GİRİİŞ

Fizik, doğanın en genel özelliklerini inceleyen bilimidir. materyal Dünya, tüm doğal olayların temelinde yatan maddenin en genel hareket biçimleri. Fizik bu olayların uyduğu yasaları belirler.

Fizik ayrıca maddi cisimlerin özelliklerini ve yapısını inceler ve fizik yasalarının teknolojide pratik kullanım yollarını gösterir.

Maddenin çeşitli biçimlerine ve hareketine uygun olarak fizik bir dizi bölüme ayrılmıştır: mekanik, termodinamik, elektrodinamik, titreşim ve dalga fiziği, optik, atom fiziği, çekirdek ve temel parçacıklar.

Fizik ve diğer doğa bilimlerinin kesiştiği noktada yeni bilimler ortaya çıktı: astrofizik, biyofizik, jeofizik, fiziksel kimya vb.

Fizik teorik temel teknoloji. Fiziğin gelişimi, uzay teknolojisi, nükleer teknoloji, kuantum elektroniği vb. gibi yeni teknoloji dallarının yaratılmasının temelini oluşturdu. Buna karşılık, teknik bilimlerin gelişimi, tamamen yeni fiziksel araştırma yöntemlerinin yaratılmasına katkıda bulunuyor. Fizik ve ilgili bilimlerin gelişimini belirler.

KLASİK MEKANİĞİN FİZİKSEL TEMELLERİ

BEN. Mekanik. Genel konseptler

Mekanik, maddenin en basit hareket biçimi olan mekanik hareketi inceleyen bir fizik dalıdır.

Mekanik hareket, belirli bir hedefe veya geleneksel olarak hareketsiz kabul edilen cisimler sistemine göre uzayda incelenen cismin pozisyonundaki değişiklik olarak anlaşılmaktadır. Herhangi bir periyodik sürecin seçilebildiği, saati olan cisimlerden oluşan böyle bir sisteme ne ad verilir? referans sistemi(BU YÜZDEN.). BU YÜZDEN. genellikle kolaylık sağlamak için seçilir.

İçin matematiksel açıklama S.O. ile hareket Genellikle dikdörtgen olan bir koordinat sistemini ilişkilendirirler.

Mekanikteki en basit cisim maddi bir noktadır. Bu, mevcut problem koşullarında boyutları ihmal edilebilecek bir cisimdir.

Boyutları ihmal edilemeyecek herhangi bir cisim, maddi noktalar sistemi olarak kabul edilir.

Mekanik ikiye ayrılır kinematik Sebeplerini incelemeden hareketin geometrik tanımını ele alan, dinamik, kuvvetlerin etkisi altındaki cisimlerin hareket yasalarını inceleyen ve cisimlerin denge koşullarını inceleyen statik.

2. Bir noktanın kinematiği

Kinematik cisimlerin uzay-zamansal hareketini inceler. Yer değiştirme, yol, zaman t, hız, ivme gibi kavramlarla çalışır.

Maddi bir noktanın hareketi sırasında çizdiği çizgiye yörünge denir. Hareket yörüngelerinin şekline göre doğrusal ve eğrisel olarak ayrılırlar. Vektör , İlk I ve son 2 noktayı birleştirmeye hareket denir (Şekil I.I).

t zamanının her anının kendi yarıçap vektörü vardır:

Böylece bir noktanın hareketi bir vektör fonksiyonuyla açıklanabilir.

tanımladığımız vektör hareketi belirtmenin yolu veya üç skaler fonksiyon

X= X(T); sen= sen(T); z= z(T) , (1.2)

kinematik denklemler denir. Hareket görevini belirlerler koordinat yol.

Bir noktanın hareketi, zamanın her anı için noktanın yörünge üzerindeki konumu belirlenirse de belirlenecektir; bağımlılık

Hareket görevini belirler doğal yol.

Bu formüllerin her biri temsil eder kanun noktanın hareketi.

3. Hız

Eğer t1 zamanı yarıçap vektörüne karşılık geliyorsa ve o zaman aralık boyunca vücut yer değiştirme alacaktır. Bu durumda ortalama süratt miktardır

yörüngeye göre I ve 2 noktalarından geçen bir keseni temsil eder. Hız t zamanında bir vektör denir

Bu tanımdan, yörüngenin her noktasındaki hızın ona teğet olarak yönlendirildiği anlaşılmaktadır. (1.5)'ten hız vektörünün projeksiyonları ve büyüklüğünün aşağıdaki ifadelerle belirlendiği sonucu çıkar:

Hareket kanunu (1.3) verilirse hız vektörünün büyüklüğü aşağıdaki gibi belirlenecektir:

Böylece, hareket yasasını (I.I), (1.2), (1.3) bilerek, hız doktorunun vektörünü ve modülünü hesaplayabilir ve tersine, (1.6), (1.7) formüllerinden hızı bilerek, şunları yapabilirsiniz: Koordinatları ve yolu hesaplayın.

4. Hızlanma

Keyfi hareket sırasında hız vektörü sürekli olarak değişir. Hız vektörünün değişim oranını karakterize eden miktara ivme denir.

Eğer içerideyse. t 1 zamanının anı noktanın hızıdır ve t 2 - , o zaman hız artışı olacaktır (Şekil 1.2). Bu durumda ortalama ivme

ve anlık

Projeksiyon ve ivme modülü için elimizde: , (1.10)

Ayarlanmışsa doğal yol hareket ederse ivme bu şekilde belirlenebilir. Hızın büyüklüğü ve yönü değişir, hız artışı iki büyüklüğe bölünür; - birlikte yönlendirilmiş (hızın büyüklükte artması) ve - dik olarak yönlendirilmiş (hızın yönde artması), yani. = + (Şek. I.З). (1.9)'dan şunu elde ederiz:

Teğetsel (teğetsel) ivme, büyüklükteki değişim oranını karakterize eder (1.13)

normal (merkezcil ivme) yön değişiminin hızını karakterize eder. Hesaplamak A N dikkate almak

OMN ve MPQ, noktanın yörünge boyunca küçük hareketi koşulu altında. Bu üçgenlerin benzerliğinden PQ:MP=MN:OM'yi buluruz:

Bu durumda toplam ivme şu şekilde belirlenir:

5. Örnekler

I. Eşit değişken doğrusal hareket. Bu, sabit ivmeli harekettir() . (1.8)’den buluyoruz

veya nerede v 0 - zamandaki hız T 0. İnanmak T 0 =0, buluruz , ve kat edilen mesafe S formül (I.7)'den:

Nerede S 0 başlangıç ​​koşullarından belirlenen bir sabittir.

2. Düzgün hareketçevresi etrafında. Bu durumda hız yalnızca yönde yani merkezcil ivmede değişir.

I. Temel kavramlar

Cisimlerin uzaydaki hareketi, birbirleriyle mekanik etkileşimlerinin bir sonucudur, bunun sonucunda cisimlerin hareketinde bir değişiklik veya deformasyon meydana gelir. Dinamikte mekanik etkileşimin bir ölçüsü olarak bir miktar devreye girer: kuvvet. Belirli bir vücut için kuvvet, dış bir faktördür ve hareketin doğası, vücudun kendi özelliğine, üzerine uygulanan kuvvete karşı esnekliğine bağlıdır. dış etki veya vücudun eylemsizlik derecesi. Bir cismin eylemsizlik ölçüsü kütlesidir T vücut maddesinin miktarına bağlı olarak.

Böylece mekaniğin temel kavramları şunlardır: Hareketli madde, hareketli maddenin varoluş biçimleri olarak uzay ve zaman, cisimlerin eylemsizliğinin ölçüsü olarak kütle, cisimler arasındaki mekanik etkileşimin ölçüsü olarak kuvvet. kanunlar! Newton tarafından deneysel gerçeklerin genelleştirilmesi ve açıklığa kavuşturulması için formüle edilen hareketler.

2. Mekaniğin kanunları

1. yasa. Her cisim, dış etkiler bu durumu değiştirmediği sürece bir dinlenme durumunu veya düzgün doğrusal hareket durumunu korur. Birinci yasa, eylemsizlik yasasını ve ayrıca kuvvetin, vücudun eylemsizlik durumunu ihlal eden bir neden olarak tanımını içerir. Bunu matematiksel olarak ifade etmek için Newton, bir cismin momentumu veya momentumu kavramını ortaya attı:

o zaman eğer

2. yasa. Momentumdaki değişim uygulanan kuvvetle orantılıdır ve bu kuvvetin etki yönünde meydana gelir. Ölçü birimlerinin seçilmesi M ve böylece orantılılık katsayısı bire eşit, alıyoruz

Eğer hareket ederken M= yapı , O

Bu durumda 2. yasa şu şekilde formüle edilir: Kuvvet, cismin kütlesi ile ivmesinin çarpımına eşittir. Bu yasa dinamiğin temel yasasıdır ve verilen kuvvetlere ve başlangıç ​​koşullarına göre cisimlerin hareket yasasını bulmamızı sağlar. 3. yasa. İki cismin birbirine etki ettiği kuvvetler eşit ve yönlüdür zıt taraflar, yani (2.4)

Newton yasaları, cisme etki eden belirli kuvvetler belirtildikten sonra özel bir anlam kazanır. Örneğin, mekanikte sıklıkla cisimlerin hareketine bu tür kuvvetlerin etkisi neden olur: yerçekimi kuvveti, burada r, cisimler arasındaki mesafedir, yerçekimi sabitidir; yerçekimi - Dünya yüzeyine yakın yer çekimi kuvveti, P= mg; sürtünme kuvveti nerede k temeli klasik mekanik Newton yasaları yalan söylüyor. Kinematik çalışmaları...

Mekanik, en basit ve en basit mekaniklerden birini inceleyen bir fizik dalıdır. genel formlar doğadaki harekete mekanik hareket denir.

Mekanik hareket zamanla gövdelerin veya parçalarının birbirlerine göre konumunun değiştirilmesinden oluşur. Böylece mekanik hareket, Güneş çevresinde kapalı yörüngelerde dönen gezegenler tarafından gerçekleştirilir; farklı bedenler, Dünya yüzeyi boyunca hareket ederek; Etki altında hareket eden elektronlar elektromanyetik alan vesaire. Diğerlerinde mekanik hareket mevcut karmaşık formlar ayrılmaz bir parçası olarak maddedir, ancak kapsamlı bir parça değildir.

İncelenen nesnelerin doğasına bağlı olarak mekanik, mekanik olarak ikiye ayrılır. maddi nokta, mekanik sağlam ve sürekli ortam mekaniği.

Mekaniğin ilkeleri ilk olarak I. Newton (1687) tarafından, ışığın boşluktaki hızına (3·10 8 m/s) kıyasla küçük hızlara sahip makro cisimlerin hareketinin deneysel bir çalışmasına dayanarak formüle edildi.

Makro cisimler bizi çevreleyen sıradan cisimlere, yani çok sayıda molekül ve atomdan oluşan cisimlere denir.

Makro cisimlerin boşluktaki ışık hızından çok daha düşük hızlardaki hareketini inceleyen mekaniğe klasik denir.

Merkezde Klasik mekanik Newton'un uzay ve zamanın özelliklerine ilişkin fikirleri yalan.

Herhangi fiziksel süreç uzay ve zamanda akar. Bu, fiziksel olayların tüm alanlarında, her yasanın açıkça veya dolaylı olarak uzay-zaman niceliklerini - mesafeleri ve zaman aralıklarını içermesi gerçeğinden görülebilir.

Üç boyutlu olan uzay Öklid geometrisine uymaktadır, yani düzdür.

Mesafeler ölçeklerle ölçülür; bunun ana özelliği, bir zamanlar uzunlukları çakışan iki ölçeğin her zaman birbirine eşit kalması, yani sonraki her örtüşmeyle çakışmasıdır.

