diferencialne enačbe hidrodinamike ob upoštevanju viskoznosti tekočine. Ob tem se poglablja znanje na področju hidrodinamike idealne tekočine: pojavljajo se dela Helmholtza o vrtincih, Kirchhoffa, Žukovskega in Reynoldsa o turbulenci ter Prandtla o mejnih učinkih. Saint-Venant je razvil matematični model, ki opisuje plastične lastnosti kovin.

Sodobni časi

V 20. stoletju se je zanimanje raziskovalcev preusmerilo na nelinearne učinke na področju klasične mehanike. Lyapunov in Henri Poincaré sta postavila temelje teorije nelinearnih nihanj. Meshchersky in Tsiolkovsky sta analizirala dinamiko teles s spremenljivo maso. Aerodinamika izstopa iz mehanike kontinuuma, katere temelje je razvil Žukovski. Sredi 20. stoletja se je v klasični mehaniki aktivno razvijala nova smer - teorija kaosa. Pomembna ostajajo tudi vprašanja stabilnosti kompleksnih dinamičnih sistemov.

Omejitve klasične mehanike

Klasična mehanika daje natančne rezultate za sisteme, s katerimi se srečujemo v vsakdanjem življenju. Toda njene napovedi postanejo nepravilne za sisteme, katerih hitrost se približa svetlobni hitrosti, kjer jo nadomesti relativistična mehanika, ali za zelo majhne sisteme, kjer veljajo zakoni kvantne mehanike. Za sisteme, ki združujejo obe lastnosti, se namesto klasične mehanike uporablja relativistična kvantna teorija polja. Za sisteme z zelo velikim številom komponent oziroma prostostnih stopenj tudi klasična mehanika ne more biti ustrezna, ampak se uporabljajo metode statistične mehanike.

Klasična mehanika se pogosto uporablja, ker je, prvič, veliko enostavnejša in lažja za uporabo kot zgoraj naštete teorije, in, drugič, ima velik potencial za približevanje in uporabo za zelo širok razred fizičnih objektov, začenši z znanimi, kot je npr. vrh ali krogla, na velike astronomske objekte (planete, galaksije) in zelo mikroskopske (organske molekule).

Čeprav je klasična mehanika na splošno združljiva z drugimi "klasičnimi" teorijami, kot sta klasična elektrodinamika in termodinamika, obstajajo nekatere nedoslednosti med tema teorijama, ki so bile odkrite v poznem 19. stoletju. Rešujejo jih lahko z metodami sodobnejše fizike. Zlasti enačbe klasične elektrodinamike so neinvariantne glede na Galilejeve transformacije. Hitrost svetlobe vstopa vanje kot konstanta, kar pomeni, da sta lahko klasična elektrodinamika in klasična mehanika združljivi le v enem izbranem referenčnem okviru, povezanem z etrom. Eksperimentalna testiranja pa niso razkrila obstoja etra, kar je privedlo do oblikovanja posebne teorije relativnosti, v okviru katere so bile modificirane enačbe mehanike. Načela klasične mehanike so tudi nezdružljiva z nekaterimi izjavami klasične termodinamike, kar vodi do Gibbsovega paradoksa, ki pravi, da entropije ni mogoče natančno določiti, in do ultravijolične katastrofe, v kateri mora črno telo sevati neskončno količino energije. Kvantna mehanika je bila ustvarjena za premagovanje teh nezdružljivosti.

Opombe

Internetne povezave

Video predavanje 1. Fizika: Klasična mehanika (jesen 1999)// Predavanja MIT: 8.01

Literatura

Arnold V.I. Avets A. Ergodični problemi klasične mehanike.. - RHD, 1999. - 284 str.
B. M. Yavorsky, A. A. Detlaf. Fizika za srednješolce in vpisnike. - M .: Akademija, 2008. - 720 str. - (Visokošolstvo). - 34.000 izvodov.
- ISBN 5-7695-1040-4 Sivuhin D.V.
Tečaj splošne fizike. - 5. izd., stereotipno. - M.: Fizmatlit, 2006. - T. I. Mehanika. - 560 s. - ISBN 5-9221-0715-1 A. N. Matveev.
Mehanika in teorija relativnosti. - 3. izd. - M .: ONIX 21. stoletje: Mir in izobraževanje, 2003. - 432 str. - 5000 izvodov.- ISBN 5-329-00742-9
C. Kittel, W. Knight, M. Ruderman Mehanika. Tečaj fizike Berkeley. - M .: Lan, 2005. - 480 str. - (Učbeniki za visoke šole). - 2000 izvodov.

- ISBN 5-8114-0644-4

Landau, L. D., Lifshits, E. M. Mehanika. - 5. izd., stereotipno. - M.: Newtonova mehanika».

Gradivo iz Wikipedije - proste enciklopedije

Klasična mehanika

kinematika (ki proučuje geometrijske lastnosti gibanja, ne da bi upoštevala njegove vzroke)

dinamika (ki upošteva gibanje teles).

Klasična mehanika daje zelo natančne rezultate, če je njena uporaba omejena na telesa, katerih hitrosti so veliko manjše od svetlobne hitrosti in katerih dimenzije znatno presegajo dimenzije atomov in molekul. Posplošitev klasične mehanike na telesa, ki se gibljejo s poljubno hitrostjo, je relativistična mehanika, na telesa, katerih dimenzije so primerljive z atomskimi, pa kvantna teorija polja preučuje kvantne relativistične učinke.

Vendar pa klasična mehanika ohranja svoj pomen, ker:

je veliko lažje razumeti in uporabljati kot druge teorije

v širokem obsegu precej dobro opisuje realnost.

Klasična mehanika je samokonsistentna teorija, to pomeni, da v njenem okviru ni trditev, ki bi si nasprotovale. Vendar pa njena kombinacija z drugimi klasičnimi teorijami, na primer klasično elektrodinamiko in termodinamiko, vodi do nastanka nerešljivih protislovij. Predvsem klasična elektrodinamika predvideva, da je hitrost svetlobe konstantna za vse opazovalce, kar ni združljivo s klasično mehaniko. Na začetku 20. stoletja je to privedlo do potrebe po oblikovanju posebne teorije relativnosti. Če klasično mehaniko obravnavamo skupaj s termodinamiko, pride do Gibbsovega paradoksa, v katerem je nemogoče natančno določiti vrednost entropije, in ultravijolične katastrofe, v kateri mora popolnoma črno telo sevati neskončno veliko energije. Poskusi reševanja teh problemov so privedli do nastanka in razvoja kvantne mehanike.

