klassikaline mehaanika- mehaanika liik (füüsika haru, mis uurib kehade asendite muutumise seadusi ajas ja seda põhjustavaid põhjuseid), mis põhineb Newtoni seadustel ja Galilei relatiivsusprintsiibil. Seetõttu nimetatakse seda sageli Newtoni mehaanika».
Klassikaline mehaanika jaguneb järgmisteks osadeks:
Klassikalise mehaanika formaalseks matemaatiliseks kirjeldamiseks on mitu samaväärset viisi:
Klassikaline mehaanika annab väga täpseid tulemusi, kui selle rakendamine on piiratud kehadega, mille kiirus on palju väiksem kui valguse kiirus ja mille mõõtmed on palju suuremad kui aatomite ja molekulide suurused. Klassikalise mehaanika üldistus suvalise kiirusega liikuvatele kehadele on relativistlik mehaanika ja kehadele, mille mõõtmed on võrreldavad aatomi omadega - kvantmehaanika. Kvantväljateooria käsitleb kvantrelativistlikke efekte.
Sellegipoolest säilitab klassikaline mehaanika oma väärtuse, kuna:
Klassikalist mehaanikat saab kasutada selliste objektide liikumise kirjeldamiseks nagu topsid ja pesapallid, paljude astronoomiliste objektide (nagu planeedid ja galaktikad) ja mõnikord isegi paljude mikroskoopiliste objektide, näiteks molekulide, liikumise kirjeldamiseks.
Klassikaline mehaanika on iseseisev teooria, see tähendab, et selle raamistikus pole väiteid, mis oleksid üksteisega vastuolus. Selle kombinatsioon teiste klassikaliste teooriatega, nagu klassikaline elektrodünaamika ja termodünaamika, toob aga kaasa lahendamatuid vastuolusid. Eelkõige ennustab klassikaline elektrodünaamika, et valguse kiirus on kõigi vaatlejate jaoks konstantne, mis on vastuolus klassikaline mehaanika. 20. sajandi alguses tõi see kaasa vajaduse luua spetsiaalne relatiivsusteooria. Kui käsitleda koos termodünaamikaga, viib klassikaline mehaanika Gibbsi paradoksini, mille puhul on võimatu täpselt määrata entroopia suurust, ja ultraviolettkatastroofini, kus must keha peab kiirgama lõpmatus koguses energiat. Katsed neid probleeme lahendada on viinud nende tekkimise ja arenguni kvantmehaanika.
Klassikaline mehaanika töötab mitme põhikontseptsiooni ja mudeliga. Nende hulgas tuleks esile tõsta:
Klassikalise mehaanika põhiprintsiip on relatiivsusprintsiip, mille sõnastas G. Galileo empiiriliste vaatluste põhjal. Selle printsiibi järgi on lõpmata palju tugiraame, milles vaba keha on puhkeseisundis või liigub absoluutväärtuses ja suunas konstantse kiirusega. Neid tugiraame nimetatakse inertsiaalseteks ja need liiguvad üksteise suhtes ühtlaselt ja sirgjooneliselt. Kõik inertsiaalsed süsteemid Ruumi ja aja võrdlusomadused on samad ning kõik protsessid mehaanilistes süsteemides järgivad samu seadusi. Seda põhimõtet võib sõnastada ka puudumisena absoluutsed süsteemid viide, st võrdlussüsteemid, mis eristuvad kuidagi teistest.
Newtoni kolm seadust on klassikalise mehaanika aluseks.
Osakese liikumise kirjeldamiseks Newtoni teisest seadusest ei piisa. Lisaks on nõutav jõu kirjeldus, mis saadakse üksuse kaalumisel füüsiline suhtlus milles keha osaleb.
Energia jäävuse seadus on Newtoni seaduste tagajärg suletud konservatiivsetele süsteemidele, st süsteemidele, milles toimivad ainult konservatiivsed jõud. Põhimõttelisemast vaatenurgast on energia jäävuse seaduse ja aja homogeensuse vahel seos, mida väljendab Noetheri teoreem.
Klassikaline mehaanika hõlmab ka laiendatud mittepunktiliste objektide keeruliste liikumiste kirjeldusi. Euleri seadused laiendavad Newtoni seadusi sellele valdkonnale. Nurkmomendi mõiste tugineb samadele matemaatilistele meetoditele, mida kasutatakse ühemõõtmelise liikumise kirjeldamiseks.
Raketi liikumise võrrandid laiendavad kiiruse mõistet, kui objekti impulss aja jooksul muutub, et võtta arvesse selliseid mõjusid nagu massikadu. Klassikalise mehaanika jaoks on kaks olulist alternatiivset formulatsiooni: Lagrange'i mehaanika ja Hamiltoni mehaanika. Need ja teised kaasaegsed sõnastused lähevad reeglina "jõu" mõistest mööda ja rõhutavad muud füüsikalised kogused, nagu energia või tegevus, mehaaniliste süsteemide kirjeldamiseks.
Ülaltoodud impulsi ja kineetilise energia avaldised kehtivad ainult olulise elektromagnetilise panuse puudumisel. Elektromagnetismis rikutakse Newtoni teist seadust voolu kandva juhtme kohta, kui see ei sisalda panust elektromagnetväli süsteemi impulsi, mis on väljendatud Poyntingi vektori jagatuna c 2, kus c on valguse kiirus vabas ruumis.
Klassikaline mehaanika tekkis antiikajal peamiselt seoses ehituse käigus tekkinud probleemidega. Esimesena arendati mehaanika sektsioonidest staatika, mille alused pandi 3. sajandil eKr Archimedese töödesse. e. Ta sõnastas kangi reegli, paralleeljõudude liitmise teoreemi, tutvustas raskuskeskme mõistet, pani aluse hüdrostaatikale (Archimedese jõud).