Zaman aralıkları saat cinsinden ölçülür ve ikincisinin rolü, tekrarlanan bir işlemi gerçekleştiren herhangi bir sistem tarafından gerçekleştirilebilir.

Klasik mekaniğin cisimlerin boyutları ve zaman aralıkları hakkındaki fikirlerinin temel özelliği onların mutlaklık: Ölçek, gözlemciye göre nasıl hareket ederse etsin, her zaman aynı uzunluğa sahiptir; Hızları aynı olan ve bir kez aynı hizaya getirilen iki saat, nasıl hareket ederlerse etsinler aynı zamanı gösterirler.

Uzay ve zaman var dikkat çekici özellikler simetri, içlerinde belirli süreçlerin ortaya çıkmasına kısıtlamalar getirmek. Bu özellikler deneysel olarak tespit edilmiştir ve ilk bakışta o kadar açık görünmektedir ki, onları izole etmeye ve onlarla uğraşmaya gerek yokmuş gibi görünmektedir. Bu arada, eğer uzaysal ve zamansal simetri olmasaydı, fizik ne ortaya çıkabilir ne de gelişebilir.

O alan ortaya çıktı homojen olarak Ve izotropik olarak, ve zaman - homojen olarak.

Uzayın homojenliği aynı fiziksel olaylar aynı koşullar altında aynı şekilde gerçekleştirilir çeşitli parçalar uzay. Uzaydaki tüm noktalar bu nedenle tamamen ayırt edilemez, hak bakımından eşittir ve bunlardan herhangi biri koordinat sisteminin kökeni olarak alınabilir. Uzayın homojenliği momentumun korunumu yasasında ortaya çıkar.

Uzayın da izotropisi vardır: her yönde aynı özellikler. Uzayın izotropisi açısal momentumun korunumu yasasında kendini gösterir..

Zamanın homojenliği, zamanın tüm anlarının da eşit, eşdeğer olması, yani aynı olayların aynı koşullarda ortaya çıkmasının, uygulanma ve gözlemlenme zamanına bakılmaksızın aynı olması gerçeğinde yatmaktadır.

Zamanın tekdüzeliği enerjinin korunumu yasasında kendini gösterir..

Bu homojenlik özellikleri olmadan Minsk'te kuruldu fizik kanunu Moskova'da haksızlık olur ve yarın aynı yerde bugün açılması haksızlık olabilir.

Klasik mekanik, diğer cisimlerin etkisine maruz kalmayan bir cismin doğrusal ve düzgün bir şekilde hareket ettiğini öne süren Galileo-Newton eylemsizlik yasasının geçerliliğini kabul eder. Bu yasa, Newton yasalarının (aynı zamanda Galileo'nun görelilik ilkesinin) karşılandığı eylemsiz referans çerçevelerinin varlığını ileri sürer. Galileo'nun görelilik ilkesi devletler tüm eylemsiz referans çerçevelerinin mekanik olarak birbirine eşdeğer olduğu, mekaniğin tüm yasaları bu referans sistemlerinde aynıdır veya başka bir deyişle, herhangi bir olayın uzay-zaman bağlantısını farklı şekillerde ifade eden Galilean dönüşümleri altında değişmezdir. eylemsizlik sistemleri geri sayım. Galileo'nun dönüşümleri herhangi bir olayın koordinatlarının göreceli olduğunu göstermektedir. Farklı anlamlar V farklı sistemler geri sayım; farklı sistemlerde olayın meydana geldiği anlar aynıdır. İkincisi, farklı referans sistemlerinde zamanın aynı şekilde aktığı anlamına gelir. Bu durum o kadar açık görünüyordu ki, özel bir varsayım olarak bile dile getirilmemişti.

Klasik mekanikte uzun menzilli etki ilkesi gözetilir: cisimlerin etkileşimleri anında, yani sonsuz yüksek hızda yayılır.

Cisimlerin hareket hızlarına ve cisimlerin boyutlarına bağlı olarak mekanik klasik, göreli ve kuantum olarak ikiye ayrılır.

Daha önce de belirttiğimiz gibi kanunlar Klasik mekanik yalnızca kütlesi çok fazla olan makro cisimlerin hareketine uygulanabilir daha fazla kütle Atomun hızı, ışığın boşluktaki hızına göre daha düşüktür.

Göreli mekanik Makro cisimlerin boşlukta ışık hızına yakın hızlardaki hareketini dikkate alır.

Kuantum mekaniği- boşluktaki ışık hızından çok daha düşük hızlarda hareket eden mikropartiküllerin mekaniği.

Göreli kuantum mekanik - boşlukta ışık hızına yaklaşan hızlarda hareket eden mikropartiküllerin mekaniği.

Bir parçacığın makroskopik parçacıklara ait olup olmadığını belirlemek için klasik formüller, kullanmanız gerekiyor Heisenberg'in belirsizlik ilkesi. Buna göre Kuantum mekaniği gerçek parçacıklar konum ve momentum kullanılarak yalnızca belirli bir doğrulukla karakterize edilebilir. Bu doğruluğun sınırı şu şekilde belirlenir:

Nerede
ΔX - koordinat belirsizliği;
ΔP x - momentum eksenine projeksiyonun belirsizliği;
h, 1,05·10 -34 J·s'ye eşit Planck sabitidir;
"≥" - değerinden daha büyük, hakkında...

Momentumu kütle ve hızın çarpımı ile değiştirerek şunu yazabiliriz:

Formülden açıkça görülüyor ki parçacığın kütlesi ne kadar küçük olursa koordinatları ve hızı da o kadar az kesin olur. Makroskobik cisimler için pratik uygulanabilirlik klasik yol hareketin tanımı şüphe götürmez. Mesela şunu söyleyelim Hakkında konuşuyoruz Kütlesi 1 g olan bir topun hareketi hakkında Genellikle topun konumu pratik olarak milimetrenin onda biri veya yüzde biri kadar bir doğrulukla belirlenebilir. Her halükarda atom boyutundan daha küçük bir topun konumunun belirlenmesinde bir hatadan bahsetmek pek mantıklı değil. Bu nedenle bulduğumuz belirsizlik ilişkisinden ΔX=10 -10 m koyalım.

ΔX ve ΔVx değerlerinin eşzamanlı küçüklüğü, makro cisimlerin hareketini açıklayan klasik yöntemin pratik uygulanabilirliğinin kanıtıdır.

Hidrojen atomundaki bir elektronun hareketini düşünelim. Elektronun kütlesi 9,1·10 -31 kg'dır. Elektronun ΔX pozisyonundaki hata her durumda atomun boyutunu, yani ΔX'i aşmamalıdır.<10 -10 м. Но тогда из соотношения неопределенностей получаем

Bu değer, bir atomdaki elektronun hızından bile daha büyüktür; bu, büyüklük sırası olarak 10 6 m/s'ye eşittir. Bu durumda hareketin klasik resmi tüm anlamını yitirir.

Mekanik ikiye ayrılır kinematik, statik ve dinamik. Kinematik, cisimlerin hareketini, bu hareketi belirleyen sebeplerle ilgilenmeden anlatır; Statik, cisimlerin denge koşullarını dikkate alır; Dinamik, hareketin şu veya bu doğasını belirleyen nedenlerle (bedenler arasındaki etkileşimler) bağlantılı olarak bedenlerin hareketini inceler.

Cisimlerin gerçek hareketleri o kadar karmaşıktır ki, onları incelerken, söz konusu hareket için önemsiz olan ayrıntılardan soyutlamak gerekir (aksi takdirde sorun o kadar karmaşık hale gelir ki çözülmesi pratik olarak imkansız olur). Bu amaçla, uygulanabilirliği ilgilendiğimiz problemin spesifik doğasına ve sonucu elde etmek istediğimiz doğruluk derecesine bağlı olan kavramlar (soyutlamalar, idealleştirmeler) kullanılır. Bu kavramlar arasında kavramlar önemli bir rol oynamaktadır. Maddi nokta, maddi noktalar sistemi, kesinlikle katı cisim.

Maddi bir nokta, bir cismin öteleme hareketinin, yalnızca doğrusal boyutları diğer cisimlerin doğrusal boyutlarıyla karşılaştırıldığında, cismin koordinatlarını belirlemenin verilen doğruluğu dahilinde küçük olması durumunda, yardımıyla tanımlandığı fiziksel bir kavramdır ve Vücudun kütlesi ona atfedilir.

Doğada maddi noktalar yoktur. Bir ve aynı cisim, şartlara bağlı olarak ya maddi bir nokta olarak ya da sonlu boyutlarda bir cisim olarak düşünülebilir. Dolayısıyla Güneş'in etrafında dönen Dünya'nın maddi bir nokta olduğu düşünülebilir. Ancak Dünya'nın kendi ekseni etrafında dönüşünü incelerken artık maddi bir nokta olarak kabul edilemez, çünkü bu hareketin doğası Dünya'nın şekli ve boyutundan ve Dünya üzerindeki herhangi bir noktanın geçtiği yoldan önemli ölçüde etkilenir. Kendi ekseni etrafındaki dönüş periyoduna eşit bir sürede yüzey, dünyanın doğrusal boyutlarıyla karşılaştırılabilir. Kütle merkezinin hareketini incelersek, bir uçak maddi bir nokta olarak düşünülebilir. Ancak çevrenin etkisini hesaba katmak veya uçağın ayrı ayrı parçalarındaki kuvvetleri belirlemek gerekiyorsa, uçağı kesinlikle katı bir cisim olarak düşünmeliyiz.

Kesinlikle katı bir cisim, belirli bir problemin koşulları altında deformasyonları ihmal edilebilecek bir cisimdir.

Maddi noktalar sistemi, maddi noktaları temsil eden, incelenmekte olan cisimlerin bir koleksiyonudur.

Rastgele bir cisimler sisteminin hareketinin incelenmesi, etkileşim halindeki maddi noktalar sisteminin incelenmesine indirgenir. Bu nedenle, klasik mekaniğin incelenmesine bir maddi noktanın mekaniği ile başlamak ve daha sonra bir maddi noktalar sisteminin incelenmesine geçmek doğaldır.