10 vstopnic MEHANSKA SLIKA SVETA TERMODINAMIKA

Termodinamika(grško θέρμη - "toplota", δύναμις - "sila") - veja fizike, ki preučuje razmerja in transformacije toplote in drugih oblik energije. Kemijska termodinamika, ki preučuje fizikalne in kemijske transformacije, povezane s sproščanjem ali absorpcijo toplote, ter toplotna tehnika sta postali ločeni disciplini.

V termodinamiki nimamo opravka s posameznimi molekulami, temveč z makroskopskimi telesi, sestavljenimi iz ogromnega števila delcev. Ta telesa imenujemo termodinamični sistemi. V termodinamiki so toplotni pojavi opisani z makroskopskimi veličinami - tlak, temperatura, prostornina, ..., ki niso uporabne za posamezne molekule in atome.

V teoretični fiziki je poleg fenomenološke termodinamike, ki preučuje fenomenologijo toplotnih procesov, statistična termodinamika, ki je nastala za mehansko utemeljitev termodinamike in je bila ena prvih vej statistične fizike.

Termodinamiko je mogoče uporabiti za širok spekter tem v znanosti in tehnologiji, kot so motorji, fazni prehodi, kemijske reakcije, transportni pojavi in celo črne luknje. Termodinamika je pomembna za druga področja fizike in kemije, kemijskega inženirstva, vesoljskega inženirstva, strojništva, celične biologije, biomedicinskega inženiringa, znanosti o materialih in uporabna na drugih področjih, kot je ekonomija [

11 vstopnic ELEKTRODINAMIKA

elektrodinamika- veja fizike, ki preučuje elektromagnetno polje v najsplošnejšem primeru (to pomeni, da se upoštevajo časovno odvisna spremenljiva polja) in njegovo interakcijo s telesi, ki imajo električni naboj (elektromagnetna interakcija). Predmet elektrodinamike zajema povezavo med električnimi in magnetnimi pojavi, elektromagnetno sevanje (v različnih pogojih, tako prostih kot v različnih primerih interakcije s snovjo), električni tok (na splošno spremenljiv) in njegovo interakcijo z elektromagnetnim poljem (električni tok lahko štejemo, ko je to kot zbirka premikajočih se nabitih delcev). Vsaka električna in magnetna interakcija med naelektrenimi telesi se v sodobni fiziki obravnava kot dogajanje skozi elektromagnetno polje in je zato tudi predmet elektrodinamike.

Najpogosteje pod terminom elektrodinamika privzeto se razume klasično elektrodinamika, ki z Maxwellovim sistemom enačb opisuje samo zvezne lastnosti elektromagnetnega polja; za označevanje sodobne kvantne teorije elektromagnetnega polja in njegove interakcije z nabitimi delci se običajno uporablja stabilen izraz kvantna elektrodinamika.

12 vstopnica POJEM SIMETRIJE V NARAVOSLOVJU

Izrek Emmy Noether pravi, da vsaka zvezna simetrija fizičnega sistema ustreza določenemu ohranitvenemu zakonu. Tako zakon o ohranitvi energije ustreza homogenosti časa, zakon o ohranitvi gibalne količine - homogenosti prostora, zakon o ohranitvi kotne količine - izotropiji prostora, zakon o ohranitvi električnega naboja - merilni simetriji itd. .

Izrek je običajno formuliran za sisteme, ki imajo akcijski funkcional, in izraža invariantnost Lagrangiana glede na neko zvezno skupino transformacij.

Izrek je bil ustanovljen v delih znanstvenikov gottingenske šole D. Gilberta, F. KleinaiE. Noether. Najpogostejšo formulacijo je leta 1918 dokazala Emmy Noether.

Vrste simetrij, ki jih najdemo v matematiki in znanosti:

dvostranska simetrija - simetrija glede na zrcalni odboj. (Dvostranska simetrija)

simetrija n-tega reda - simetrija glede na rotacijski kot 360°/n okoli katere koli osi.

Opisuje skupina Zn.

osna simetrija (radialna simetrija, radialna simetrija) - simetrija glede na vrtenje pod poljubnim kotom okoli katere koli osi. Opisano s skupino SO(2).

sferična simetrija - simetrija glede na rotacije v tridimenzionalnem prostoru pod poljubnimi koti. Opisuje ga skupina SO(3). Lokalno sferično simetrijo prostora ali medija imenujemo tudi izotropija.

rotacijska simetrija je posplošitev prejšnjih dveh simetrij.

translacijska simetrija - simetrija glede na premike prostora v katero koli smer na določeni razdalji.

Lorentzova invarianca - simetrija glede na poljubne rotacije v prostoru-času Minkowskega.

merilna invariantnost - neodvisnost oblike enačb merilnih teorij v kvantni teoriji polja (zlasti Yang-Millsovih teorij) pod merilnimi transformacijami.

supersimetrija - simetrija teorije glede zamenjave bozonov s fermioni.

višja simetrija - simetrija v skupinski analizi.

kinosimetrija je pojav elektronske konfiguracije (izraz je uvedel S. A. Shchukarev, ki ga je odkril), ki določa sekundarno periodičnost (odkril E. V. Biron).

13 postaja za prodajo vozovnic(Posebna teorija relativnosti STO ; tudi) - teorija, ki opisuje gibanje, zakone mehanike in razmerja prostor-čas pri poljubnih hitrostih gibanja, manjših od svetlobne hitrosti v vakuumu, vključno s tistimi, ki so blizu svetlobni hitrosti. V okviru posebne teorije relativnosti je klasična Newtonova mehanika približek nizkih hitrosti. Posplošitev STR za gravitacijska polja se imenuje splošna relativnost.