19. sajandil toimub analüütilise mehaanika areng Ostrogradsky, Hamiltoni, Jacobi, Hertzi jt töödes, vibratsiooniteoorias töötasid Routh, Žukovski ja Ljapunov välja mehaaniliste süsteemide stabiilsuse teooria. Coriolis arendas suhtelise liikumise teooriat, tõestades kiirendusteoreemi. 19. sajandi teisel poolel eraldati kinemaatika omaette mehaanika osaks.
19. sajandil olid kontiinummehaanika edusammud eriti olulised. Navier ja Cauchy sõnastasid elastsusteooria võrrandid üldisel kujul. Navier ja Stokes'i töödes saadi hüdrodünaamika diferentsiaalvõrrandid, võttes arvesse vedeliku viskoossust. Koos sellega süvenevad teadmised ideaalse vedeliku hüdrodünaamika vallas: ilmuvad Helmholtzi tööd pööristest, Kirchhoffi, Žukovski ja Reynoldsi tööd turbulentsist ning Prandtli tööd piiriefektidest. Saint-Venant töötas välja matemaatilise mudeli, mis kirjeldab metallide plastilisi omadusi.
20. sajandil lülitus uurijate huvi klassikalise mehaanika valdkonnas mittelineaarsetele efektidele. Ljapunov ja Henri Poincaré panid aluse mittelineaarsete võnkumiste teooriale. Meshchersky ja Tsiolkovsky analüüsisid muutuva massiga kehade dünaamikat. Aerodünaamika paistab silma kontiinummehaanikast, mille alused töötas välja Žukovski. 20. sajandi keskel areneb klassikalises mehaanikas aktiivselt uus suund - kaoseteooria. Samuti jäävad oluliseks keeruliste dünaamiliste süsteemide stabiilsuse küsimused.
Klassikaline mehaanika annab täpseid tulemusi süsteemide jaoks, milles me kokku puutume Igapäevane elu. Kuid tema ennustused muutuvad valeks valguse kiirusele lähenevate süsteemide puhul, kus see asendatakse relativistliku mehaanikaga, või väga väikeste süsteemide puhul, kus kehtivad kvantmehaanika seadused. Süsteemide puhul, mis ühendavad mõlemad omadused, kasutatakse klassikalise mehaanika asemel relativistlikku kvantväljateooriat. Süsteemidele, millel on väga suur kogus komponendid ehk vabadusastmed, ei saa ka klassikaline mehaanika olla adekvaatne, vaid kasutatakse statistilise mehaanika meetodeid.
Klassikalist mehaanikat kasutatakse laialdaselt, kuna esiteks on see palju lihtsam ja hõlpsamini rakendatav kui ülalloetletud teooriad ning teiseks on sellel suurepärased võimalused lähendamiseks ja rakendamiseks väga laia klassi füüsikaliste objektide jaoks, alustades tavapärasest, näiteks vurr või kuul, suurtele astronoomilistele objektidele (planeedid, galaktikad) ja väga mikroskoopilistele (orgaanilised molekulid).
Kuigi klassikaline mehaanika ühildub üldiselt teiste "klassikaliste" teooriatega, nagu klassikaline elektrodünaamika ja termodünaamika, on nende teooriate vahel mõningaid vastuolusid, mis leiti 19. sajandi lõpus. Neid saab lahendada kaasaegsemate füüsika meetoditega. Eelkõige ei ole klassikalise elektrodünaamika võrrandid Galilei teisenduste korral muutumatud. Valguse kiirus siseneb neisse konstantina, mis tähendab, et klassikaline elektrodünaamika ja klassikaline mehaanika võiksid ühilduda ainult ühes valitud eetriga seotud tugiraamistikus. Eksperimentaalne kontrollimine aga eetri olemasolu ei paljastanud, mistõttu loodi spetsiaalne relatiivsusteooria, milles mehaanika võrrandeid muudeti. Klassikalise mehaanika põhimõtted on vastuolus ka mõnede klassikalise termodünaamika väidetega, mis viib Gibbsi paradoksini, mille kohaselt on võimatu entroopiat täpselt määrata, ja ultraviolettkatastroofini, kus must keha peab kiirgama lõpmatus koguses. energiast. Nende vastuolude ületamiseks loodi kvantmehaanika.
Definitsioon 1
Mehaanika on ulatuslik füüsikaharu, mis uurib füüsiliste kehade positsioonide muutumise seadusi ruumis ja ajas, aga ka Newtoni seadustel põhinevaid postulaate.
Joonis 1. Dünaamika põhiseadus. Autor24 - üliõpilastööde veebivahetus
Sageli see teaduslik suund füüsikud nimetavad "Newtoni mehaanikaks". Klassikaline mehaanika on tänapäeval jagatud järgmisteks osadeks:
Mehaaniline liikumine on elusaine üks lihtsamaid ja samal ajal levinumaid eksisteerimisvorme. Seetõttu on klassikaline mehaanika loodusteadustes erakordselt oluline koht ja seda peetakse füüsika peamiseks alajaotuseks.
Klassikaline mehaanika uurib oma postulaatides töötavate kehade liikumist kiirusega, mis on palju vähem kiirust Sveta. Relatiivsusteooria erihüpoteesi kohaselt pole suurel kiirusel liikuvate elementide jaoks absoluutset ruumi ja aega. Selle tulemusena muutub ainete interaktsiooni iseloom keerulisemaks, eelkõige hakkab nende mass sõltuma liikumiskiirusest. Kõik see on muutunud relativistliku mehaanika valemite kaalutluse objektiks, mille puhul valguskiiruse konstant mängib olulist rolli.
Klassikaline mehaanika põhineb järgmistel põhiseadustel.
Kolmest fundamentaalsed teooriad Newtoni keha liigutused, järgnevad teatud tagajärjed, millest üks on elementide koguarvu liitmine rööpkülikureegli järgi. Selle idee järgi kiirendus mis tahes füüsikaline aine sõltub suurustest, mis iseloomustavad peamiselt protsessi enda tunnuseid määravate teiste kehade tegevust. Väliskeskkonnast lähtuvat mehaanilist mõju uuritavale objektile, mis muudab radikaalselt mitme elemendi korraga liikumiskiirust, nimetatakse jõuks. See võib olla mitmetahuline.