Bu, Newton yasalarına dayanarak hareketi inceleyen bir fizik dalıdır. Klasik mekanik ikiye ayrılır:
Klasik mekaniğin temel kavramları kuvvet, kütle ve hareket kavramlarıdır. Klasik mekanikte kütle, eylemsizliğin bir ölçüsü veya üzerine etki eden kuvvetlerin yokluğunda bir cismin dinlenme durumunu veya düzgün doğrusal hareketi sürdürme yeteneği olarak tanımlanır. Öte yandan, bir cisme etki eden kuvvetler, cismin hareketinin durumunu değiştirerek ivmeye neden olur. Bu iki etkinin etkileşimi Newton mekaniğinin ana temasını oluşturur.
Fiziğin bu dalındaki diğer önemli kavramlar, etkileşim sırasında nesneler arasında aktarılabilen enerji, momentum ve açısal momentumdur. Mekanik bir sistemin enerjisi, kinetik (hareket enerjisi) ve potansiyel (vücudun diğer cisimlere göre konumuna bağlı olarak) enerjilerinden oluşur. Temel korunum yasaları bu fiziksel büyüklüklere uygulanır.
Klasik mekaniğin temelleri Galileo'nun yanı sıra Kopernik ve Kepler tarafından gök cisimlerinin hareket yasalarının incelenmesiyle atılmış ve uzun süre mekanik ve fizik astronomik olaylar bağlamında ele alınmıştır.
Kopernik, çalışmalarında, Aristoteles'in ortaya koyduğu ilkelerden uzaklaşırsak ve bu tür hesaplamaların başlangıç ​​​​noktası olarak Dünya'yı değil Güneş'i düşünürsek, gök cisimlerinin hareket kalıplarının hesaplanmasının önemli ölçüde basitleştirilebileceğini kaydetti. yani Yermerkezli sistemlerden güneş merkezli sistemlere geçiş yapın.
Güneş merkezli sistemin fikirleri Kepler tarafından gök cisimlerinin hareketine ilişkin üç yasayla daha da resmileştirildi. Özellikle ikinci yasadan, güneş sistemindeki tüm gezegenlerin eliptik yörüngelerde hareket ettiği ve odak noktalarından birinin Güneş olduğu sonucu çıktı.
Klasik mekaniğin temeline bir sonraki önemli katkı, özellikle yerçekiminin etkisi altında cisimlerin mekanik hareketinin temel yasalarını keşfederek beş evrensel hareket yasasını formüle eden Galileo tarafından yapıldı.
Ancak yine de klasik mekaniğin ana kurucusunun şöhreti, "Doğal Felsefenin Matematiksel İlkeleri" adlı çalışmasında öncülleri tarafından formüle edilen mekanik hareket fiziğindeki kavramların bir sentezini gerçekleştiren Isaac Newton'a aittir. Newton, kendi adını taşıyan üç temel hareket yasasını ve Galileo'nun serbest düşen cisimler olgusuna ilişkin çalışmalarına bir çizgi çizen evrensel çekim yasasını formüle etti. Böylece, modası geçmiş Aristotelesçi olanın yerini almak üzere, temel yasalardan oluşan dünyanın yeni bir resmi yaratıldı.
Klasik mekanik, günlük yaşamda karşılaştığımız sistemler için doğru sonuçlar verir. Ancak hızı ışık hızına yaklaşan, yerini göreceli mekaniğin aldığı sistemlerde veya kuantum mekaniği yasalarının geçerli olduğu çok küçük sistemlerde bunlar yanlış hale gelir. Bu özelliklerin her ikisini de birleştiren sistemler için klasik mekanik yerine her iki özellik de kuantum alan teorisi ile karakterize edilir. Çok fazla sayıda bileşene veya serbestlik derecesine sahip sistemler için klasik mekanik de yeterli olabilir ancak istatistiksel mekanik yöntemleri kullanılır.
Klasik mekanik korunmuştur çünkü birincisi, kullanımı diğer teorilere göre çok daha kolaydır ve ikinci olarak, üst veya alt gibi olağan olanlardan başlayarak, çok geniş bir fiziksel nesneler sınıfına yaklaşım ve uygulama için büyük olanaklara sahiptir. bir top, birçok astronomik nesne (gezegenler, galaksiler) ve çok mikroskobik olanlar).
Klasik mekanik, klasik elektrodinamik ve termodinamik gibi diğer klasik teorilerle geniş ölçüde uyumlu olmasına rağmen, 19. yüzyılın sonlarında keşfedilen bu teoriler arasında bazı tutarsızlıklar vardır. Daha modern fizik yöntemleriyle çözülebilirler. Özellikle klasik elektrodinamiğin ışık hızının sabit olduğunu öngörmesi klasik mekanikle bağdaşmamakta ve özel göreliliğin oluşmasına yol açmaktadır. Klasik mekaniğin ilkeleri, entropinin değerini doğru bir şekilde belirlemenin imkansız olduğu Gibbs paradoksuna ve tamamen siyah bir cismin yayılması gereken ultraviyole felaketine yol açan klasik termodinamiğin ifadeleriyle birlikte ele alınır. sonsuz miktarda enerji. Kuantum mekaniği bu tutarsızlıkların üstesinden gelmek için yaratıldı.
Mekaniğin incelediği nesnelere mekanik sistemler denir. Mekaniğin görevi, mekanik sistemlerin özelliklerini, özellikle de bunların zaman içindeki evrimini incelemektir.
Klasik mekaniğin temel matematiksel aparatı, Newton ve Leibniz tarafından özel olarak bunun için geliştirilen diferansiyel ve integral hesabıdır. Klasik formülasyonunda mekanik Newton'un üç kanununa dayanmaktadır.
Aşağıda klasik mekaniğin temel kavramlarının bir sunumu bulunmaktadır. Basit olması açısından, boyutları ihmal edilebilecek nesnenin yalnızca maddi noktasını dikkate alacağız. Maddi bir noktanın hareketi çeşitli parametrelerle karakterize edilir: konumu, kütlesi ve ona uygulanan kuvvetler.
Gerçekte klasik mekaniğin ele aldığı her cismin boyutları sıfırdan farklıdır. Elektron gibi maddi noktalar kuantum mekaniği kanunlarına uyar. Sıfır boyutta olmayan nesneler, iç durumları değişebileceğinden, örneğin bir topun da dönebilmesinden dolayı daha karmaşık hareketler yaşayabilir. Ancak bu tür cisimler için sonuçlar, çok sayıda etkileşimli maddi noktanın toplamı olarak dikkate alınarak maddi noktalara yönelik olarak elde edilir. Bu tür karmaşık cisimler, eğer söz konusu problemin ölçeğine göre küçüklerse, maddi noktalar gibi davranırlar.
Yarıçap vektörü ve türevleri
Maddi bir nokta nesnesinin konumu, orijin adı verilen uzaydaki sabit bir noktaya göre belirlenir. Bu noktanın koordinatlarıyla (örneğin, dikdörtgen bir koordinat sisteminde) veya bir yarıçap vektörüyle belirtilebilir. R, başlangıç ​​noktasından bu noktaya kadar çizilmiştir. Gerçekte, maddi bir nokta zaman içinde hareket edebilir, dolayısıyla yarıçap vektörü genellikle zamanın bir fonksiyonudur. Klasik mekanikte, göreceli mekaniğin aksine, zamanın akışının tüm referans sistemlerinde aynı olduğuna inanılmaktadır.
Yörünge
Yörünge, genel durumda hareket eden maddi bir noktanın tüm konumlarının toplamıdır; şekli noktanın hareketinin doğasına ve seçilen referans sistemine bağlı olan kavisli bir çizgidir.
Hareketli
Yer değiştirme, maddi bir noktanın başlangıç ​​ve son konumlarını birbirine bağlayan bir vektördür.
Hız
Hız veya hareketin meydana geldiği zamana oranı, hareketin zamana göre birinci türevi olarak tanımlanır:

Klasik mekanikte hızlar toplanıp çıkarılabilir. Örneğin, eğer bir araba 60 km/saat hızla batıya doğru gidiyorsa ve aynı yönde 50 km/saat hızla hareket eden bir başka arabayı yakalarsa, ikinci arabaya göre birinci araba, batıya 60-50 = 10 km/saat hızla gidiyor. Ancak gelecekte hızlı arabalar doğuya doğru 10 km/saat hızla daha yavaş hareket edecek.
Bağıl hızı belirlemek için, her durumda, hız vektörlerini oluşturmak için vektör cebiri kuralları uygulanır.
Hızlanma
İvme veya hızın değişim oranı, hızın zamana göre türevidir veya yer değiştirmenin zamana göre ikinci türevidir:

İvme vektörünün büyüklüğü ve yönü değişebilir. Özellikle hız düşerse bazen hızlanma ve yavaşlama olur ama genel olarak hızdaki herhangi bir değişiklik olur.
Kuvvet. Newton'un ikinci yasası
Newton'un ikinci yasası, maddi bir noktanın ivmesinin ona etki eden kuvvetle doğru orantılı olduğunu ve ivme vektörünün bu kuvvetin etki çizgisi boyunca yönlendirildiğini belirtir. Başka bir deyişle, bu yasa bir cisme etki eden kuvveti kütlesi ve ivmesiyle ilişkilendirir. O zaman Newton'un ikinci yasası şöyle görünür:

Büyüklük M v dürtü denir. Genellikle kitle M zamanla değişmez ve Newton yasası basitleştirilmiş bir biçimde yazılabilir

Nerede A Yukarıda tanımlanan ivme. Vücut kütlesi M Her zaman zamanla değil. Örneğin yakıt kullanıldıkça roketin kütlesi azalır. Bu koşullar altında son ifade geçerli değildir ve Newton'un ikinci yasasının tam biçimi kullanılmalıdır.
Newton'un ikinci yasası bir parçacığın hareketini açıklamak için yeterli değildir. Ona etki eden gücün belirlenmesini gerektirir. Örneğin, bir cismin bir gaz veya sıvı içinde hareket etmesi durumunda ortaya çıkan sürtünme kuvvetinin tipik ifadesi şu şekilde tanımlanır:

Nerede? sürtünme katsayısı adı verilen bir sabit.
Newton'un ikinci yasasına dayanarak tüm kuvvetler belirlendikten sonra hareket denklemi adı verilen bir diferansiyel denklem elde ederiz. Örneğimizde parçacığa etki eden tek bir kuvvetle şunu elde ederiz:

Entegre edersek şunu elde ederiz:

İlk hız nerede? Bu da cismin hızının katlanarak sıfıra düşmesi anlamına geliyor. Bu ifade, zamanın bir fonksiyonu olarak cismin yarıçap vektörü r için bir ifade elde etmek üzere tekrar entegre edilebilir.
Bir parçacığa birden fazla kuvvet etki ediyorsa, bunlar vektör toplama kurallarına göre toplanır.
Enerji
Eğer güç F Sonuç olarak hareket eden bir parçacık üzerinde etki eder mi? R, o zaman yapılan iş şuna eşittir:

Parçacığın kütlesi ise, Newton'un ikinci yasasından itibaren tüm kuvvetlerle yapılan özlem işi

Nerede T kinetik enerji. Maddi bir nokta için şu şekilde tanımlanır:

Birçok parçacıktan oluşan karmaşık nesneler için cismin kinetik enerjisi, tüm parçacıkların kinetik enerjilerinin toplamına eşittir.
Korunumlu kuvvetlerin özel bir sınıfı, potansiyel enerji olarak bilinen bir skaler fonksiyonun gradyanı ile ifade edilebilir. V:

Bir parçacığa etki eden tüm kuvvetler korunumlu ise ve V tüm kuvvetlerin potansiyel enerjilerinin toplanmasıyla elde edilen toplam potansiyel enerji, daha sonra
Onlar. toplam enerji E = T + V zamanla devam eder. Bu, korunumun temel fiziksel yasalarından birinin bir tezahürüdür. Klasik mekanikte pratikte yararlı olabilir çünkü doğadaki birçok kuvvet türü muhafazakardır.
Newton yasalarının katı cisimler için birkaç önemli sonucu vardır (bkz. açısal momentum)
Klasik mekaniğin de iki önemli alternatif formülasyonu vardır: Lagrange mekaniği ve Hamilton mekaniği. Newton mekaniğine eşdeğerdirler ancak bazen belirli sorunların analizinde faydalıdırlar. Diğer modern formülasyonlar gibi kuvvet kavramını kullanmazlar, bunun yerine enerji gibi diğer fiziksel niceliklere atıfta bulunurlar.

Devlet İşletme Üniversitesi

Yazışma Çalışmaları Enstitüsü

Uzmanlık – yönetim

disipline göre: KSE

“Newton mekaniği, doğanın klasik tanımının temelidir. Mekaniğin asıl görevi ve uygulanabilirliğinin sınırları.”

Tamamlanmış

Öğrenci Kimlik No: 1211

Grup No. UP4-1-98/2

1. Giriş.________________________________________________________________ 3

2. Newton mekaniği.__________________________________________ 5

2.1. Newton'un hareket yasaları._______________________________________________ 5

2.1.1. Newton'un birinci yasası.____________________________________________________ 6

2.1.2. Newton'un ikinci yasası._________________________________________________ 7

2.1.3. Newton'un üçüncü yasası._________________________________________________ 8

2.2. Evrensel çekim yasası.___________________________________________ 11

2.3. Mekaniğin asıl görevi._____________________________________________ 13

2.4. Uygulanabilirlik sınırları._______________________________________________ 15

3. Sonuç.________________________________________________ 18

4. Referans listesi._______________________________________ 20

Newton (1643-1727)

Bu dünya derin bir karanlığa gömüldü.