Odstopanja v poteku fizikalnih procesov od napovedi klasične mehanike, ki jih opisuje posebna relativnostna teorija, imenujemo relativistični učinki, in hitrosti, pri katerih postanejo takšni učinki pomembni, so relativistične hitrosti.

14 vstopnic OTO

Splošna teorija relativnosti(GTO;nemščina allgemeine Relativitätstheorie) je geometrijska teorija gravitacije, ki razvija posebno teorijo relativnosti (STR), ki jo je objavil Albert Einstein v letih 1915-1916. V okviru splošne teorije relativnosti, tako kot v drugih metričnih teorijah, se domneva, da gravitacijskih učinkov ne povzroča medsebojno delovanje sil teles in polj, ki se nahajajo v prostoru-času, temveč deformacija samega prostora-časa, ki je povezana zlasti s prisotnostjo mase-energije. Splošna relativnost se razlikuje od drugih metričnih teorij gravitacije z uporabo Einsteinovih enačb za povezavo ukrivljenosti prostora-časa s snovjo, ki je v njem.

Splošna teorija relativnosti je trenutno najuspešnejša teorija gravitacije, dobro potrjena z opazovanji. Prvi uspeh splošne teorije relativnosti je bila razlaga nenormalne precesije perihelija Merkurja. Nato je leta 1919 Arthur Eddington poročal o opazovanju upogiba svetlobe blizu Sonca v trenutku popolnega mrka, kar je kvalitativno in kvantitativno potrdilo napovedi splošne teorije relativnosti. Od takrat so mnoga druga opazovanja in eksperimenti potrdili precejšnje število napovedi teorije, vključno z gravitacijsko časovno dilatacijo, gravitacijskim rdečim premikom, zakasnitvijo signala v gravitacijskem polju in doslej le posredno z gravitacijskim sevanjem. Poleg tega se številna opazovanja razlagajo kot potrditev ene najbolj skrivnostnih in eksotičnih napovedi splošne teorije relativnosti - obstoja črnih lukenj.

Kljub osupljivemu uspehu splošne teorije relativnosti v znanstveni skupnosti vlada nelagodje, povezano, prvič, z dejstvom, da je ni mogoče preoblikovati kot klasično mejo kvantne teorije, in drugič, z dejstvom, da sama teorija kaže na meje njegove uporabnosti, saj napoveduje pojav neodstranljivih fizikalnih razhajanj pri obravnavi črnih lukenj in prostorsko-časovnih singularnosti nasploh. Za rešitev teh problemov so bile predlagane številne alternativne teorije, od katerih so nekatere tudi kvantne. Sodobni eksperimentalni podatki pa kažejo, da bi moralo biti kakršno koli odstopanje od splošne relativnostne teorije zelo majhno, če sploh obstaja.

15 vstopnic ŠIRITEV VESOLJA HUBBLOV ZAKON

Širjenje vesolja- pojav, ki ga sestavlja skoraj enakomerno in izotropno širjenje vesolja v obsegu celotnega vesolja. Eksperimentalno opazujemo širjenje vesolja v obliki izpolnjevanja Hubblovega zakona. Znanost tako imenovani veliki pok šteje za začetek širjenja vesolja. Teoretično je pojav napovedal in utemeljil A. Friedman na zgodnji stopnji razvoja splošne teorije relativnosti iz splošnih filozofskih razmišljanj o homogenosti in izotropnosti vesolja.

Hubblov zakon(zakon univerzalne recesije galaksij) - empirični zakon, ki povezuje rdeči premik galaksije in njeno razdaljo do njih na linearen način:

kje z- rdeči premik galaksije, D- oddaljenost do njega, H 0 je sorazmernostni koeficient, imenovan Hubblova konstanta. Pri nizki vrednosti z približna enakost je izpolnjena cz=V r, Kje V r je hitrost galaksije vzdolž opazovalčevega vidnega polja, c- hitrost svetlobe. V tem primeru ima zakon klasično obliko:

Ta starost je trenutni značilni čas širjenja vesolja in do faktorja 2 ustreza starosti vesolja, izračunani po standardnem Friedmannovem kozmološkem modelu.

16 vstopnic FRIEDMANOV MODEL

Friedmanovo vesolje(Friedman-Lemaître-Robertson-Walkerjeva metrika) je eden od kozmoloških modelov, ki zadovoljujejo enačbe polja splošne teorije relativnosti, prvi od nestacionarnih modelov vesolja. Pridobil Alexander Friedman leta 1922. Friedmanov model opisuje homogeno izotropno nestacionarni Vesolje s snovjo, ki ima pozitivno, ničelno ali negativno konstantno ukrivljenost. To delo znanstvenika je postalo glavni teoretični razvoj splošne teorije relativnosti po delu Einsteina v letih 1915-1917.

gravitacijska singularnost- območje prostora-časa, skozi katerega ni mogoče podaljšati geodetske črte. Pogosto se v njem ukrivljenost prostorsko-časovnega kontinuuma obrne v neskončnost ali pa ima metrika druge patološke lastnosti, ki ne dopuščajo fizične interpretacije (npr. kozmološka singularnost- stanje vesolja v začetnem trenutku velikega poka, za katerega je značilna neskončna gostota in temperatura snovi);

17 vstopnic TEORIJA VELIKEGA POKA

sevanje CMB(oz kozmično mikrovalovno sevanje ozadja angleščina kozmično mikrovalovno sevanje ozadja) - kozmično elektromagnetno sevanje z visoko stopnjo izotropije in spektrom, značilnim za absolutno črno telo s temperaturo 2,725 K.

Obstoj kozmičnega mikrovalovnega sevanja ozadja je bil teoretično predviden v okviru teorije velikega poka. Čeprav so bili številni vidiki izvirne teorije velikega poka zdaj revidirani, so osnove, ki so omogočile napovedovanje temperature reliktnega sevanja, ostale nespremenjene. Menijo, da se je reliktno sevanje ohranilo iz začetnih faz obstoja vesolja in ga enakomerno napolnjuje. Njegov obstoj je bil eksperimentalno potrjen leta 1965. Poleg kozmološkega rdečega premika se kozmično mikrovalovno sevanje ozadja šteje za eno glavnih potrditev teorije velikega poka

Veliki pok(angleščina) Veliki pok) je kozmološki model, ki opisuje zgodnji razvoj vesolja, in sicer začetek širjenja vesolja, pred katerim je bilo vesolje v singularnem stanju.