Klassikalises mehaanikas, mis tegeleb valguse kiirusest palju väiksema kiirusega, peetakse massi keha enda üheks peamiseks tunnuseks, olenemata sellest, kas see liigub või puhkab. Füüsilise keha mass ei sõltu aine vastasmõjust süsteemi teiste osadega.
Märkus 1
Nii hakati massi all järk-järgult mõistma elusaine hulka.
Massi ja jõu mõistete ning nende mõõtmise meetodi kehtestamine võimaldas Newtonil kirjeldada ja sõnastada klassikalise mehaanika teist seadust. Nii et mass on üks põhijooned aine, mis määrab selle gravitatsioonilised ja inertsed omadused.
Mehaanika esimene ja teine seadus viitavad vastavalt ühe keha süstemaatilisele liikumisele või materiaalne punkt. Sel juhul võetakse arvesse ainult teatud kontseptsiooni teiste elementide toimet. Iga füüsiline tegevus on aga interaktsioon.
Juba kolmas mehaanika seadus fikseerib selle väite ja ütleb: tegevusele vastab alati vastupidine ja võrdne reaktsioon. Newtoni sõnastuses kehtib see mehaanika postulaat ainult jõudude otsese seose korral või ühe materiaalse keha toime järsu ülekandumise korral teisele. Pikaajalise liikumise korral kehtib kolmas seadus, kui toimingu üleandmise aega saab tähelepanuta jätta.
Üldiselt kehtivad inertsiaalsete tugisüsteemide toimimiseks kõik klassikalise mehaanika seadused. Mitteinertsiaalsete mõistete puhul on olukord hoopis teine. Koordinaatide kiirendatud liikumisel inertsiaalraami enda suhtes ei saa kasutada Newtoni esimest seadust - selles olevad vabad kehad muudavad aja jooksul oma liikumiskiirust ja sõltuvad teiste ainete liikumiskiirusest ja energiast.
Joonis 3. Klassikalise mehaanika seaduste rakendatavuse piirid. Autor24 - üliõpilastööde veebivahetus
Füüsika üsna kiire arengu tulemusena 20. sajandi alguses kujunes välja klassikalise mehaanika teatud rakendusala: selle seadused ja postulaadid kehtivad füüsiliste kehade liikumiste kohta, mille kiirus on palju väiksem kui valguse kiirus. Tehti kindlaks, et kiiruse suurenemisega suureneb mis tahes aine mass automaatselt.
Klassikalise mehaanika põhimõtete lahknevus tulenes peamiselt sellest, et tulevik on teatud mõttes täielikult olevikus – see määrab tõenäosuse süsteemi käitumist igal ajaperioodil täpselt ennustada.
Märkus 2
Newtoni meetodist sai kohe peamine vahend looduse ja kogu planeedi elu olemuse mõistmisel. Mehaanika ja meetodite seadused matemaatiline analüüs peagi näitasid nende tõhusust ja olulisust. Füüsiline eksperiment, mis põhineb mõõtmistehnoloogia, andis teadlastele enneolematu täpsuse.
Füüsilised teadmised muutusid üha kesksemaks tööstustehnoloogia mis stimuleeris üldine areng muud olulised loodusteadused.
Füüsikas muutus kogu varem eraldatud elekter, valgus, magnetism ja soojus tervikuks ja ühendati elektromagnetilises hüpoteesis. Ja kuigi gravitatsiooni iseloom jäi ebaselgeks, oli selle mõju võimalik välja arvutada. Kinnitati ja rakendati Laplace'i mehhaanilise determinismi kontseptsioon, mis lähtub võimalusest määrata kehade käitumist igal ajahetkel täpselt, kui esialgsed tingimused on kindlaks määratud.
Mehaanika kui teaduse struktuur tundus üsna usaldusväärne ja kindel ning ka praktiliselt terviklik. Seetõttu jäi mulje, et teadmised füüsikast ja selle seadustest on lõpulähedased – nii võimsat jõudu näitas klassikalise füüsika vundament.
Mehaanika on füüsika haru, mis uurib üht lihtsaimat ja üldisemat looduse liikumisvormi, mida nimetatakse mehaaniliseks liikumiseks.
mehaaniline liikumine seisneb kehade või nende osade asendi muutmises aja jooksul üksteise suhtes. Nii et mehaanilist liikumist teevad planeedid, mis ringlevad suletud orbiitidel ümber Päikese; mitmesugused Maa pinnal liikuvad kehad; elektromagnetvälja mõjul liikuvad elektronid jne. Mehaaniline liikumine esineb teistes keerukamates ainevormides lahutamatu, kuid mitte ammendava osana.
Sõltuvalt uuritavate objektide olemusest jaotatakse mehaanika materiaalse punkti mehaanikaks, mehaanikaks. tahke keha ja kontiinummehaanika.
Mehaanika põhimõtted sõnastas esimesena I. Newton (1687) eksperimentaalse uuringu põhjal makrokehade liikumisest väikeste kiirustega võrreldes valguse kiirusega vaakumis (3·10 8 m/s).
makrokehad nimetatakse tavalisteks meid ümbritsevateks kehadeks, st kehadeks, mis koosnevad tohutul hulgal molekulidest ja aatomitest.
Mehaanikat, mis uurib valguse kiirusest palju väiksema kiirusega makrokehade liikumist vaakumis, nimetatakse klassikaliseks.
Klassikaline mehaanika põhineb järgmistel Newtoni ideedel ruumi ja aja omaduste kohta.
Ükskõik milline füüsiline protsess kulgeb ruumis ja ajas. Seda on näha vähemalt sellest, et kõigis füüsikaliste nähtuste valdkondades sisaldab iga seadus otseselt või kaudselt aegruumi suurusi – kaugusi ja ajavahemikke.