Işık olsun! Ve sonra Newton ortaya çıktı.

1. Giriş.

“Fizik” kavramının kökleri çok eskilere dayanır; Yunancadan tercüme edildiğinde “doğa” anlamına gelir. Bu bilimin asıl görevi, çevredeki dünyanın “yasalarını” oluşturmaktır. Aristoteles'in öğrencisi Platon'un ana eserlerinden birine "Fizik" adı verildi.

O yılların bilimi doğal-felsefi bir karaktere sahipti, yani. gök cisimlerinin doğrudan gözlemlenen hareketlerinin onların gerçek hareketleri olduğu gerçeğinden yola çıkmıştır. Buradan Dünya'nın Evrendeki merkezi konumu hakkında sonuç çıkarıldı. Bu sistem, bir gök cismi olarak Dünya'nın bazı özelliklerini doğru bir şekilde yansıtıyordu: Dünyanın bir top olması, her şeyin merkeze doğru çekilmesi. Dolayısıyla bu öğreti aslında Dünya ile ilgiliydi. Zamanının düzeyinde bilimsel bilginin temel gereksinimlerini karşılıyordu. Birincisi gök cisimlerinin gözlemlenen hareketlerini tek bir bakış açısıyla açıklamış, ikincisi ise onların gelecekteki konumlarını hesaplamayı mümkün kılmıştır. Aynı zamanda, eski Yunanlıların teorik yapıları doğası gereği tamamen spekülatifti - deneyden tamamen ayrılmışlardı.

Böyle bir sistem 16. yüzyıla kadar, Galileo'nun deneysel fiziğinde daha da kanıtlanan ve gök cisimlerinin ve karasal nesnelerin hareketini birleşik hareketlerle birleştiren Newton mekaniğinin yaratılmasıyla sonuçlanan Kopernik'in öğretilerinin ortaya çıkışına kadar mevcuttu. hareket kanunları. Bu, bilimin modern anlayışındaki gelişiminin başlangıcını belirleyen doğa bilimlerindeki en büyük devrimdi.

Galileo Galilei dünyanın sonsuz, maddenin ise sonsuz olduğuna inanıyordu. Tüm süreçlerde hiçbir şey yok edilmez veya üretilmez; yalnızca gövdelerin veya parçalarının göreceli düzeninde bir değişiklik meydana gelir. Madde kesinlikle bölünemez atomlardan oluşur, hareketi tek evrensel mekanik harekettir. Gök cisimleri Dünya'ya benzer ve aynı mekanik kanunlara uyarlar.

Newton için, incelenen nesnenin özelliklerini deneyler ve gözlemler yoluyla açık bir şekilde bulmak ve hipotezler kullanmadan tümevarıma dayalı bir teori oluşturmak önemliydi. Deneysel bir bilim olarak fizikte hipotezlere yer olmadığı gerçeğinden hareket etti. Tümevarım yönteminin kusurlarını kabul ederek, bunun diğerleri arasında en çok tercih edilen yöntem olduğunu düşündü.

Hem antik çağda hem de 17. yüzyılda gök cisimlerinin hareketlerini incelemenin önemi kabul edildi. Ancak eski Yunanlılar için bu sorun daha çok felsefi bir öneme sahipse de, 17. yüzyılda pratik yönü ağır basıyordu. Navigasyonun gelişimi, astrolojik amaçlar için gerekli olanlara kıyasla navigasyon amacıyla daha doğru astronomik tabloların geliştirilmesini gerektirdi. Asıl görev, gökbilimciler ve denizciler için çok gerekli olan boylamı belirlemekti. Bu önemli pratik sorunu çözmek için ilk devlet gözlemevleri kuruldu (1672'de Paris gözlemevleri, 1675'te Greenwich gözlemevleri). Esasen bu, yerel zamanla karşılaştırıldığında boylam haline dönüştürülebilecek bir zaman aralığı veren mutlak zamanı belirleme göreviydi. Bu süre, Ay'ın yıldızlar arasındaki hareketleri gözlemlenerek belirlenebileceği gibi, mutlak zamana göre ayarlanan ve gözlemci tarafından tutulan doğru bir saat kullanılarak da belirlenebilir. İlk durumda, gök cisimlerinin konumunu tahmin etmek için çok doğru tablolara ihtiyaç vardı ve ikinci durumda ise kesinlikle doğru ve güvenilir saat mekanizmalarına ihtiyaç vardı. Bu yönlerdeki çalışmalar başarılı olmadı. Yalnızca Newton, evrensel çekim yasasının ve mekaniğin üç temel yasasının yanı sıra diferansiyel ve integral hesabın keşfi sayesinde mekaniğe integral bir bilimsel teori karakterini veren bir çözüm bulmayı başardı.

2. Newton mekaniği.

I. Newton'un bilimsel yaratıcılığının zirvesi, ilk kez 1687'de yayınlanan ölümsüz eseri "Doğal Felsefenin Matematiksel İlkeleri"dir. Bu kitapta seleflerinin ve kendi araştırmalarının elde ettiği sonuçları özetledi ve ilk kez tüm klasik fiziğin temelini oluşturan tek ve uyumlu bir yer ve gök mekaniği sistemi yarattı. Burada Newton ilk kavramların tanımlarını verdi - kütleye eşdeğer madde miktarı, yoğunluk; İtkiye eşdeğer momentum ve çeşitli kuvvet türleri. Madde miktarı kavramını formüle ederek atomların tek bir birincil maddeden oluştuğu fikrinden yola çıktı; yoğunluk, bir cismin birim hacmini birincil maddeyle doldurma derecesi olarak anlaşıldı. Bu çalışma, Newton'un güneş sistemini oluşturan gezegenlerin, uyduların ve kuyruklu yıldızların hareketi teorisini geliştirdiği evrensel çekim doktrinini ortaya koyuyor. Bu yasaya dayanarak gelgit olgusunu ve Jüpiter'in sıkışmasını açıkladı.

Newton'un konsepti zaman içinde birçok teknolojik ilerlemenin temelini oluşturdu. Temelinde doğa biliminin çeşitli alanlarında birçok bilimsel araştırma yöntemi oluşturuldu.

2.1. Newton'un hareket yasaları.

Kinematik, uzayda belirli bir yeri işgal etme ve bu konumu zamanla değiştirme özelliği dışında, maddi bir cismin hiçbir özelliğine sahip olmayan geometrik bir cismin hareketini inceliyorsa, dinamik, gerçek cisimlerin etki altındaki hareketini inceler. onlara uygulanan kuvvetler. Newton'un kurduğu mekaniğin üç kanunu dinamiğin temelini oluşturur ve klasik mekaniğin ana dalını oluşturur.

Hareketli bir cisim maddi bir nokta olarak kabul edildiğinde, hareketin en basit durumuna doğrudan uygulanabilirler; cismin büyüklüğü ve şekli dikkate alınmadığında ve cismin hareketi kütleli bir noktanın hareketi olarak kabul edildiğinde. Kaynayan suda, bir noktanın hareketini tanımlamak için, bu hareketi karakterize eden niceliklerin belirlendiği herhangi bir koordinat sistemini seçebilirsiniz. Diğer cisimlere göre hareket eden herhangi bir cisim referans cismi olarak alınabilir. Dinamikte, serbest bir maddi noktanın onlara göre sabit bir hızla hareket etmesiyle karakterize edilen eylemsiz koordinat sistemleriyle ilgileniyoruz.

2.1.1. Newton'un birinci yasası.

Atalet yasası ilk olarak yatay hareket durumu için Galileo tarafından oluşturuldu: Bir cisim yatay bir düzlem boyunca hareket ettiğinde hareketi tekdüzedir ve eğer düzlem uzayda sonu olmayan bir şekilde uzanıyorsa sürekli olarak devam edecektir. Newton, hareketin birinci yasası olarak eylemsizlik yasasının daha genel bir formülasyonunu verdi: Her cisim, kendisine etki eden kuvvetler bu durumu değiştirene kadar hareketsiz veya düzgün doğrusal hareket durumunda kalır.

Hayatta bu yasa, hareket eden bir cismi çekmeyi veya itmeyi bırakırsanız, cismin durduğu ve sabit bir hızla hareket etmeye devam etmediği durumu açıklar. Bir araba motoru kapalıyken bu şekilde durur. Newton yasasına göre, ataletle yuvarlanan bir arabaya bir frenleme kuvveti etki etmelidir; bu pratikte hava direnci ve araba lastiklerinin otoyol yüzeyindeki sürtünmesidir. Arabaya durana kadar negatif ivme veriyorlar.

Yasanın bu formülasyonunun dezavantajı, hareketi eylemsiz bir koordinat sistemiyle ilişkilendirme ihtiyacına dair herhangi bir gösterge içermemesidir. Gerçek şu ki, Newton eylemsiz bir koordinat sistemi kavramını kullanmadı - bunun yerine, vücudun hızının belirlendiği belirli bir mutlak koordinat sistemiyle ilişkilendirdiği homojen ve hareketsiz mutlak uzay kavramını tanıttı. . Mutlak bir referans sistemi olarak mutlak uzayın boşluğu ortaya çıktığında, eylemsizlik yasası farklı şekilde formüle edilmeye başlandı: eylemsizlik koordinat sistemine göre, serbest bir cisim dinlenme durumunu veya düzgün doğrusal hareketi korur.

2.1.2. Newton'un ikinci yasası.

İkinci yasanın formülasyonunda Newton şu kavramları tanıttı:

İvme, bir cismin hızındaki değişim oranını belirleyen bir vektör miktarıdır (Newton buna momentum adını vermiştir ve hız paralelkenar kuralını formüle ederken bunu dikkate almıştır).

Kuvvet, bir cisim üzerinde diğer cisimlerden veya alanlardan gelen mekanik etkinin bir ölçüsü olarak anlaşılan ve bunun sonucunda cismin ivme kazanması veya şeklini ve boyutunu değiştirmesi olarak anlaşılan vektör bir niceliktir.

Vücut kütlesi, maddenin atalet ve yerçekimi özelliklerini belirleyen temel özelliklerinden biri olan fiziksel bir niceliktir.

Mekaniğin ikinci yasası şöyle der: Bir cisme etki eden kuvvet, cismin kütlesi ile bu kuvvetin sağladığı ivmenin çarpımına eşittir. Bu onun modern formülasyonudur. Newton bunu farklı bir şekilde formüle etti: Momentumdaki değişiklik, uygulanan etki kuvvetiyle orantılıdır ve bu kuvvetin etki ettiği düz çizgi yönünde ve vücudun kütlesiyle ters orantılıdır veya matematiksel olarak:

Bu yasayı deneysel olarak doğrulamak kolaydır; eğer bir yayın ucuna bir araba takarsanız ve yayı serbest bırakırsanız, o zaman zamanla olur; T araba mesafeye gidecek s 1(Şek. 1), ardından aynı yaya iki araba takın, yani. vücut ağırlığınızı iki katına çıkarın ve yayı serbest bırakın, ardından aynı anda T mesafe kat edecekler s 2, iki kat daha az s 1 .

Bu yasa yalnızca eylemsiz referans çerçevelerinde de geçerlidir. Matematiksel açıdan birinci yasa, ikinci yasanın özel bir durumudur, çünkü bileşke kuvvetler sıfırsa ivme de sıfırdır. Ancak Newton'un birinci yasası bağımsız bir yasa olarak kabul edilir çünkü Atalet sistemlerinin varlığını iddia eden odur.