Običajno zdaj samodejno združujemo teorijo velikega poka in model vročega vesolja, vendar sta ta koncepta neodvisna in zgodovinsko je obstajal tudi koncept hladnega začetnega vesolja v bližini velikega poka. Nadalje se obravnava kombinacija teorije velikega poka s teorijo o vročem vesolju, ki jo podpira obstoj kozmičnega mikrovalovnega sevanja ozadja.

18 vstopnic VESOLJSKI VAKUUM

Vakuum(lat. vakuum- praznina) - prostor brez snovi. V tehniki in uporabni fiziki vakuum razumemo kot medij, ki vsebuje plin pri tlakih, ki so znatno nižji od atmosferskega. Za vakuum je značilno razmerje med dolžino proste poti molekul plina λ in značilno velikostjo medija d. Pod d Glede na vrednost razmerja λ/ se lahko vzame razdalja med stenami vakuumske komore, premer vakuumskega cevovoda itd. d Obstaja nizek (), srednji () in visok () vakuum.

Treba je razlikovati med pojmi fizični vakuum in tehnični vakuum.

19 vstopnica KVANTNA MEHANIKA

Kvantna mehanika- del teoretične fizike, ki opisuje fizikalne pojave, v katerih je delovanje primerljivo po velikosti s Planckovo konstanto. Napovedi kvantne mehanike se lahko bistveno razlikujejo od napovedi klasične mehanike. Ker je Planckova konstanta izredno majhna vrednost v primerjavi z učinki vsakdanjih predmetov, se kvantni učinki običajno pojavijo le na mikroskopskih lestvicah. Če je fizično delovanje sistema veliko večje od Planckove konstante, se kvantna mehanika organsko prelevi v klasično mehaniko. Po drugi strani pa je kvantna mehanika nerelativistični približek (to je približek nizkih energij v primerjavi z energijo mirovanja masivnih delcev sistema) kvantne teorije polja.

Klasična mehanika, ki dobro opisuje sisteme v makroskopskem merilu, ni sposobna opisati pojavov na ravni atomov, molekul in elektron-vifotonov. Kvantna mehanika ustrezno opisuje osnovne lastnosti in obnašanje atomov, ionov, molekul, kondenzirane snovi in drugih sistemov z elektronsko-jedrsko strukturo. Kvantna mehanika je sposobna opisati tudi obnašanje elektronov, fotonov in drugih osnovnih delcev, vendar je natančnejši relativistično invariantni opis transformacij osnovnih delcev zgrajen v okviru kvantne teorije polja. Eksperimenti potrjujejo rezultate, pridobljene s pomočjo kvantne mehanike.

Glavna koncepta kvantne kinematike sta koncepta opazljivega in stanja.

Osnovne enačbe kvantne dinamike so Schrödingerjeva enačba, von Neumannova enačba, Lindbladova enačba, Heisenbergova enačba in Paulijeva enačba.

Enačbe kvantne mehanike so tesno povezane s številnimi vejami matematike, vključno s: teorijo operatorjev, teorijo verjetnosti, funkcionalno analizo, operatorske algebre, teorijo skupin.

Absolutno črno telo- fizična idealizacija, ki se uporablja v termodinamiki, telo, ki absorbira vse elektromagnetno sevanje, ki pada nanj v vseh razponih in ne odbija ničesar. Črno telo lahko kljub imenu oddaja elektromagnetno sevanje katere koli frekvence in ima vizualno barvni spekter sevanja črnega telesa, ki ga določa le njegova temperatura.

Pomen absolutno črnega telesa pri vprašanju spektra toplotnega sevanja vseh (sivih in barvnih) teles nasploh je poleg tega, da predstavlja najenostavnejši netrivialni primer, tudi v tem, da je vprašanje spektra ravnotežnega toplotnega sevanja teles poljubne barve in odbojnega koeficienta se z metodami klasične termodinamike reducira na vprašanje sevanja absolutno črnega telesa (in zgodovinsko gledano je bilo to storjeno že do konca 19. stoletja, ko v ospredje je prišel problem sevanja absolutno črnega telesa).

Najbolj črne prave snovi, na primer saje, absorbirajo do 99% vpadnega sevanja (to je, da imajo albedo 0,01) v vidnem območju valovnih dolžin, vendar absorbirajo infrardeče sevanje veliko slabše. Med telesi Osončja ima Sonce v največji meri lastnosti absolutno črnega telesa.

Izraz je uvedel Gustav Kirchhoff leta 1862.

20 vstopnic PRINCIPI KVANTNE MEHANIKE

Vse probleme sodobne fizike lahko razdelimo v dve skupini: probleme klasične fizike in probleme kvantne fizike. Pri preučevanju lastnosti navadnih makroskopskih teles se skoraj nikoli ne srečamo s kvantnimi problemi, saj kvantne lastnosti postanejo opazne šele v mikrosvetu. Zato fizika 19. stoletja, ki je proučevala le makroskopska telesa, kvantnih procesov ni poznala. To je klasična fizika. Za klasično fiziko je značilno, da ne upošteva atomske zgradbe snovi. Dandanes je razvoj eksperimentalne tehnologije tako močno razširil meje našega poznavanja narave, da zdaj poznamo, in to zelo podrobno, natančne podrobnosti posameznih atomov in molekul. Sodobna fizika preučuje atomsko strukturo snovi in s tem načela stare klasične fizike 19. stoletja. se je moral spremeniti v skladu z novimi dejstvi in to korenito spremeniti. Ta sprememba načel je prehod v kvantno fiziko

21 vstopnic WAVE PARTICULAR DUALISM

Dualizem delcev in valov- načelo, po katerem ima lahko vsak predmet valovne in korpuskularne lastnosti. Uveden je bil med razvojem kvantne mehanike za razlago pojavov, opazovanih v mikrosvetu, z vidika klasičnih konceptov. Nadaljnji razvoj načela dualnosti val-delec je bil koncept kvantiziranih polj v kvantni teoriji polja.