Kolmemõõtmeline ruum järgib eukleidilist geomeetriat, see tähendab, et see on tasane.
Kaugusi mõõdetakse skaalade abil, mille peamiseks omaduseks on see, et kaks korda langenud skaalat jäävad alati üksteisega võrdseks ehk kattuvad iga järgneva ülekattega.
Ajavahemikke mõõdetakse tundides ja viimaste rolli võib täita iga korduvat protsessi sooritav süsteem.
Klassikalise mehaanika ideede põhijooneks kehade suuruse ja ajavahemike kohta on nende absoluutsus: skaala on alati sama pikkusega, olenemata sellest, kuidas see vaatleja suhtes liigub; kaks kella, millel on sama kiirus ja kui need on üksteisega vastavusse viidud, näitavad sama aega, olenemata nende liikumisest.
Ruumil ja ajal on märkimisväärsed omadused sümmeetria mis seavad piirangud neis teatud protsesside kulgemisele. Need omadused on välja kujunenud kogemuste põhjal ja tunduvad esmapilgul nii ilmsed, et tundub, et pole vaja neid eraldi välja tuua ja nendega tegeleda. Samal ajal, kui ruumilist ja ajalist sümmeetriat ei oleks, ei saaks füüsikateadus tekkida ega areneda.
Selgub, et ruum ühtlaselt ja isotroopselt, ja aeg on käes ühtlaselt.
Ruumi homogeensus seisneb selles, et samad füüsikalised nähtused esinevad samadel tingimustel samal viisil erinevad osad ruumi. Kõik ruumipunktid on seega täiesti eristamatud, võrdsete õigustega ja mis tahes neist võib võtta koordinaatsüsteemi alguspunktiks. Ruumi homogeensus avaldub impulsi jäävuse seaduses.
Kosmosel on ka isotroopsus: samad omadused igas suunas. Ruumi isotroopsus avaldub nurkimpulsi jäävuse seaduses.
Aja homogeensus seisneb selles, et kõik ajahetked on ühtlasi võrdsed, samaväärsed ehk identsete nähtuste kulg samades tingimustes on sama, sõltumata nende teostamise ja vaatlemise ajast.
Aja homogeensus avaldub energia jäävuse seaduses.
Ilma nende homogeensuse omadusteta oleks Minskis kehtestatud füüsikaseadus Moskvas ebaõiglane ja täna samas kohas avastatud seadus võib homme olla ebaõiglane.
Klassikalises mehaanikas tunnustatakse Galileo-Newtoni inertsiseaduse kehtivust, mille kohaselt keha, mis ei allu teiste kehade tegevusele, liigub sirgjooneliselt ja ühtlaselt. See seadus kinnitab inertsiaalsete tugiraamistike olemasolu, milles Newtoni seadused (nagu ka Galilei relatiivsuspõhimõte) kehtivad. Galilei relatiivsusteooria põhimõte ütleb, et kõik inertsiaalsed tugisüsteemid on üksteisega mehaaniliselt samaväärsed, on kõik mehaanika seadused neis võrdlusraamistikes ühesugused ehk teisisõnu invariantsed Galilei teisenduste suhtes, mis väljendavad mis tahes sündmuse aegruumi seost erinevates inertsiaalsetes tugisüsteemides. Galilei teisendused näitavad, et mis tahes sündmuse koordinaadid on suhtelised, see tähendab, et neil on erinevad väärtused erinevad süsteemid viide; sündmuse toimumise ajahetked on erinevates süsteemides samad. Viimane tähendab, et aeg voolab erinevates tugiraamistikes ühtemoodi. See asjaolu tundus nii ilmselge, et seda ei mainitud isegi kui erilist postulaadi.
Klassikalises mehaanikas järgitakse kaugtoime põhimõtet: kehade vastastikmõjud levivad koheselt ehk lõpmatult suure kiirusega.
Sõltuvalt kehade liikumiskiirusest ja kehade endi suurusest jaotatakse mehaanika klassikaliseks, relativistlikuks ja kvantiks.
Nagu juba mainitud, seadused klassikaline mehaanika on rakendatavad ainult makrokehade liikumisel, mille mass on palju suurem kui aatomi mass, madalatel kiirustel võrreldes valguse kiirusega vaakumis.
Relativistlik mehaanika vaatleb makrokehade liikumist valguse kiirusele lähedase kiirusega vaakumis.
Kvantmehaanika- vaakumis valguse kiirusest palju väiksema kiirusega liikuvate mikroosakeste mehaanika.
Relativistlik kvant mehaanika - vaakumis valguse kiirusele läheneva kiirusega liikuvate mikroosakeste mehaanika.
Et teha kindlaks, kas osake kuulub makroskoopiliste hulka ja kas selle suhtes on rakendatavad klassikalised valemid, tuleb kasutada Heisenbergi määramatuse printsiip. Kvantmehaanika järgi saab reaalseid osakesi teatud täpsusega iseloomustada vaid asukoha ja impulsi järgi. Selle täpsuse piir on määratletud järgmiselt
kus
ΔX - koordinaatide määramatus;
ΔP x - projektsiooni määramatus impulsi teljel;
h - Plancki konstant, võrdne 1,05·10 -34 J·s;
"≥" – rohkem kui väärtus, suurusjärgus ...
Asendades impulsi massi ja kiiruse korrutisega, saame kirjutada
Valemist on näha, et mida väiksem on osakese mass, seda ebakindlamaks muutuvad selle koordinaadid ja kiirus. Makroskoopiliste kehade jaoks praktiline rakendatavus klassikaline viis liikumise kirjelduses pole kahtlust. Oletame näiteks, et me räägime 1 g massiga kuuli liikumise kohta.Tavaliselt saab palli asendit praktiliselt määrata kümnendiku või sajandikmillimeetri täpsusega. Igatahes vaevalt on mõtet rääkida veast kuuli asukoha määramisel, mis on väiksem kui aatomi mõõtmed. Olgu seega ΔX=10 -10 m. Siis leiame määramatuse seosest
Väärtuste ΔX ja ΔV x samaaegne väiksus on tõend klassikalise makrokehade liikumise kirjeldamise meetodi praktilisest kasutatavusest.