2.1.3. Newton'un üçüncü yasası.

Newton'un üçüncü yasası şunu belirtir: Bir eylemin her zaman eşit ve zıt bir tepkisi vardır, aksi takdirde cisimler birbirlerine aynı düz çizgi boyunca, eşit büyüklükte ve zıt yönde yönlendirilmiş kuvvetlerle veya matematiksel olarak etki eder:

Newton bu yasanın etkisini hem cisimlerin çarpışması hem de karşılıklı çekim durumları için genişletti. Bu yasanın en basit gösterimi yatay bir düzlem üzerinde yer alan ve yerçekimi kuvvetine maruz kalan bir cisimdir. F t ve yer reaksiyon kuvveti F o Aynı düz çizgi üzerinde, eşit değerde ve zıt yönde uzanan bu kuvvetlerin eşitliği, vücudun hareketsiz kalmasına olanak tanır (Şekil 2).

Newton'un üç temel hareket yasasından sonuçlar çıkar; bunlardan biri paralelkenar kuralına göre momentumun eklenmesidir. Bir cismin ivmesi, diğer cisimlerin belirli bir cisim üzerindeki etkisini karakterize eden niceliklere ve bu cismin özelliklerini belirleyen niceliklere bağlıdır. Belirli bir cismin hareket hızını değiştiren diğer cisimlerin bir cisim üzerindeki mekanik etkisine kuvvet denir. Farklı bir yapıya sahip olabilir (yerçekimi, elastik kuvvet vb.). Bir cismin hızındaki değişiklik kuvvetlerin doğasına değil, büyüklüklerine bağlıdır. Hız ve kuvvet vektörler olduğundan, çeşitli kuvvetlerin etkisi paralelkenar kuralına göre toplanır. Bir cismin kazandığı ivmenin bağlı olduğu özelliği, kütle ile ölçülen eylemsizliktir. Işık hızından çok daha düşük hızlarla ilgilenen klasik mekanikte kütle, hareket edip etmediğinden bağımsız olarak cismin kendisinin bir özelliğidir. Klasik mekanikte bir cismin kütlesi, cismin diğer cisimlerle etkileşimine bağlı değildir. Kütlenin bu özelliği, Newton'u kütleyi maddenin bir ölçüsü olarak almaya ve kütlenin büyüklüğünün bir cisimdeki madde miktarını belirlediğine inanmaya sevk etti. Böylece kütle, maddenin miktarı olarak anlaşılmaya başlandı.

Madde miktarı, vücudun ağırlığıyla orantılı olarak ölçülebilir. Ağırlık, vücudun serbestçe düşmesini önleyen bir desteğe etki eden kuvvettir. Sayısal olarak ağırlık, vücut kütlesi ile yer çekimi ivmesinin çarpımına eşittir. Dünyanın sıkışması ve günlük dönüşü nedeniyle vücut ağırlığı enlemle birlikte değişir ve ekvatorda kutuplara göre %0,5 daha azdır. Kütle ve ağırlık kesinlikle orantılı olduğundan, maddenin kütlesinin veya miktarının pratik ölçümü mümkün oldu. Ağırlığın vücut üzerinde değişken bir etki olduğunun anlaşılması, Newton'un vücudun içsel bir özelliğini - ataletini - belirlemesine yol açtı; o bunu, vücudun kütleyle orantılı, düzgün doğrusal hareketi sürdürme konusundaki doğal yeteneği olarak kabul etti. Atalet ölçüsü olarak kütle, Newton'un yaptığı gibi ölçekler kullanılarak ölçülebilir.

Ağırlıksızlık durumunda kütle atalet ile ölçülebilir. Atalet ölçümü kütleyi ölçmenin yaygın bir yoludur. Ancak atalet ve ağırlık farklı fiziksel kavramlardır. Birbirleriyle orantılı olmaları pratik açıdan çok uygundur - terazi kullanarak kütleyi ölçmek için. Böylece kuvvet ve kütle kavramlarının ve bunları ölçme yönteminin oluşturulması, Newton'un mekaniğin ikinci yasasını formüle etmesine olanak sağladı.

Mekaniğin birinci ve ikinci yasaları sırasıyla maddi bir noktanın veya bir cismin hareketiyle ilgilidir. Bu durumda, yalnızca diğer cisimlerin belirli bir cisim üzerindeki etkisi dikkate alınır. Ancak her eylem etkileşimdir. Mekanikte bir eylem kuvvetle karakterize edildiğinden, eğer bir cisim diğerine belirli bir kuvvetle etki ederse, o zaman ikincisi, mekaniğin üçüncü yasasıyla belirlenen aynı kuvvetle birinciye etki eder. Newton'un formülasyonuna göre mekaniğin üçüncü yasası yalnızca kuvvetlerin doğrudan etkileşimi durumunda veya bir cismin hareketinin anında diğerine aktarıldığı durumlarda geçerlidir. Bir davanın belirli bir süre için devredilmesi halinde, davanın devredilme zamanının ihmal edilebildiği hallerde bu kanun uygulanır.

2.2. Evrensel çekim yasası.

Newton dinamiğinin çekirdeğinin kuvvet kavramı olduğuna ve dinamiğin asıl görevinin belirli bir hareketten yasayı oluşturmak ve tersine, belirli bir kuvvetten cisimlerin hareket yasasını belirlemek olduğuna inanılmaktadır. Newton, Kepler yasalarından, Güneş'e yönelik, gezegenlerin Güneş'e olan uzaklığının karesiyle ters orantılı olan bir kuvvetin varlığını çıkardı. Kepler, Huygens, Descartes, Borelli, Hooke tarafından ifade edilen fikirleri genelleştiren Newton, onlara, cisimlerin çekiciliğini belirleyen evrensel yerçekimi kuvvetinin doğadaki varlığının iddia edildiği bir matematik yasasının tam biçimini verdi. Yer çekimi kuvveti, yer çekimi yapan cisimlerin kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılıdır ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır veya matematiksel olarak:

G yer çekimi sabitidir.

Bu yasa herhangi bir cismin etkileşimini tanımlar - önemli olan tek şey cisimler arasındaki mesafenin boyutlarına göre yeterince büyük olmasıdır, bu cisimlerin maddi noktalar olarak kabul edilmesini sağlar. Newton'un çekim teorisinde, çekim kuvvetinin, çekim yapan bir cisimden diğerine anında ve herhangi bir ortamın aracılığı olmaksızın iletildiği kabul edilmektedir. Evrensel çekim yasası uzun ve şiddetli tartışmalara yol açtı. Bu tesadüf değildi, çünkü bu yasanın önemli felsefi önemi vardı. Mesele şu ki, Newton'dan önce fiziksel teoriler yaratmanın amacı, fiziksel olayların mekanizmasını tüm ayrıntılarıyla tanımlamak ve temsil etmekti. Bunun yapılamadığı durumlarda, ayrıntılı yoruma açık olmayan sözde "gizli nitelikler" hakkında argüman ileri sürüldü. Bacon ve Descartes "gizli niteliklere" yapılan atıfların bilim dışı olduğunu ilan etti. Descartes, doğal bir olgunun özünün ancak görsel olarak hayal edilmesi durumunda anlaşılabileceğine inanıyordu. Böylece yerçekimi olayını eterik girdapların yardımıyla temsil etti. Bu tür fikirlerin yaygınlaşması bağlamında, Newton'un evrensel çekim yasası, buna dayanarak yapılan astronomik gözlemlerin yazışmalarını benzeri görülmemiş bir doğrulukla göstermesine rağmen, cisimlerin karşılıklı çekimlerinin birbirine çok benzer olduğu gerekçesiyle sorgulandı. Peripatetik "gizli nitelikler" doktrini. Newton, varlığının gerçeğini matematiksel analiz ve deneysel verilere dayanarak oluşturmuş olsa da, matematiksel analiz, yeterince güvenilir bir yöntem olarak araştırmacıların bilincine henüz tam olarak girmemiştir. Ancak fiziksel araştırmayı mutlak gerçeği iddia etmeyen gerçeklerle sınırlama arzusu, Newton'un fiziğin bağımsız bir bilim olarak oluşumunu tamamlamasına ve onu mutlak bilgi iddialarıyla doğa felsefesinden ayırmasına olanak sağladı.

Evrensel çekim yasasında bilim, istisnasız ve kesin olarak tanımlanmış sonuçları olan, kesinlikle kesin, her yerde uygulanabilir bir kural olarak doğa yasasının bir modelini aldı. Bu yasa Kant tarafından, doğanın ahlakın aksine zorunluluk krallığı - özgürlük krallığı - olarak temsil edildiği felsefesine dahil edildi.

Newton'un fiziksel kavramı, 17. yüzyıl fiziğinin bir tür taçlandırıcı başarısıydı. Evrene statik yaklaşımın yerini dinamik bir yaklaşım aldı. 17. yüzyılın fizik alanındaki birçok problemini çözmeyi mümkün kılan deneysel-matematiksel araştırma yönteminin, iki yüzyıl daha fiziksel problemleri çözmeye uygun olduğu ortaya çıktı.

2.3. Mekaniğin asıl görevi.

Klasik mekaniğin gelişmesinin sonucu, dünyanın tüm niteliksel çeşitliliğinin Newton mekaniğinin yasalarına tabi olarak cisimlerin hareketindeki farklılıklarla açıklandığı bir çerçeve içerisinde dünyanın birleşik bir mekanik resminin yaratılmasıydı. Dünyanın mekanik resmine göre, eğer dünyanın fiziksel olgusu mekanik yasalarına dayanarak açıklanabiliyorsa, o zaman böyle bir açıklama bilimsel olarak kabul ediliyordu. Böylece Newton'un mekaniği, 19. ve 20. yüzyılların başındaki bilimsel devrime kadar hakim olan dünyanın mekanik resminin temeli haline geldi.

Newton'un mekaniği, önceki mekanik kavramların aksine, hareketin herhangi bir aşaması problemini, hem önceki hem de sonraki ve uzayın herhangi bir noktasında, bu harekete neden olan bilinen gerçeklerle çözmeyi ve aynı zamanda ters problemi de çözmeyi mümkün kıldı. Hareketin bilinen temel elemanları ile herhangi bir noktada bu faktörlerin etki büyüklüğü ve yönü. Bu sayede Newton mekaniği, mekanik hareketin niceliksel analizi için bir yöntem olarak kullanılabilir. Herhangi bir fiziksel olay, onlara neden olan faktörlerden bağımsız olarak incelenebilir. Örneğin, bir Dünya uydusunun hızını hesaplayabilirsiniz: Kolaylık olması açısından, yörüngesi Dünya'nın yarıçapına eşit olan bir uydunun hızını bulalım (Şekil 3). Yeterli doğrulukla, uydunun ivmesini Dünya yüzeyindeki yerçekiminin ivmesine eşitleyebiliriz:

Öte yandan uydunun merkezcil ivmesi.

Neresi . – Bu hıza birinci kaçış hızı denir. Böyle bir hızın verildiği herhangi bir kütle, Dünya'nın bir uydusu haline gelecektir.

Newton mekaniğinin yasaları kuvveti hareketle değil, hareketteki değişiklikle ilişkilendiriyordu. Bu, hareketi sürdürmek için kuvvetin gerekli olduğu yönündeki geleneksel fikirleri terk etmeyi ve hareketi sürdürmek için mevcut mekanizmalarda kuvveti gerekli kılan sürtünmeye ikincil bir rol atamayı mümkün kıldı. Geleneksel statik dünya görüşü yerine dinamik bir dünya görüşü kuran Newton, dinamiğini teorik fiziğin temeli haline getirdi. Newton, doğa olaylarının mekanik yorumlarında ihtiyatlı davranmasına rağmen, yine de diğer doğa olaylarını mekaniğin ilkelerinden türetmenin arzu edilir olduğunu düşünüyordu. Belirli problemlerin çözümüyle ilgili olarak mekanik aparatının daha da geliştirilmesi yönünde fiziğin daha da geliştirilmesi yapılmaya başlandı, çözüldükçe dünyanın mekanik resmi güçlendi.