Kot klasičen primer si lahko svetlobo razlagamo kot tok telesc (fotonov), ki v številnih fizikalnih učinkih izkazujejo lastnosti elektromagnetnega valovanja. Svetloba kaže valovne lastnosti v pojavih uklona in interference na lestvicah, primerljivih z valovno dolžino svetlobe. Na primer, celo samski fotoni, ki gredo skozi dvojno režo, ustvarijo interferenčni vzorec na zaslonu, ki ga določajo Maxwellove enačbe.

Vendar pa eksperiment pokaže, da foton ni kratek impulz elektromagnetnega sevanja, ampak ga na primer ni mogoče razdeliti na več žarkov z optičnimi cepilniki žarka, kot je jasno pokazal poskus francoskih fizikov Grangierja, Rogerja in Aspeja leta 1986. . Korpuskularne lastnosti svetlobe se kažejo v fotoelektričnem in Comptonovem učinku. Foton se obnaša tudi kot delec, ki ga v celoti oddajajo ali absorbirajo predmeti, katerih dimenzije so veliko manjše od njegove valovne dolžine (na primer atomska jedra), ali pa se na splošno lahko obravnava kot točkast (na primer elektron).

Trenutno je koncept dualnosti valovnih delcev le zgodovinskega pomena, saj je služil le kot interpretacija, način za opisovanje vedenja kvantnih objektov, izbiranje analogij zanj iz klasične fizike. Pravzaprav kvantni objekti niso niti klasični valovi niti klasični delci, lastnosti prvega ali drugega pridobijo le do neke mere. Metodološko pravilnejša je formulacija kvantne teorije preko integralov poti (propagatorja), brez uporabe klasičnih konceptov.

22 vstopnic KONCEPT ZGRADBE ATOMA MODELI ATOMA

Thomsonov atomski model(model “Pudding with raisins”, angl. Model za slivov puding).J.

J. Thomson je predlagal, da se atom obravnava kot nekaj pozitivno nabitega telesa z elektroni, zaprtimi v njem. Dokončno jo je ovrgel Rutherford po svojem znamenitem poskusu sipanja delcev alfa.

Nagaokin zgodnji planetarni atomski model.

Leta 1911 je Ernest Rutherford po vrsti poskusov prišel do zaključka, da je atom nekakšen planetarni sistem, v katerem se elektroni gibljejo po orbitah okoli težkega, pozitivno nabitega jedra, ki se nahaja v središču atoma (»Rutherfordov atom model”). Vendar je tak opis atoma prišel v nasprotje s klasično elektrodinamiko. Dejstvo je, da bi po klasični elektrodinamiki moral elektron, ko se giblje s hitrim pospeškom, oddajati elektromagnetne valove in s tem izgubljati energijo. Izračuni so pokazali, da je čas, potreben, da elektron v takem atomu pade na jedro, popolnoma nepomemben. Da bi razložil stabilnost atomov, je Niels Bohr moral uvesti postulate, ki so se zvodili na dejstvo, da elektron v atomu, ki je v nekaterih posebnih energijskih stanjih, ne oddaja energije (»Bohr-Rutherfordov model atoma«).

Bohrovi postulati so pokazali, da klasična mehanika ni uporabna za opis atoma.

Nadaljnje preučevanje atomskega sevanja je vodilo do nastanka kvantne mehanike, ki je omogočila razlago velike večine opaženih dejstev.

Atom(podrobneje grško: ἄτομος - nedeljiv) - najmanjši kemijsko nedeljiv del kemijskega elementa, ki je nosilec njegovih lastnosti.

Atom je sestavljen iz atomskega jedra in elektronov.

Jedro atoma je sestavljeno iz pozitivno nabitih protonov in nenabitih nevtronov.

Če število protonov v jedru sovpada s številom elektronov, se atom kot celota izkaže za električno nevtralen.

V nasprotnem primeru ima nekaj pozitivnega ali negativnega naboja in se imenuje ion.

Atome razvrščamo glede na število protonov in nevtronov v jedru: število protonov določa, ali atom pripada določenemu kemičnemu elementu, število nevtronov pa določa izotop tega elementa.

Atomi različnih vrst v različnih količinah, povezani z medatomskimi vezmi, tvorijo molekule. Vstopnica 23 TEMELJNE INTERAKCIJE.

Potekajo iskanja drugih vrst temeljnih interakcij, tako v mikrosvetovnih pojavih kot v kozmičnih merilih, vendar doslej ni bila odkrita nobena druga vrsta temeljnih interakcij.

V fiziki se mehanska energija deli na dve vrsti - potencialno kinetično energijo. Vzrok za spremembo gibanja teles (spremembe kinetične energije) je sila (potencialna energija) (glej drugi Newtonov zakon) Pri raziskovanju sveta okoli nas lahko opazimo veliko različnih sil: gravitacijo, napetost niti, silo stiskanja vzmeti , sila trčenja teles, sila trenja, sila zračnega upora, sila eksplozije itd. Ko pa je bila razjasnjena atomska zgradba snovi, je postalo jasno, da je vsa raznolikost teh sil posledica interakcije atomov med seboj . Ker je glavna vrsta medatomske interakcije elektromagnetna, se izkaže, da je večina teh sil le različne manifestacije elektromagnetne interakcije. Ena od izjem je na primer sila gravitacije, katere vzrok je gravitacijska interakcija med telesi z maso.

24 vstopnica ELEMENTARNI DELCI IN NJIHOVE LASTNOSTI

Osnovni delec- skupni izraz, ki se nanaša na mikro-objekte v subnuklearnem merilu, ki jih ni mogoče razstaviti na sestavne dele.

Upoštevati je treba, da nekateri osnovni delci (elektron, foton, kvarki itd.) Trenutno veljajo za brezstrukturne in veljajo za primarne temeljni delci. Drugi osnovni delci (t.i kompozitni delci-proton, nevtroni itd.) imajo zapleteno notranjo strukturo, vendar jih kljub temu po sodobnih konceptih ni mogoče ločiti na dele (glej Zadrževanje).