Vaatleme elektroni liikumist vesinikuaatomis. Elektroni mass on 9,1 10 -31 kg. Elektroni asukoha viga ΔX ei tohiks mingil juhul ületada aatomi mõõtmeid, see tähendab ΔX<10 -10 м. Но тогда из соотношения неопределенностей получаем
See väärtus on isegi suurem kui elektroni kiirus aatomis, mis on suurusjärgus 10 6 m/s. Selles olukorras kaotab klassikaline liikumispilt igasuguse tähenduse.
Mehaanika jaguneb kinemaatika, staatika ja dünaamika. Kinemaatika kirjeldab kehade liikumist, tundmata huvi selle liikumise põhjustanud põhjuste vastu; staatika arvestab kehade tasakaalu tingimustega; dünaamika uurib kehade liikumist seoses nende põhjustega (kehadevahelised vastasmõjud), mis määravad ühe või teise liikumise iseloomu.
Kehade tegelikud liikumised on nii keerulised, et neid uurides tuleb abstraheerida detailidest, mis vaadeldava liikumise jaoks ei ole hädavajalikud (muidu läheks probleem nii keeruliseks, et seda oleks praktiliselt võimatu lahendada). Selleks kasutatakse mõisteid (abstraktsioonid, idealisatsioonid), mille rakendatavus sõltub meid huvitava probleemi spetsiifikast, aga ka sellest, millise täpsusega soovime tulemust saada. Nende mõistete hulgas on kõige olulisemad mõisted materiaalne punkt, materiaalsete punktide süsteem, absoluutselt jäik keha.
Materiaalne punkt on füüsikaline mõiste, mis kirjeldab keha translatsioonilist liikumist, kui ainult selle lineaarsed mõõtmed on kehakoordinaadi antud määramise täpsuses võrreldes teiste kehade lineaarmõõtmetega väikesed, lisaks omistatakse kehamassile. seda.
Looduses materiaalseid punkte ei eksisteeri. Ühte ja sama keha võib olenevalt tingimustest käsitleda kas materiaalse punktina või lõplike mõõtmetega kehana. Seega võib ümber Päikese liikuvat Maad pidada materiaalseks punktiks. Kuid uurides Maa pöörlemist ümber oma telje, ei saa seda enam pidada materiaalseks punktiks, kuna selle liikumise olemust mõjutavad oluliselt Maa kuju ja suurus ning teekond, mille läbib mis tahes punkti maakeral. pinda aja jooksul, mis on võrdne selle pöördeperioodiga ümber oma telje, võrdleme maakera lineaarmõõtmetega. Õhusõidukit võib käsitleda kui materiaalset punkti, kui uurida selle massikeskme liikumist. Aga kui on vaja arvestada keskkonna mõju või määrata jõude lennuki üksikutes osades, siis peame käsitlema lennukit kui absoluutselt jäika keha.
Absoluutselt jäik keha on keha, mille deformatsioonid võib antud probleemi tingimustes tähelepanuta jätta.
Materiaalsete punktide süsteem on vaadeldavate kehade kogum, mis on materiaalsed punktid.
Suvalise kehade süsteemi liikumise uurimine taandatakse vastastikku mõjutavate materiaalsete punktide süsteemi uurimisele. Seetõttu on loomulik alustada klassikalise mehaanika uurimist ühe materiaalse punkti mehaanikaga ja seejärel jätkata materiaalsete punktide süsteemi uurimisega.
Klassikalise mehaanika tekkimine oli algus füüsika muutumisele rangeks teaduseks, st teadmiste süsteemiks, mis kinnitab nii selle algsete põhimõtete kui ka lõppjärelduste tõesust, objektiivsust, kehtivust ja kontrollitavust. See tekkimine toimus XVI-XVII sajandil ja on seotud Galileo Galilei, Rene Descartes'i ja Isaac Newtoni nimedega. Just nemad viisid läbi looduse "matematiseerimise" ja panid aluse eksperimentaal-matemaatilisele looduskäsitusele. Nad esitlesid loodust kui "materiaalsete" punktide kogumit, millel on ruumigeomeetrilised (kuju), kvantitatiivsed-matemaatilised (arv, suurusjärk) ja mehaanilised (liikumine) omadused ning nendega seotud põhjus-tagajärg seosed, mida saab väljendada matemaatiliste võrranditega.
Füüsika rangeks teaduseks muutumise alguse pani G. Galileo. Galileo sõnastas rea mehaanika aluspõhimõtteid ja seadusi. Nimelt:
- inertsi põhimõte, mille kohaselt kui keha liigub piki horisontaaltasapinda, ilma et ta kohtaks liikumistakistust, on tema liikumine ühtlane ja jätkuks pidevalt, kui tasapind ulatuks ruumis lõputult;
- relatiivsuspõhimõte, mille järgi inertsiaalsüsteemides on kõik mehaanika seadused ühesugused ja sees olles ei ole võimalik kindlaks teha, kas see liigub sirgjooneliselt ja ühtlaselt või on puhkeasendis;
- kiiruse säilitamise põhimõte ning ruumiliste ja ajaliste intervallide säilitamine üleminekul ühest inertsiaalsüsteemist teise. See on kuulus Galilei transformatsioon.
Mehaanika sai Isaac Newtoni teostes tervikliku ülevaate loogilis-matemaatiliselt organiseeritud põhimõistete, põhimõtete ja seaduste süsteemist. Esiteks, töös "Loodusfilosoofia matemaatilised põhimõtted" Selles töös tutvustab Newton mõisteid: kaal või aine kogust, inerts või keha omadus seista vastu puhke- või liikumisseisundi muutumisele, kaal, kui massi mõõt, jõudu või kehaga tehtud toiming selle oleku muutmiseks.