2.4. Uygulanabilirliğin sınırları.

20. yüzyılın başında fiziğin gelişmesi sonucunda klasik mekaniğin uygulama alanı belirlendi: Hızı ışık hızından çok daha düşük olan hareketler için yasaları geçerlidir. Hız arttıkça vücut kütlesinin arttığı tespit edildi. Genel olarak Newton'un klasik mekanik yasaları eylemsiz referans sistemleri için geçerlidir. Eylemsiz olmayan referans sistemlerinde ise durum farklıdır. Eylemsiz olmayan bir koordinat sisteminin eylemsiz bir sisteme göre hızlandırılmış hareketi nedeniyle, Newton'un ilk yasası (eylemsizlik yasası) bu sistemde geçerli değildir - içindeki serbest cisimler zamanla hareket hızlarını değiştirecektir.

Klasik mekanikteki ilk çelişki mikrokozmos keşfedildiğinde ortaya çıktı. Klasik mekanikte, bu hareketlerin nasıl gerçekleştiğine bakılmaksızın uzaydaki hareketler ve hızın belirlenmesi incelenirdi. Mikro dünyanın fenomenleriyle ilgili olarak, böyle bir durumun prensipte imkansız olduğu ortaya çıktı. Burada kinematiğin altında yatan uzay-zamansal lokalizasyon yalnızca hareketin belirli dinamik koşullarına bağlı olan bazı özel durumlar için mümkündür. Makro ölçekte kinematiğin kullanımı oldukça kabul edilebilir. Ana rolü kuantumun oynadığı mikro ölçekler için, dinamik koşullardan bağımsız olarak hareketi inceleyen kinematik anlamını yitiriyor.

Mikro dünyanın ölçeği açısından Newton'un ikinci yasasının da savunulamaz olduğu ortaya çıktı; bu yasa yalnızca büyük ölçekli olaylar için geçerlidir. İncelenen sistemi karakterize eden herhangi bir niceliği ölçme girişimlerinin, bu sistemi karakterize eden diğer niceliklerde kontrolsüz bir değişikliğe yol açtığı ortaya çıktı: uzayda ve zamanda bir konum belirleme girişiminde bulunulursa, bu, karşılık gelen eşlenik nicelikte kontrolsüz bir değişikliğe yol açar. Dinamik durum sistemlerini belirleyen. Bu nedenle, karşılıklı olarak eşlenik olan iki miktarın aynı anda doğru olarak ölçülmesi mümkün değildir. Bir sistemi karakterize eden bir büyüklüğün değeri ne kadar doğru belirlenirse, onunla ilişkili miktarın değeri de o kadar belirsiz olur. Bu durum, şeylerin doğasını anlama konusundaki görüşlerde önemli bir değişikliğe yol açtı.

Klasik mekanikteki tutarsızlık, geleceğin bir anlamda tamamen şimdiki zamanda kapsandığı gerçeğine dayanıyordu; bu, bir sistemin gelecekte herhangi bir andaki davranışını doğru bir şekilde tahmin etme olasılığını belirler. Bu olasılık, karşılıklı eşlenik miktarların eşzamanlı olarak belirlenmesini sağlar. Mikro dünya alanında bunun imkansız olduğu ortaya çıktı, bu da doğal olayların tahmini ve birbirine bağlanması olanaklarının anlaşılmasında önemli değişikliklere neden oldu: çünkü bir sistemin belirli bir zaman noktasındaki durumunu karakterize eden niceliklerin değeri yalnızca bir dereceye kadar belirsizlikle belirlenebilirse, bu miktarların değerlerini sonraki dönemlerde doğru bir şekilde tahmin etme olasılığı zaman içindeki anları hariç tutar, yani. yalnızca belirli değerleri elde etme olasılığı tahmin edilebilir.

Klasik mekaniğin temellerini sarsan bir diğer keşif ise alan teorisinin yaratılmasıydı. Klasik mekanik, tüm doğal olayları maddenin parçacıkları arasında etki eden kuvvetlere indirgemeye çalıştı; elektriksel akışkanlar kavramı buna dayanıyordu. Bu kavram çerçevesinde sadece madde ve onun değişimleri gerçekti - burada en önemlisi iki elektrik yükünün hareketinin onlarla ilgili kavramlar yardımıyla tanımlanmasıydı. Yüklerin eylemlerini anlamak için yüklerin kendilerinin değil, bu yüklerin arasındaki alanın tanımı çok önemliydi. İşte bu koşullar altında Newton'un üçüncü yasasının ihlaline ilişkin basit bir örnek: Eğer yüklü bir parçacık, içinden bir akımın aktığı bir iletkenden uzaklaşırsa ve buna göre çevresinde bir manyetik alan yaratılırsa, o zaman sonuçta yüklü parçacık tarafından uygulanan kuvvet ortaya çıkar. akım taşıyan iletken üzerinde tam olarak sıfırdır.

Yaratılan yeni gerçekliğin dünyanın mekanik resminde yeri yoktu. Sonuç olarak fizik iki gerçeklikle ilgilenmeye başladı: madde ve alan. Eğer klasik fizik madde kavramına dayanıyorsa, yeni bir gerçekliğin tanımlanmasıyla birlikte dünyanın fiziksel resminin de revize edilmesi gerekiyordu. Eteri kullanarak elektromanyetik olayları açıklama girişimlerinin savunulamaz olduğu ortaya çıktı. Eter deneysel olarak tespit edilemedi. Bu, bizi klasik fiziğin karakteristik özelliği olan uzay ve zaman kavramlarını yeniden düşünmeye zorlayan görelilik teorisinin yaratılmasına yol açtı. Böylece iki kavram - kuantum teorisi ve görelilik teorisi - yeni fiziksel kavramların temeli oldu.

3. Sonuç.

Newton'un doğa biliminin gelişimine katkısı, fiziksel yasaları gözlemlerle doğrulanabilen ölçülebilir sonuçlara dönüştürmek ve bunun tersine, bu tür gözlemlerden fiziksel yasalar çıkarmak için matematiksel bir yöntem sağlamasıydı. Kendisinin "İlkeler"in önsözünde yazdığı gibi, "... biz bu çalışmayı fiziğin matematiksel temelleri olarak öneriyoruz. Fiziğin tüm zorluğu... doğa güçlerini hareket olgularından tanımaktan ibarettir ve sonra. kalan olayları açıklamak için bu güçleri kullanmak ... Benzer şekilde akıl yürüterek, mekaniğin ilkelerinden geri kalan doğa olaylarını çıkarmak arzu edilir, çünkü çoğu şey beni tüm bu olayların belirli güçler tarafından belirlendiğini varsaymaya itiyor Hala bilinmeyen nedenlerden dolayı cisimlerin parçacıkları ya birbirine yönelir ve düzenli şekiller halinde kenetlenir ya da karşılıklı olarak birbirini iter ve birbirlerinden uzaklaşır. Bu kuvvetler şimdiye kadar filozofların doğa olaylarını açıklama girişimleri. Ancak sonuçsuz kaldı ki, ya bu akıl yürütme yöntemi ya da daha doğru olan başka bir yöntem, burada verilen nedenlerin bir miktar ışık tutmasını sağlayacaktır."

Newton'un yöntemi doğayı anlamanın ana aracı haline geldi. Klasik mekaniğin yasaları ve matematiksel analiz yöntemleri etkinliğini gösterdi. Fiziksel deneyölçüm teknolojisine güvenerek benzeri görülmemiş bir doğruluk sağladı. Fiziksel bilgi giderek endüstriyel teknoloji ve mühendisliğin temeli haline geldi ve diğer doğa bilimlerinin gelişimini teşvik etti. Fizikte daha önce izole edilmiş ışık, elektrik, manyetizma ve ısı elektromanyetik teoride birleştirildi. Her ne kadar yerçekiminin doğası belirsiz kalsa da eylemleri hesaplanabiliyordu. Laplace'ın mekanik determinizmi kavramı, başlangıç ​​​​koşulları biliniyorsa, bir sistemin davranışını herhangi bir zamanda kesin olarak belirleme olasılığına dayanarak oluşturulmuştur. Bir bilim olarak mekaniğin yapısı sağlam, güvenilir ve neredeyse tamamen tamamlanmış görünüyordu - yani. Karşılaşılan ve mevcut klasik kanonlara uymayan olgular, gelecekte klasik mekanik açısından daha sofistike zihinler tarafından oldukça açıklanabilir görünüyordu. Fizik bilgisinin tamamen tamamlanmaya yakın olduğu izlenimi edinildi - klasik fiziğin temeli böylesine güçlü bir gücü kanıtladı.

4. Referansların listesi.

1. Karpenkov S.Kh. Doğa bilimlerinin temel kavramları. M.: BİRLİK, 1998.

2. Newton ve 20. yüzyıl fiziğinin felsefi sorunları. Yazarlar ekibi ed. MD Ahundova, S.V. Illarionov. M.: Nauka, 1991.

3. Gursky I.P. Temel fizik. M.: Nauka, 1984.

4. 30 ciltlik Büyük Sovyet Ansiklopedisi. Ed. Prokhorova A.M., 3. baskı, M., Sovyet Ansiklopedisi, 1970.

5. Dorfman Ya.G. 19. yüzyılın başından 20. yüzyılın ortalarına kadar dünya fizik tarihi. M., 1979.

S. Marshak, a.g.e. 4 cilt halinde, Moskova, Goslitizdat, 1959, cilt 3, s. 601

Alıntı Yazan: Bernal J. Toplum tarihinde bilim. M., 1956.P.265

Klasik mekaniğin ortaya çıkışı, fiziğin katı bir bilime, yani hem başlangıç ​​ilkelerinin hem de nihai sonuçlarının doğruluğunu, nesnelliğini, geçerliliğini ve doğrulanabilirliğini ileri süren bir bilgi sistemine dönüşmesinin başlangıcıydı. Bu ortaya çıkış 16-17. yüzyıllarda gerçekleşti ve Galileo Galilei, Rene Descartes ve Isaac Newton'un isimleriyle ilişkilendirildi. Doğanın “matematikleştirilmesini” gerçekleştirenler ve deneysel-matematiksel doğa görüşünün temellerini atanlar onlardı. Doğayı, uzaysal-geometrik (şekil), niceliksel-matematiksel (sayı, büyüklük) ve mekanik (hareket) özelliklere sahip olan ve matematiksel denklemlerle ifade edilebilecek neden-sonuç ilişkileriyle birbirine bağlanan bir dizi “maddi” nokta olarak sundular. .

Fiziğin katı bir bilime dönüşmesinin başlangıcı G. Galileo tarafından atıldı. Galileo mekaniğin bir dizi temel ilkesini ve yasasını formüle etti. Yani:

- eylemsizlik ilkesi, buna göre, bir cisim yatay bir düzlem boyunca harekete karşı herhangi bir dirençle karşılaşmadan hareket ettiğinde, hareketi tekdüzedir ve eğer düzlem uzayda sonsuz bir şekilde uzanıyorsa sürekli olarak devam eder;

- görelilik ilkesi eylemsizlik sistemlerinde tüm mekaniğin yasalarının aynı olduğu ve içerideyken doğrusal ve düzgün bir şekilde hareket edip etmediğini veya hareketsiz olup olmadığını belirlemenin hiçbir yolu olmadığı;

- hızların korunumu ilkesi ve bir eylemsiz sistemden diğerine geçiş sırasında mekansal ve zaman aralıklarının korunması. Bu ünlü Galile dönüşümü.

Mekanik, Isaac Newton'un eserlerinde mantıksal ve matematiksel olarak organize edilmiş temel kavramlar, ilkeler ve yasalar sistemine ilişkin bütünsel bir bakış açısı kazandı. Öncelikle “Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri” adlı çalışmasında Newton bu çalışmada şu kavramları tanıtıyor: ağırlık veya madde miktarı, eylemsizlik veya bir cismin dinlenme veya hareket durumundaki değişikliklere direnme özelliği, ağırlık kütle ölçüsü olarak, güç veya bir cismin durumunu değiştirmek için üzerinde gerçekleştirilen bir eylem.