Zgradbo in obnašanje osnovnih delcev preučuje fizika delcev.

Glavni članek:Kvarki

Kvarki in antikvarki niso bili nikoli odkriti v prostem stanju - to je razloženo s pojavom zaprtja. Na podlagi simetrije med leptoni in kvarki, ki se kaže v elektromagnetni interakciji, so postavljene hipoteze, da so ti delci sestavljeni iz bolj temeljnih delcev - preonov.

25 vstopnic POJEM BIFURKACIJE.RAZPITNE TOČKE

Bifurkacija je pridobitev nove kakovosti v gibanju dinamičnega sistema z majhno spremembo njegovih parametrov.

Osrednji koncept teorije bifurkacij je koncept (ne)grobega sistema (glej spodaj). Vzamemo poljuben dinamični sistem in obravnavamo takšno (več)parametrsko družino dinamičnih sistemov, da izvirni sistem dobimo kot poseben primer - za katero koli vrednost parametra (parametrov). Če je pri vrednostih parametrov, ki so dovolj blizu danim, ohranjena kvalitativna slika delitve faznega prostora na trajektorije, se tak sistem imenuje grobo. V nasprotnem primeru, če taka soseska ne obstaja, se sistem pokliče ne grobo.

Tako se v prostoru parametrov pojavijo regije hrapavih sistemov, ki so ločene s površinami, sestavljenimi iz nehrapavih sistemov. Teorija bifurkacij proučuje odvisnost kvalitativne slike od neprekinjenega spreminjanja parametra vzdolž določene krivulje. Shema, po kateri se spremeni kvalitativna slika, se imenuje bifurkacijski diagram.

Glavne metode teorije bifurkacij so metode teorije motenj. Še posebej velja metoda majhnih parametrov(Pontryagina).

Bifurkacijska točka- sprememba ustaljenega načina delovanja sistema. Izraz iz neravnovesne termodinamike in sinergetike.

Bifurkacijska točka- kritično stanje sistema, v katerem postane sistem nestabilen glede na nihanja in se pojavi negotovost: ali bo stanje sistema postalo kaotično ali pa bo prešel na novo, bolj diferencirano in visoko stopnjo urejenosti. Izraz iz teorije samoorganizacije.

26 vstopnic SINERGETIKA – ZNANOST O ODPRTIH SAMOORGANIZACIJSKIH SISTEMIH

Sinergetika(starogrško συν - predpona s pomenom združljivosti in ἔργον - »dejavnost«) je interdisciplinarno področje znanstvenega raziskovanja, katerega naloga je proučevanje naravnih pojavov in procesov na podlagi principov samoorganizacije sistemov. (sestavljen iz podsistemi). “...Znanost, ki preučuje procese samoorganizacije in nastanek, vzdrževanje, stabilnost in razpad struktur najrazličnejše narave...”.

Sinergetika je bila sprva deklarirana kot interdisciplinarni pristop, saj se zdi, da so principi, ki urejajo procese samoorganizacije, enaki (ne glede na naravo sistemov), za njihov opis pa naj bi bil primeren splošen matematični aparat.

Z ideološkega vidika je sinergetika včasih postavljena kot "globalni evolucionizem" ali "univerzalna teorija evolucije", ki daje enotno osnovo za opisovanje mehanizmov nastanka kakršnih koli inovacij, tako kot je bila kibernetika nekoč opredeljena kot "univerzalna". teorija nadzora«, ki je enako primerna za opis vseh operacij regulacije in optimizacije: v naravi, tehnologiji, družbi itd. itd. Vendar je čas pokazal, da splošni kibernetični pristop ni upravičil vseh upov, ki so bili vanj položeni. Prav tako je kritizirana široka razlaga uporabnosti metod sinergetike.

Osnovni koncept sinergetike je definicija strukture kot stanje, ki nastanejo kot posledica večvariantnega in dvoumnega obnašanja takšnih večelementnih struktur ali večfaktorskih okolij, ki se ne degradirajo na termodinamični tip standarda povprečenja za zaprte sisteme, ampak se razvijejo zaradi odprtosti, dotoka energije od zunaj , nelinearnost notranjih procesov, pojav posebnih režimov s poslabšanji prisotnosti več kot enega stabilnega stanja. V navedenih sistemih nista uporabna niti drugi zakon termodinamike niti Prigoginov izrek o minimalni stopnji proizvodnje entropije, kar lahko privede do nastanka novih struktur in sistemov, vključno s kompleksnejšimi od prvotnih.

Ta pojav sinergetika razlaga kot univerzalni mehanizem smeri evolucije, ki ga opazimo povsod v naravi: od elementarnega in primitivnega do zapletenega in popolnejšega.

V nekaterih primerih ima nastanek novih struktur reden, valovni značaj, nato pa se imenujejo avtovalovni procesi (po analogiji s samooscilacijami).

27 vstopnica KONCEPT ŽIVLJENJA PROBLEM IZVORA ŽIVLJENJA

življenje- aktivna oblika obstoja snovi, ki je v smislu višja od njenih fizikalnih in kemičnih oblik obstoja; niz fizikalnih in kemičnih procesov, ki potekajo v celici in omogočajo izmenjavo snovi in njeno delitev. Glavni atribut žive snovi je genetska informacija, ki se uporablja za razmnoževanje. Pojem »življenje« lahko bolj ali manj natančno opredelimo le z naštevanjem lastnosti, po katerih se razlikuje od neživljenja. Življenje zunaj celice ne obstaja; virusi pokažejo lastnosti žive snovi šele po prenosu genskega materiala v celico [ vir ni naveden 268 dni] . Živa celica s prilagajanjem okolju tvori vso pestrost živih organizmov.

Prav tako se beseda "življenje" nanaša na obdobje obstoja posameznega organizma od trenutka njegovega nastanka do smrti (ontogeneza).