Newton eristas absoluutset (tõelist, matemaatilist) ruumi ja aega, mis ei sõltu neis olevatest kehadest ja on alati iseendaga võrdsed, ning suhtelist ruumi ja aega - ruumi liikuvaid osi ja aja mõõdetavaid kestusi.
Newtoni kontseptsioonis on eriline koht doktriinil gravitatsiooni või gravitatsiooni, milles ta ühendab "taevase" ja maise keha liikumise. See õpetus sisaldab väiteid:
Keha gravitatsioon on võrdeline selles sisalduva aine või massi hulgaga;
Gravitatsioon on võrdeline massiga;
Gravitatsioon või gravitatsiooni ja on see jõud, mis mõjub Maa ja Kuu vahel pöördvõrdeliselt nendevahelise kauguse ruuduga;
See gravitatsioonijõud toimib kõigi materiaalsete kehade vahel vahemaa tagant.
Gravitatsioonijõu olemuse kohta ütles Newton: "Ma ei leiuta hüpoteese."
D. Alamberti, Lagrange'i, Laplace'i, Hamiltoni ... töödes välja töötatud Galileo-Newtoni mehaanika sai lõpuks harmoonilise vormi, mis määras tolleaegse maailma füüsilise pildi. See pilt põhines füüsilise keha eneseidentiteedi põhimõtetel; selle sõltumatus ruumist ja ajast; determinism ehk range ühemõtteline põhjus-tagajärg seos füüsiliste kehade konkreetsete seisundite vahel; kõigi füüsikaliste protsesside pöörduvus.
Termodünaamika.
19. sajandil S. Kalno, R. Mayeri, D. Joule'i, G. Hemholtzi, R. Clausiuse, W. Thomsoni (lord Kelvin) poolt läbiviidud uuringud soojuse tööks muundamise protsessist ja vastupidi. järeldused, mille kohta R. Mayer kirjutas: "Liikumine, soojus ..., elekter on nähtused, mida mõõdetakse üksteisega ja lähevad üksteisesse teatud seaduste järgi." Gemholtz üldistab Mayeri väite järelduseks: "Looduses eksisteerivate pinge- ja elusjõudude summa on konstantne." William Thomson täpsustas "intensiivsete ja elavate jõudude" mõisteid potentsiaalse ja kineetilise energia mõisteteks, defineerides energiat kui võimet teha tööd. R. Clausius võttis need ideed kokku sõnastuses: "Maailma energia on pidev." Seega füüsikute kogukonna ühiste jõupingutustega, mis on kõigi füüsiliste asjade jaoks fundamentaalne teadmised energia jäävuse ja muundamise seadusest.
Energia säilitamise ja muundamise protsesside uuringud viisid teise seaduse avastamiseni - entroopia suurendamise seadus. "Soojuse üleminek külmemalt kehalt soojemale, " kirjutas Clausius, "ei saa toimuda ilma kompensatsioonita." Clausiuse soojuse muundamisvõime mõõt, mida nimetatakse entroopia. Entroopia olemus väljendub selles, et igas isoleeritud süsteemis peavad protsessid kulgema selles suunas, et kõik energiatüübid muundaksid soojuseks, võrdsustades samal ajal süsteemis eksisteerivad temperatuuride erinevused. See tähendab, et reaalsed füüsikalised protsessid kulgevad pöördumatult. Põhimõtet, mis kinnitab entroopia tendentsi maksimumini, nimetatakse termodünaamika teiseks seaduseks. Esimene seadus on energia jäävuse ja muundamise seadus.
Entroopia suurendamise põhimõte tekitas füüsikalisele mõtlemisele mitmeid probleeme: füüsikaliste protsesside pöörduvuse ja pöördumatuse vaheline seos, energia jäävuse formaalsused, mis ei ole võimelised töötama kehade temperatuuri homogeensusega. Kõik see nõudis termodünaamika põhimõtete sügavamat põhjendamist. Esiteks soojuse olemus.
Sellise õigustuse katse tegi Ludwig Boltzmann, kes toetudes soojuse olemuse molekulaar-aatomilisele kontseptsioonile jõudis järeldusele, et statistiline termodünaamika teise seaduse olemus, kuna makroskoopilisi kehasid moodustavate molekulide tohutu arvu ning nende liikumise äärmise kiiruse ja juhuslikkuse tõttu jälgime ainult keskmised väärtused. Keskmiste väärtuste määramine on tõenäosusteooria probleem. Maksimaalse temperatuuritasakaalu korral on maksimaalne ka molekulide liikumise kaos, mille korral igasugune järjekord kaob. Tekib küsimus: kas ja kui jah, siis kuidas saab kaosest kord taas tekkida? Füüsika suudab sellele vastata alles saja aasta pärast, võttes kasutusele sümmeetria- ja sünergiaprintsiibi.
Elektrodünaamika.
19. sajandi keskpaigaks oli elektri- ja magnetnähtuste füüsika jõudnud teatud lõpuni. Avastati mitmed olulisemad Coulombi seadused, Ampère’i seadus, elektromagnetilise induktsiooni seadus, alalisvoolu seadused jne. Kõik need seadused põhinesid pikamaa põhimõte. Erandiks olid Faraday seisukohad, kes uskusid, et elektriline toime edastatakse pideva kandja kaudu, see tähendab lühikese ulatuse põhimõte. Faraday ideedele tuginedes tutvustab kontseptsiooni inglise füüsik J. Maxwell elektromagnetväli ja kirjeldab tema poolt oma võrrandites "avastatud" aine olekut. "... Elektromagnetväli, - kirjutab Maxwell, - on see osa ruumist, mis sisaldab ja ümbritseb kehasid, mis on elektrilises või magnetilises olekus." Kombineerides elektromagnetvälja võrrandeid, saab Maxwell lainevõrrandi, mis viitab elektromagnetlained, mille levimiskiirus õhus on võrdne valguse kiirusega. Selliste elektromagnetlainete olemasolu kinnitas eksperimentaalselt Saksa füüsik Heinrich Hertz 1888. aastal.