Newton, içindeki cisimlere bağlı olmayan ve her zaman kendilerine eşit olan mutlak (gerçek, matematiksel) uzay ve zaman ile uzayın hareketli parçaları ve ölçülebilir zaman süreleri olan göreceli uzay ve zaman arasında ayrım yaptı.

Newton'un kavramında özel bir yer doktrini tarafından işgal edilmiştir. yer çekimi veya "göksel" ve karasal cisimlerin hareketini birleştirdiği yerçekimi. Bu öğreti şu ifadeleri içerir:

Bir cismin yerçekimi, onun içerdiği madde veya kütle miktarıyla orantılıdır;

Yerçekimi kütleyle orantılıdır;

Yerçekimi veya yer çekimi ve Dünya ile Ay arasında, aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı olarak etki eden kuvvettir;

Bu yerçekimi kuvveti, belirli bir mesafedeki tüm maddi cisimler arasında etki eder.

Yer çekiminin doğasıyla ilgili olarak Newton şunları söyledi: "Hiçbir hipotez icat etmiyorum."

D. Alembert, Lagrange, Laplace, Hamilton'un çalışmalarında geliştirilen Galileo-Newton mekaniği... sonunda o zamanın dünyasının fiziksel resmini belirleyen uyumlu bir biçim aldı. Bu resim, fiziksel bedenin öz-kimliği ilkelerine dayanıyordu; uzay ve zamandan bağımsızlığı; determinizm, yani fiziksel bedenlerin belirli durumları arasında kesin ve kesin bir neden-sonuç ilişkisi; Tüm fiziksel süreçlerin tersine çevrilebilirliği.

Termodinamik.

19. yüzyılda S. Kalno, R. Mayer, D. Joule, G. Hemholtz, R. Clausius, W. Thomson (Lord Kelvin) tarafından ısının işe ve geriye dönüştürülmesi süreci üzerine yapılan çalışmalar, R. Mayer'in yazdığı sonuçlar: "Hareket, ısı..., elektrik birbiriyle ölçülen ve belirli yasalara göre birbirine dönüşen olgulardır." Hemholtz, Mayer'in bu açıklamasını şu sonuca kadar genelleştiriyor: "Doğada var olan gerilim ve canlı güçlerin toplamı sabittir." William Thomson, enerjiyi iş yapabilme yeteneği olarak tanımlayarak, potansiyel ve kinetik enerji kavramlarına “yoğun ve canlı kuvvetler” kavramlarını açıklığa kavuşturdu. R. Clausius bu fikirleri formülasyonda özetledi: "Dünyanın enerjisi sabittir." Böylece, fizik camiasının ortak çabaları sayesinde, tüm fiziksel uygulamalar için temel bir prensip ortaya çıktı. Enerjinin korunumu ve dönüşümü kanunu bilgisi.

Enerjinin korunumu ve dönüşümü süreçleri üzerine yapılan araştırmalar başka bir yasanın keşfedilmesine yol açtı: artan entropi kanunu. Clausius, "Isının daha soğuk bir cisimden daha sıcak bir cisme geçişi telafi edilmeden gerçekleşemez" diye yazmıştı. Clausius, ısının dönüşme yeteneğinin ölçüsünü aradı entropi. Entropinin özü, herhangi bir izole sistemdeki süreçlerin, her türlü enerjinin ısıya dönüştürülmesi yönünde ilerlemesi ve aynı zamanda sistemde mevcut sıcaklık farklarının eşitlenmesi gerektiği gerçeğinde ifade edilir. Bu, gerçek fiziksel süreçlerin geri döndürülemez şekilde ilerlediği anlamına gelir. Entropinin maksimuma doğru eğilimini ileri süren ilkeye termodinamiğin ikinci yasası denir. İlk prensip enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasıdır.

Artan entropi ilkesi, fiziksel düşünceye bir takım sorunlar getirdi: fiziksel süreçlerin tersinirliği ve tersinmezliği arasındaki ilişki, cisimlerin sıcaklığı homojen olduğunda iş yapamayan enerjinin korunumunun formalitesi. Bütün bunlar termodinamiğin ilkelerinin daha derin bir şekilde gerekçelendirilmesini gerektiriyordu. Her şeyden önce, ısının doğası.

Böyle bir kanıtlama girişimi, ısının doğasına ilişkin moleküler-atomik düşünceye dayanarak şu sonuca varan Ludwig Boltzmann tarafından yapıldı: istatistiksel termodinamiğin ikinci yasasının doğası, çünkü makroskobik cisimleri oluşturan çok sayıda molekül ve bunların hareketlerinin aşırı hızı ve rastgeleliği nedeniyle yalnızca gözlemliyoruz ortalama değerler. Ortalama değerleri belirlemek olasılık teorisinde bir görevdir. Maksimum sıcaklık dengesinde, moleküler hareketin kaosu da maksimumdur ve tüm düzen ortadan kalkar. Şu soru ortaya çıkıyor: Düzen kaostan tekrar ortaya çıkabilir mi ve eğer öyleyse nasıl ortaya çıkabilir? Fizik, simetri ilkesini ve sinerji ilkesini tanıtarak buna ancak yüz yıl içinde cevap verebilecektir.

Elektrodinamik.

19. yüzyılın ortalarına gelindiğinde elektrik ve manyetik olayların fiziği belli bir tamamlanma noktasına ulaşmıştı. Coulomb'un en önemli yasalarından bazıları, Ampere yasası, elektromanyetik indüksiyon yasası, doğru akım yasaları vb. keşfedildi. Bütün bu kanunlar buna dayanıyordu. uzun menzilli prensip. Bunun istisnası, elektriksel eylemin sürekli bir ortam aracılığıyla iletildiğine inanan Faraday'ın görüşleriydi. kısa menzil prensibi. İngiliz fizikçi J. Maxwell, Faraday'ın fikirlerine dayanarak bu kavramı tanıtıyor. elektromanyetik alan denklemlerinde maddenin “keşfettiği” durumu anlatmaktadır. Maxwell şöyle yazıyor: "... Elektromanyetik alan, elektrik veya manyetik durumdaki cisimleri içeren ve çevreleyen uzayın parçasıdır." Maxwell, elektromanyetik alan denklemlerini birleştirerek dalga denklemini elde eder; elektromanyetik dalgalar havada yayılma hızı ışık hızına eşit olan cisim. Bu tür elektromanyetik dalgaların varlığı, 1888'de Alman fizikçi Heinrich Hertz tarafından deneysel olarak doğrulandı.

Alman fizikçi Hendrik Anton Lorenz, elektromanyetik dalgaların maddeyle etkileşimini açıklamak için varlığın hipotezini öne sürdü. elektron yani tüm ağır cisimlerde büyük miktarlarda bulunan, elektrik yüklü küçük bir parçacık. Bu hipotez, 1896'da Alman fizikçi Zeeman tarafından keşfedilen, manyetik alanda spektral çizgilerin bölünmesi olgusunu açıkladı. 1897'de Thomson deneysel olarak en küçük negatif yüklü parçacığın veya elektronun varlığını doğruladı.

Böylece, klasik fizik çerçevesinde, hareketi, yerçekimini, ısıyı, elektriği, manyetizmayı ve ışığı tanımlayan ve açıklayan oldukça uyumlu ve eksiksiz bir dünya resmi ortaya çıktı. Bu, Lord Kelvin'in (Thomson) fizik yapısının neredeyse tamamlandığını, yalnızca birkaç ayrıntının eksik olduğunu söylemesine yol açtı...

İlk olarak Maxwell denklemlerinin Galilean dönüşümleri altında değişmez olmadığı ortaya çıktı. İkinci olarak, Maxwell denklemlerinin "bağlı" olduğu mutlak bir koordinat sistemi olarak eter teorisi deneysel olarak doğrulanmadı. Michelson-Morley deneyi, hareketli bir koordinat sisteminde ışık hızının yöne bağlı olmadığını gösterdi HAYIR. Maxwell denklemlerinin korunmasını destekleyen Hendrik Lorentz, bu denklemleri mutlak bir referans çerçevesi olarak etere "bağladı", Galileo'nun görelilik ilkesini ve onun dönüşümlerini feda etti ve kendi dönüşümlerini formüle etti. G. Lorentz'in dönüşümlerinden, bir eylemsiz referans sisteminden diğerine geçerken uzaysal ve zaman aralıklarının değişmez olmadığı sonucu çıktı. Her şey yoluna girecekti, ancak mutlak bir ortamın - eterin - varlığı, belirtildiği gibi deneysel olarak doğrulanmadı. Bu bir kriz.

Klasik olmayan fizik. Özel görelilik teorisi.

Özel görelilik teorisinin yaratılışının mantığını anlatan Albert Einstein, L. Infeld'le birlikte yazdığı ortak kitapta şöyle yazıyor: “Şimdi, deneyimlerle yeterince doğrulanan gerçekleri, daha fazla sorun hakkında endişelenmeden bir araya toplayalım. eter:

1. Işığın kaynağının veya alıcısının hareketinden bağımsız olarak ışığın boş uzaydaki hızı her zaman sabittir.

2. Birbirlerine göre doğrusal ve düzgün hareket eden iki koordinat sisteminde, tüm doğa yasaları kesinlikle aynıdır ve mutlak doğrusal ve düzgün hareketi tespit etmenin hiçbir yolu yoktur...

İlk konum ışık hızının sabitliğini ifade eder, ikincisi ise Galileo'nun mekanik olaylar için formüle ettiği görelilik ilkesini doğada meydana gelen her şeye genelleştirir." Einstein, bu iki ilkenin kabul edildiğini ve kuvvet ilkesinin reddedildiğini belirtir. Galile dönüşümü, ışık hızının sabitliğiyle çeliştiği için özel görelilik teorisinin temelini attı. Kabul edilen iki ilkeye göre: Işık hızının sabitliği ve tüm eylemsiz referans çerçevelerinin eşitliği, Einstein. G. Lorentz'in dönüşümlerine göre tüm doğa yasalarının değişmezliği ilkesini ekler. Dolayısıyla tüm eylemsiz çerçevelerde aynı yasalar geçerlidir ve bir sistemden diğerine geçiş Lorentz dönüşümleri ile sağlanır. Hareketli bir saatin ritmi ve hareketli çubukların uzunluğu hıza bağlıdır: Hızı ışık hızına ulaşırsa çubuk sıfıra iner, hareket eden saatin ritmi ise yavaşlar ve saat tamamen durur; ışık hızında hareket edebilir.

Böylece, hareket eden cisimlerden ve onların durumlarından bağımsız olan Newtoncu mutlak zaman, uzay ve hareket fizikten çıkarıldı.

Genel görelilik teorisi.

Daha önce alıntı yapılan kitapta Einstein şunu soruyor: "Fizik yasalarını, yalnızca doğrusal ve tekdüze hareket eden sistemler için değil, aynı zamanda birbirlerine göre tamamen keyfi hareket eden sistemler için de olmak üzere tüm koordinat sistemleri için geçerli olacak şekilde formüle edebilir miyiz? ” . O da şu cevabı veriyor: "Mümkün görünüyor."