Leta 1860 se je francoski kemik Louis Pasteur lotil problema izvora življenja. S svojimi poskusi je dokazal, da so bakterije vseprisotne in da lahko nežive materiale zlahka kontaminirajo živa bitja, če niso pravilno sterilizirani. Znanstvenik je v vodi kuhal različne medije, v katerih so lahko nastajali mikroorganizmi. Z dodatnim vrenjem so mikroorganizmi in njihove spore odmrli. Pasteur je tesno zaprto bučko pritrdil s prostim koncem na cev v obliki črke S. Spore mikroorganizmov so se naselile na ukrivljeni cevki in niso mogle prodreti v hranilni medij. Dobro prekuhan hranilni medij je ostal sterilen, v njem ni bilo zaznati izvora življenja, kljub temu, da je bil zagotovljen dostop zraka.

Kot rezultat serije poskusov je Pasteur dokazal veljavnost teorije biogeneze in končno ovrgel teorijo spontane generacije.

28 vstopnica KONCEPT IZVORA OPARINOVEGA ŽIVLJENJA

KLASIČNA MEHANIKA

PREDAVANJE 1

UVOD V KLASIČNO MEHANIKO

Klasična mehanika preučuje mehansko gibanje makroskopskih objektov, ki se gibljejo s hitrostjo, veliko manjšo od svetlobne (=3 10 8 m/s). Makroskopski objekti so predmeti, katerih dimenzije so m (na desni je velikost tipične molekule).

Fizikalne teorije, ki preučujejo sisteme teles, katerih gibanje poteka s hitrostjo, veliko nižjo od svetlobne, spadajo med nerelativistične teorije. Če so hitrosti delcev sistema primerljive s svetlobno hitrostjo, potem takšni sistemi spadajo med relativistične sisteme in jih je treba opisati na podlagi relativističnih teorij. Osnova vseh relativističnih teorij je posebna teorija relativnosti (STR). Če so velikosti preučevanih fizičnih objektov majhne, potem so takšni sistemi razvrščeni kot kvantni sistemi, njihove teorije pa spadajo med kvantne teorije.

Tako je treba klasično mehaniko obravnavati kot nerelativistično, nekvantno teorijo gibanja delcev.

1.1 Referenčni okviri in principi invariantnosti

Mehansko gibanje je sprememba položaja telesa glede na druga telesa skozi čas v prostoru.

Prostor v klasični mehaniki velja za tridimenzionalen (za določitev položaja delca v prostoru je treba določiti tri koordinate), podvržen evklidski geometriji (v prostoru velja Pitagorov izrek) in absoluten. Čas je enodimenzionalen, enosmeren (spreminja se iz preteklosti v prihodnost) in absoluten. Absolutnost prostora in časa pomeni, da njune lastnosti niso odvisne od porazdelitve in gibanja snovi. V klasični mehaniki je naslednja trditev sprejeta kot resnična: prostor in čas nista povezana drug z drugim in ju je mogoče obravnavati neodvisno drug od drugega.

Gibanje je relativno, zato je za opis potrebno izbrati referenčno telo, tj. telo, glede na katerega se obravnava gibanje. Ker se gibanje dogaja v prostoru in času, je treba za njegov opis izbrati en ali drug koordinatni sistem in uro (aritmetizirati prostor in čas). Zaradi tridimenzionalnosti prostora je vsaka njegova točka povezana s tremi števili (koordinatami). Izbira enega ali drugega koordinatnega sistema je običajno odvisna od stanja in simetrije obravnavanega problema. V teoretičnih razpravah bomo običajno uporabljali pravokotni kartezični koordinatni sistem (slika 1.1).

V klasični mehaniki je za merjenje časovnih intervalov zaradi absolutnosti časa dovolj ena ura postavljena v izhodišče koordinatnega sistema (to vprašanje bo podrobneje obravnavano v teoriji relativnosti). Oblika referenčnega telesa ter ure in lestvice (koordinatni sistem), povezani s tem telesom referenčni sistem.

Predstavimo koncept zaprtega fizičnega sistema. Zaprt fizični sistem je sistem materialnih objektov, v katerem vsi objekti sistema medsebojno delujejo, ne pa medsebojno delujejo s predmeti, ki niso del sistema.

Kot kažejo poskusi, se naslednja načela invariantnosti izkažejo za veljavna v zvezi s številnimi referenčnimi sistemi.

Načelo invariantnosti glede na prostorske premike(prostor je homogen): na potek procesov znotraj zaprtega fizičnega sistema ne vpliva njegov položaj glede na referenčno telo.

Načelo invariantnosti pri prostorskih rotacijah(prostor je izotropen): na tok procesov znotraj zaprtega fizičnega sistema ne vpliva njegova orientacija glede na referenčno telo.

Načelo invariantnosti glede na časovne premike(čas je enoten): na potek procesov znotraj zaprtega fizičnega sistema ne vpliva čas, ko se procesi začnejo.

Načelo invariantnosti pri zrcalnih odbojih(prostor je zrcalno simetričen): procesi, ki potekajo v zaprtih zrcalno simetričnih fizičnih sistemih, so sami zrcalno simetrični.

Imenujemo tiste referenčne sisteme, glede na katere je prostor homogen, izotropen in zrcalno simetričen, čas pa homogen. inercialni referenčni sistemi(ISO).

Newtonov prvi zakon trdi, da ISO-ji obstajajo.

Ne obstaja en, ampak neskončno število ISO-jev. Referenčni sistem, ki se giblje glede na ISO premočrtno in enakomerno, bo sam ISO.

Načelo relativnosti trdi, da na potek procesov v zaprtem fizikalnem sistemu ne vpliva njegovo premočrtno enakomerno gibanje glede na referenčni sistem; zakoni, ki opisujejo procese, so enaki v različnih ISO; sami procesi bodo enaki, če so začetni pogoji enaki.

1.2 Osnovni modeli in razdelki klasične mehanike

V klasični mehaniki se pri opisovanju resničnih fizičnih sistemov uvedejo številni abstraktni pojmi, ki ustrezajo resničnim fizičnim objektom. Glavni koncepti vključujejo: zaprt fizični sistem, materialno točko (delec), absolutno togo telo, neprekinjen medij in številne druge.