Elektromagnetlainete ja aine vastasmõju selgitamiseks esitas saksa füüsik Hendrik Anton Lorenz hüpoteesi nende olemasolu kohta. elektron st väike elektriliselt laetud osake, mida leidub tohututes kogustes kõigis kaalukates kehades. See hüpotees selgitas spektrijoonte lõhenemist magnetväljas, mille avastas 1896. aastal saksa füüsik Zeeman. 1897. aastal kinnitas Thomson eksperimentaalselt väikseima negatiivselt laetud osakese ehk elektroni olemasolu.
Nii tekkis klassikalise füüsika raames maailmast üsna harmooniline ja terviklik pilt, mis kirjeldab ja seletab liikumist, gravitatsiooni, soojust, elektrit ja magnetismi ning valgust. See andis lord Kelvinile (Thomson) põhjuse väita, et füüsikahoone on praktiliselt ehitatud, puudu on vaid mõned detailid...
Esiteks selgus, et Maxwelli võrrandid on Galilei teisenduste korral muutumatud. Teiseks pole eksperimentaalset kinnitust leidnud eetri kui absoluutse koordinaatsüsteemi teooria, millele Maxwelli võrrandid on "kinnitatud". Michelson-Morley eksperiment näitas, et liikuvas koordinaatsüsteemis valguse kiirus ei sõltu suunast. Ei. Maxwelli võrrandite säilimise pooldaja Hendrik Lorentz, olles "kinnitanud" need võrrandid eetri kui absoluutse tugiraamistiku külge, ohverdas Galilei relatiivsusprintsiibi, selle teisendused ja sõnastas oma teisendused. G. Lorentzi teisendustest tulenes, et ruumilised ja ajalised intervallid on üleminekul ühelt inertsiaalselt tugiraamistikult teisele muutumatud. Kõik oleks hästi, kuid absoluutse meediumi - eetri - olemasolu ei leidnud, nagu märgitud, eksperimentaalselt kinnitatud. See on kriis.
mitteklassikaline füüsika. Erirelatiivsusteooria.
Kirjeldades erirelatiivsusteooria loomise loogikat, kirjutab Albert Einstein ühises raamatus L. Infeldiga: „Nüüd paneme kokku need faktid, mis on kogemusega piisavalt kontrollitud, muretsemata enam eetri probleemi pärast:
1. Valguse kiirus tühjas ruumis on alati konstantne, olenemata valgusallika või vastuvõtja liikumisest.
2. Kahes üksteise suhtes sirgjooneliselt ja ühtlaselt liikuvas koordinaatsüsteemis on kõik loodusseadused rangelt ühesugused ning absoluutse sirgjoonelise ja ühtlase liikumise tuvastamiseks pole vahendeid ...
Esimene positsioon väljendab valguse kiiruse püsivust, teine üldistab Galilei relatiivsusprintsiipi, mis on sõnastatud mehaaniliste nähtuste jaoks, kõigele, mis toimub looduses. "Einstein märgib, et nende kahe printsiibi aktsepteerimine ja selle põhimõtte tagasilükkamine. Galilei teisendus, kuna see on vastuolus valguse kiiruse püsivusega ja paneb alguse relatiivsusteooria eriteooriale. Aktsepteeritud kahele põhimõttele: valguse kiiruse püsivus ja kõigi inertsiaalsete tugiraamistike samaväärsus, lisab Einstein kõigi loodusseaduste muutumatuse printsiip H. Lorentzi teisenduste suhtes.Seetõttu kehtivad kõikides inertsiaalsetes raamides samad seadused ning ülemineku ühest süsteemist teise annavad Lorentzi teisendused, mis tähendab, et rütm liikuvast kellast ja liikuvate varraste pikkus sõltub kiirusest: varras kahaneb nullini, kui selle kiirus jõuab valguse kiiruseni ja liikuva kella rütm aeglustub, kell peatuks täielikult, kui see saaks liikuda koos sk valguse leek.
Nii jäeti füüsikast välja newtoni absoluutne aeg, ruum, liikumine, mis olid justkui sõltumatud liikuvatest kehadest ja nende olekust.
Üldrelatiivsusteooria.
Juba viidatud raamatus küsib Einstein: "Kas me saame füüsikaseadusi sõnastada nii, et need kehtiksid kõigi koordinaatsüsteemide jaoks, mitte ainult sirgjooneliselt ja ühtlaselt liikuvate süsteemide jaoks, vaid ka süsteemide jaoks, mis liiguvad üksteise suhtes täiesti meelevaldselt? ". Ja ta vastab: "See osutub võimalikuks."
Olles erirelatiivsusteoorias kaotanud oma "sõltumatuse" liikuvatest kehadest ja üksteisest, "leidsid" ruum ja aeg üksteist ühtses aegruumis neljamõõtmelises kontiinumis. Kontiinumi autor, matemaatik Hermann Minkowski avaldas 1908. aastal teose "Elektromagnetiliste protsesside teooria alused", milles ta väitis, et edaspidi tuleks ruum ise ja aeg ise taandada varjude rolliks ja ainult mingisuguseks. mõlema ühendamine peaks siiski säilitama sõltumatuse. A. Einsteini idee oli, et esindavad kõiki füüsikaseadusi omadustena see kontiinum nagu ta on meetriline. Sellest uuest positsioonist lähtudes käsitles Einstein Newtoni gravitatsiooniseadust. Selle asemel gravitatsioonijõud ta hakkas tegutsema gravitatsiooniväli. Gravitatsiooniväljad kaasati aegruumi kontiinumisse selle "kõverusena". Kontiinummeetriast sai mitteeukleidiline, "Riemanni" mõõdik. Kontiinumi "kõverust" hakati pidama selles liikuvate masside jaotumise tulemuseks. Uus teooria selgitas Merkuuri pöörlemise trajektoori ümber Päikese, mis ei ole kooskõlas Newtoni gravitatsiooniseadusega, samuti Päikese lähedalt mööduva tähevalguse kiire kõrvalekaldumist.