Özel görelilik teorisinde hareket eden cisimlerden ve birbirlerinden "bağımsızlıklarını" kaybeden uzay ve zaman, dört boyutlu tek bir uzay-zaman sürekliliğinde birbirini "bulmuş" gibi görünüyordu. Sürekliliğin yazarı matematikçi Hermann Minkowski, 1908'de "Elektromanyetik Süreçler Teorisinin Temelleri" adlı çalışmasını yayınladı; burada bundan sonra uzayın ve zamanın kendisinin gölge rolüne düşürülmesi gerektiğini ve yalnızca her ikisinin de bir tür bağlantısı bağımsızlığın korunmasına devam etmelidir. A. Einstein'ın fikri şuydu: tüm fiziksel yasaları özellikler olarak temsil eder bu sürekliliğin olduğu gibi metrik. Bu yeni konumdan hareketle Einstein, Newton'un çekim yasasını değerlendirdi. Yerine yer çekimi operasyona başladı yerçekimi alanı. Yerçekimi alanları, uzay-zaman sürekliliğine onun "eğrisi" olarak dahil edildi. Süreklilik metriği Öklid dışı, "Riemann" metriği haline geldi. Sürekliliğin "eğrisi", içinde hareket eden kütlelerin dağılımının bir sonucu olarak değerlendirilmeye başlandı. Yeni teori, Merkür'ün Güneş etrafındaki dönüşünün Newton'un yerçekimi yasasıyla tutarlı olmayan yörüngesini ve ayrıca Güneş'in yakınından geçen bir yıldız ışığı ışınının sapmasını açıkladı.

Böylece "eylemsizlik koordinat sistemi" kavramı fizikten çıkarıldı ve genelleştirilmiş bir genelleme ifadesi ortaya çıktı. görelilik ilkesi: herhangi bir koordinat sistemi doğal olayları tanımlamak için eşit derecede uygundur.

Kuantum mekaniği.

İkincisi, Lord Kelvin'e (Thomson) göre, 19. ve 20. yüzyılların başında fizik yapısını tamamlayan eksik unsur, tamamen siyah bir cismin termal radyasyon yasalarının incelenmesinde teori ve deney arasında ciddi bir tutarsızlıktı. vücut. Geçerli teoriye göre sürekli olmalı, sürekli. Ancak bu, belirli bir sıcaklıkta siyah bir cisim tarafından yayılan toplam enerjinin sonsuza eşit olması (Rayleigh-Jean formülü) gibi paradoksal sonuçlara yol açtı. Sorunu çözmek için Alman fizikçi Max Planck, 1900 yılında, maddenin yayılan (veya emilen) frekansla orantılı sonlu kısımlar (kuanta) dışında enerji yayamayacağı veya ememeyeceği hipotezini öne sürdü. Bir kısmın (kuantum) enerjisi E=hn, burada n radyasyonun frekansıdır ve h evrensel bir sabittir. Planck'ın hipotezi Einstein tarafından fotoelektrik etkiyi açıklamak için kullanıldı. Einstein ışık veya foton kuantumu kavramını ortaya attı. Ayrıca şunu da önerdi ışık Planck formülüne göre hem dalga hem de kuantum özelliklerine sahiptir. Fizik topluluğu, özellikle 1923'te fotonların varlığını doğrulayan başka bir olgunun keşfedilmesinden bu yana dalga-parçacık ikiliği hakkında konuşmaya başladı: Compton etkisi.

1924'te Louis de Broglie, ışığın ikili parçacık-dalga doğası fikrini maddenin tüm parçacıklarına genişletti ve bu fikrini ortaya attı. madde dalgaları. Buradan elektronun dalga özelliklerinden, örneğin deneysel olarak belirlenen elektron kırınımından bahsedebiliriz. Bununla birlikte, R. Feynman'ın iki delikli bir kalkan üzerinde elektronları "bombalamaya" yönelik deneyleri, bir yandan elektronun hangi delikten uçtuğunu söylemenin, yani koordinatını doğru bir şekilde belirlemenin, diğer yandan ise imkansız olduğunu gösterdi. diğer yandan, girişimin doğasını bozmadan, tespit edilen elektronların dağılım modelini bozmamak. Bu, elektronun koordinatlarını veya momentumunu bilebileceğimiz, ancak ikisini birden bilemeyeceğimiz anlamına gelir.

Bu deney, klasik anlamda, uzay ve zamandaki kesin lokalizasyon anlamındaki parçacık kavramının sorgulanmasına neden oldu.

Mikropartiküllerin "klasik olmayan" davranışının açıklaması ilk olarak Alman fizikçi Werner Heisenberg tarafından yapılmıştır. İkincisi, bir mikropartikülün hareket yasasını formüle etti; buna göre, bir parçacığın kesin koordinatına ilişkin bilgi, momentumunun tamamen belirsizliğine yol açar ve bunun tersi de, bir parçacığın momentumunun tam bilgisi, koordinatlarının tamamen belirsizliğine yol açar. W. Heisenberg, bir mikropartikülün koordinat belirsizlikleri ile momentumu arasındaki ilişkiyi kurdu:

Dx * DP x ³ h, burada Dx koordinat değerindeki belirsizliktir; DP x - dürtü değerindeki belirsizlik; h Planck sabitidir. Bu yasa ve belirsizlik ilişkisine denir belirsizlik ilkesi Heisenberg.

Belirsizlik ilkesini analiz eden Danimarkalı fizikçi Niels Bohr, deneyin kurulumuna bağlı olarak bir mikropartikülün ya parçacık yapısını ya da dalga doğasını ortaya çıkardığını gösterdi. ama ikisi aynı anda değil. Sonuç olarak, mikropartiküllerin bu iki doğası birbirini dışlar ve aynı zamanda birbirini tamamlayıcı olarak düşünülmelidir ve bunların iki deneysel durum sınıfına (zerrecik ve dalga) dayanan tanımları, mikropartikülün bütünsel bir açıklaması olmalıdır. “Kendinde” bir parçacık değil, bir “parçacık - cihaz” sistemi vardır. N. Bohr'un bu sonuçlarına denir tamamlayıcılık ilkesi.

Bu yaklaşım çerçevesinde belirsizlik ve ekliğin bilgisizliğimizin bir ölçüsü olmadığı, aksine mikropartiküllerin objektif özellikleri, bir bütün olarak mikro dünya. Bundan, istatistiksel, olasılıksal yasaların fiziksel gerçekliğin derinliklerinde yattığı ve kesin neden-sonuç bağımlılığının dinamik yasalarının, istatistiksel yasaları ifade etmenin yalnızca bazı özel ve idealleştirilmiş durumları olduğu sonucu çıkar.

Göreli kuantum mekaniği.

1927'de İngiliz fizikçi Paul Dirac, o zamana kadar keşfedilen mikropartiküllerin hareketini tanımlamak için özel bir teorinin uygulanmasıyla elektron, proton ve fotonların ışık hızına yakın hızlarda hareket ettiklerine dikkat çekti. görelilik gereklidir. Dirac, hem kuantum mekaniğinin hem de Einstein'ın görelilik teorisinin yasalarını dikkate alarak bir elektronun hareketini tanımlayan bir denklem oluşturdu. Bu denklemin iki çözümü vardı: Bir çözüm pozitif enerjili bilinen bir elektronu veriyordu, diğeri ise negatif enerjili bilinmeyen bir ikiz elektronu veriyordu. Onlara simetrik olan parçacıklar ve antiparçacıklar fikri bu şekilde ortaya çıktı. Bu şu soruyu gündeme getirdi: Vakum boş mu? Einstein'ın esiri "kovmasından" sonra, şüphesiz boş görünüyordu.

Modern, kanıtlanmış fikirler, boşluğun yalnızca ortalama olarak "boş" olduğunu söylüyor. İçinde çok sayıda sanal parçacık ve antipartikül sürekli olarak doğuyor ve kayboluyor. Bu durum DE * Dt ³ h ifadesine de sahip olan belirsizlik ilkesine aykırı değildir. Kuantum alan teorisinde vakum, enerjisi yalnızca ortalama olarak sıfır olan bir kuantum alanının en düşük enerji durumu olarak tanımlanır. Yani boşluk, "hiçlik" denilen "bir şeydir".

Birleşik alan teorisi oluşturma yolunda.

1918'de Emmy Noether, eğer belirli bir sistem küresel bir dönüşüm altında değişmezse, o zaman onun için belirli bir koruma değeri bulunduğunu kanıtladı. Bundan, (enerjinin) korunumu yasasının bir sonuç olduğu sonucu çıkar. simetriler, gerçek uzay-zamanda var olan.

Felsefi bir kavram olarak simetri, dünyadaki fenomenlerin farklı ve zıt durumları arasındaki özdeş anların varoluş ve oluşum süreci anlamına gelir. Bu, herhangi bir sistemin simetrisini incelerken, çeşitli dönüşümler altındaki davranışlarını dikkate almanın ve dönüşümlerin tamamında geride kalanları tanımlamanın gerekli olduğu anlamına gelir. değişmez, değişmez söz konusu sistemlere karşılık gelen bazı işlevler.

Modern fizikte bu kavram kullanılır ölçü simetrisi. Kalibrasyonla demiryolu çalışanları, dar hatlardan geniş hatlara geçişi kastediyor. Fizikte kalibrasyon başlangıçta seviye veya ölçekteki bir değişiklik olarak da anlaşıldı. Özel görelilikte fizik yasaları mesafeyi kalibre ederken öteleme veya kaymaya göre değişmez. Ayar simetrisinde değişmezlik gerekliliği belirli bir spesifik etkileşim türüne yol açar. Sonuç olarak, gösterge değişmezliği şu soruyu yanıtlamamızı sağlar: "Doğada bu tür etkileşimler neden ve neden var?" Şu anda fizik dört tür fiziksel etkileşimin varlığını tanımlamaktadır: yerçekimi, güçlü, elektromanyetik ve zayıf. Hepsinin bir ayar doğası vardır ve Lie gruplarının farklı temsilleri olan ayar simetrileri ile tanımlanırlar. Bu, bir birincil varlığın varlığını göstermektedir. süpersimetrik alan, burada etkileşim türleri arasında hala bir ayrım yoktur. Farklılıklar ve etkileşim türleri, orijinal vakumun simetrisinin kendiliğinden, kendiliğinden ihlalinin sonucudur. O halde Evrenin evrimi şöyle görünür: sinerjik kendi kendini organize etme süreci: Boşluk süpersimetrik durumundan genişleme süreci sırasında Evren “büyük patlamaya” kadar ısındı. Tarihinin ilerleyişi, orijinal boşluğun simetrisinin kendiliğinden ihlallerinin meydana geldiği kritik noktalardan - çatallanma noktalarından geçti. İfade sistemlerin kendi kendine organizasyonu başından sonuna kadar çatallanma noktalarında orijinal simetri tipinin kendiliğinden ihlali ve orada sinerji ilkesi.

Çatallanma noktalarında, yani orijinal simetrinin kendiliğinden ihlal edildiği noktalarda kendi kendine örgütlenme yönünün seçimi tesadüfi değildir. Sanki boşluk süpersimetrisi seviyesinde bir insanın “projesi” yani dünyanın neden böyle olduğunu soran bir varlığın “projesi” ile zaten mevcutmuş gibi tanımlanır. Bu antropik prensip 1962 yılında D. Dicke tarafından fizikte formüle edilmiştir.

Görelilik, belirsizlik, tamamlayıcılık, simetri, sinerji, antropik prensip ilkelerinin yanı sıra dinamik, kesin neden-sonuç bağımlılıklarıyla ilişkili olarak olasılıksal neden-sonuç bağımlılıklarının derin-temel doğasının doğrulanması, modern gestaltın kategorik-kavramsal yapısı, fiziksel gerçekliğin imgesi.

Edebiyat

1. Akhiezer A.I., Rekalo M.P. Dünyanın modern fiziksel resmi. M., 1980.

2. Bohr N. Atom fiziği ve insan bilişi. M., 1961.

3. Bohr N. Nedensellik ve tamamlayıcılık // Bohr N. 2 ciltte seçilmiş bilimsel çalışmalar T.2. M., 1971.

4. Benim neslimin hayatında M. Fizik doğdu, M., 1061.

5. Broglie L. De. Fizikte devrim. M., 1963

6. Heisenberg V. Fizik ve Felsefe. Parça ve bütün. M.1989.

8. Einstein A., Infeld L. Fiziğin evrimi. M., 1965.