Materialna točka (delec)- telo, katerega mere in notranjo zgradbo lahko zanemarimo pri opisu njegovega gibanja. Poleg tega je za vsak delec značilen lasten nabor parametrov - masa, električni naboj. Model materialne točke ne upošteva strukturnih notranjih značilnosti delcev: vztrajnostnega momenta, dipolnega momenta, intrinzičnega momenta (spin) itd. Položaj delca v prostoru označujejo tri števila (koordinate) ali radijski vektor. (slika 1.1).

Absolutno togo telo

Sistem materialnih točk, razdalje med katerimi se med njihovim gibanjem ne spreminjajo;

Telo, katerega deformacije lahko zanemarimo.

Pravi fizikalni proces je obravnavan kot neprekinjeno zaporedje elementarnih dogodkov.

Osnovni dogodek je pojav z ničelnim prostorskim obsegom in ničelnim trajanjem (na primer krogla zadene tarčo). Dogodek označujejo štiri števila – koordinate; tri prostorske koordinate (ali radius - vektor) in eno časovno koordinato: . Gibanje delca je predstavljeno kot neprekinjeno zaporedje naslednjih elementarnih dogodkov: prehod delca skozi dano točko v prostoru v danem času.

Zakon gibanja delcev je podan, če je znana odvisnost vektorja radija delca (ali njegovih treh koordinat) od časa:

Klasično mehaniko delimo glede na vrsto predmetov, ki jih preučujemo, na mehaniko delcev in sistemov delcev, mehaniko absolutno togega telesa in mehaniko zveznih medijev (mehanika prožnih teles, mehanika tekočin, aeromehanika).

Glede na naravo problemov, ki jih rešujemo, klasično mehaniko delimo na kinematiko, dinamiko in statiko. Kinematika preučuje mehansko gibanje delcev, ne da bi upošteval razloge, ki povzročajo spremembo narave gibanja delcev (sile). Zakon gibanja delcev sistema velja za dan. V skladu s tem zakonom so v kinematiki določene hitrosti, pospeški in trajektorije gibanja delcev v sistemu. Dinamika obravnava mehansko gibanje delcev ob upoštevanju razlogov, ki povzročajo spremembo narave gibanja delcev. Sile, ki delujejo med delci sistema in na delce sistema iz teles, ki niso vključena v sistem, veljajo za znane. Narava sil v klasični mehaniki se ne obravnava. Statika lahko obravnavamo kot poseben primer dinamike, kjer preučujemo pogoje mehanskega ravnovesja delcev sistema.

Glede na način opisovanja sistemov delimo mehaniko na Newtonovo in analitično mehaniko.

1.3 Transformacije koordinat dogodkov

Razmislimo, kako se koordinate dogodkov preoblikujejo pri prehodu iz enega ISO v drugega.

1. Prostorski premik. V tem primeru so transformacije videti takole:

Kje je vektor prostorskega premika, ki ni odvisen od številke dogodka (indeks a).

2. Časovni premik:

Kje je časovni premik.

3. Prostorsko vrtenje:

Kje je vektor infinitezimalne rotacije (slika 1.2).

4. Časovna inverzija (časovni obrat):

5. Prostorska inverzija (odsev v točki):

6. Galilejeve transformacije. Upoštevamo preoblikovanje koordinat dogodkov med prehodom iz enega ISO v drugega, ki se premika glede na prvo premočrtno in enakomerno s hitrostjo (slika 1.3):

Kje je drugo razmerje postulirano(!) in izraža absolutnost časa.

Razlikovanje v času desnega in levega dela transformacije prostorskih koordinat ob upoštevanju absolutne narave časa z uporabo definicije hitrost, kot odvod vektorja radija glede na čas, pogoj, da je =const, dobimo klasični zakon seštevanja hitrosti

Pri tem moramo biti pozorni predvsem na to, da pri izpeljavi zadnje relacije potrebno upoštevati postulat o absolutni naravi časa.

riž. 1.2 Sl. 1.3

Razlikovanje glede na čas ponovno z uporabo definicije pospeševanje, kot odvod hitrosti glede na čas dobimo, da je pospešek enak glede na različne ISO (invarianten glede na Galilejeve transformacije). Ta izjava matematično izraža načelo relativnosti v klasični mehaniki.

Z matematičnega vidika transformacije 1-6 tvorijo skupino. Dejansko ta skupina vsebuje eno samo transformacijo - identično transformacijo, ki ustreza odsotnosti prehoda iz enega sistema v drugega; za vsako od transformacij 1-6 obstaja inverzna transformacija, ki prenese sistem v prvotno stanje. Operacija množenja (sestava) je predstavljena kot zaporedna uporaba ustreznih transformacij. Posebej je treba opozoriti, da skupina rotacijskih transformacij ne upošteva komutativnega (komutacijskega) zakona, tj. ni Abelov. Celotna skupina transformacij 1-6 se imenuje Galilejeva skupina transformacij.

1.4 Vektorji in skalarji

Vektor je fizikalna količina, ki se transformira kot radij vektor delca in je označena s svojo numerično vrednostjo in smerjo v prostoru. Glede na delovanje prostorske inverzije se vektorji delijo na res(polarni) in psevdovektorji(aksialno). Pri prostorski inverziji pravi vektor spremeni predznak, psevdovektor se ne spremeni.

Skalarji označeni le s svojo številčno vrednostjo. Glede na delovanje prostorske inverzije se skalarji delijo na res in psevdoskalarjev. Pri prostorski inverziji se pravi skalar ne spremeni, psevdoskalar pa spremeni predznak.

Primeri. Radij vektor, hitrost in pospešek delca so pravi vektorji. Vektorji rotacijskega kota, kotne hitrosti, kotnega pospeška so psevdovektorji. Navzkrižni produkt dveh pravih vektorjev je psevdovektor; navzkrižni produkt pravega vektorja in psevdovektorja je pravi vektor. Skalarni produkt dveh pravih vektorjev je pravi skalar, pravega vektorja in psevdovektorja pa je psevdoskalar.

Upoštevati je treba, da morajo biti v vektorski ali skalarni enakosti izrazi na desni in levi enake narave glede na delovanje prostorske inverzije: pravi skalarji ali psevdoskalarji, pravi vektorji ali psevdoskalarji.