Seega jäeti füüsikast ja üldistuse väitest välja mõiste "inertsiaalne koordinaatsüsteem". relatiivsuspõhimõte: loodusnähtuste kirjeldamiseks sobib ühtviisi iga koordinaatsüsteem.
Kvantmehaanika.
Teine, Lord Kelvini (Thomsoni) sõnul oli 19.-20. sajandi vahetusel füüsika ehitamise lõpuleviimiseks puuduv element tõsine lahknevus teooria ja eksperimendi vahel täiesti musta värvi soojuskiirguse seaduste uurimisel. keha. Valitseva teooria kohaselt peab see olema pidev, pidev. See aga viis paradoksaalsete järeldusteni, nagu näiteks tõsiasi, et kogu energia, mida musta keha kiirgab antud temperatuuril, võrdub lõpmatusega (Rayleigh-Gene'i valem). Probleemi lahendamiseks esitas saksa füüsik Max Planck 1900. aastal hüpoteesi, et aine ei saa kiirgada ega neelata energiat, välja arvatud piiratud osades (kvantides), mis on proportsionaalsed emiteeritud (või neelduva) sagedusega. Ühe osa (kvanti) energia E=hn, kus n on kiirgussagedus ja h on universaalne konstant. Plancki hüpoteesi kasutas Einstein fotoelektrilise efekti selgitamiseks. Einstein tutvustas valguskvanti ehk footoni mõistet. Ta soovitas seda ka valgus Plancki valemi järgi omab nii laine- kui ka kvantomadusi. Füüsikute kogukonnas hakati rääkima laine-osakeste duaalsusest, seda enam, et 1923. aastal avastati veel üks footonite olemasolu kinnitav nähtus – Comptoni efekt.
Aastal 1924 laiendas Louis de Broglie valguse kahekordse korpuskulaarlaine olemuse ideed kõigile aineosakestele, võttes kasutusele kontseptsiooni aine lained. Seega võib rääkida ka elektroni lainelistest omadustest, näiteks elektroni difraktsioonist, mis on eksperimentaalselt kindlaks tehtud. R. Feynmani katsed kahe auguga kilpi "pommitavate" elektronidega näitasid aga, et ühelt poolt on võimatu öelda, millisest august elektron lendab, see tähendab täpselt määrata oma koordinaati, ja teiselt poolt. , et mitte moonutada registreeritud elektronide jaotusmustrit, rikkumata seejuures häirete olemust. See tähendab, et saame teada kas elektroni asukoha või impulsi, kuid mitte mõlemat.
See katse seadis kahtluse alla osakese kontseptsiooni klassikalises mõttes täpse lokaliseerimise kohta ruumis ja ajas.
Esimesena andis mikroosakeste "mitteklassikalise" käitumise selgituse saksa füüsik Werner Heisenberg. Viimane sõnastas mikroosakese liikumisseaduse, mille kohaselt osakese täpse koordinaadi teadmine viib selle impulsi täieliku määramatuseni ja vastupidi, osakese impulsi täpne teadmine viib selle impulsi täieliku määramatuseni. koordinaadid. W. Heisenberg määras kindlaks määramatuste suhte mikroosakese koordinaadi ja impulsi väärtustes:
Dx * DP x ³ h, kus Dx on koordinaadi väärtuse määramatus; DP x - impulsi väärtuse määramatus; h on Plancki konstant. Seda seadust ja määramatuse seost nimetatakse määramatuse põhimõte Heisenberg.
Taani füüsik Niels Bohr näitas määramatuse printsiipi analüüsides, et olenevalt katse seadistusest paljastab mikroosake kas oma korpuskulaarse või lainelise olemuse. aga mitte mõlemat korraga. Järelikult välistavad need kaks mikroosakeste olemust vastastikku üksteist ja samal ajal tuleks neid pidada üksteist täiendavateks ning nende kirjeldus põhineb kahel katseolukordade klassil (korpuskulaarne ja laineline) - mikroosakese terviklikul kirjeldusel. Pole olemas osakest "iseeneses", vaid süsteemne "osake - seade". Neid N. Bora järeldusi nimetati täiendavuse põhimõte.
Selle lähenemisviisi raames ei osutu ebakindlus ja täiendavus mitte meie teadmatuse mõõdupuuks, vaid mikroosakeste objektiivsed omadused, mikrokosmost tervikuna. Sellest järeldub, et statistilised tõenäosusseadused asuvad füüsilise reaalsuse sügavustes ja ühemõttelise põhjusliku sõltuvuse dünaamilised seadused on vaid mõned statistiliste seaduspärasuste väljendamise erilised ja idealiseeritud juhtumid.
Relativistlik kvantmehaanika.
1927. aastal juhtis inglise füüsik Paul Dirac tähelepanu asjaolule, et selleks ajaks avastatud mikroosakeste liikumise kirjeldamiseks: elektron, prooton ja footon, kuna need liiguvad valguse kiirusele lähedase kiirusega, on vaja rakendada erirelatiivsusteooriat. . Dirac koostas võrrandi, mis kirjeldas elektroni liikumist, võttes arvesse nii kvantmehaanika kui ka Einsteini relatiivsusteooria seaduspärasusi. See võrrand rahuldati kahe lahendusega: üks lahendus andis teadaoleva positiivse energiaga elektroni, teine - tundmatu kaksikelektroni, kuid negatiivse energiaga. Nii tekkis osakeste ja nende suhtes sümmeetriliste antiosakeste mõiste. Sellest tekkiski küsimus: kas vaakum on tühi? Pärast Einsteini eetri "väljaheitmist" tundus see kahtlemata tühi.
Kaasaegsed, end tõestanud ideed ütlevad, et vaakum on "tühi" ainult keskmiselt. Selles sünnib ja kaob pidevalt tohutul hulgal virtuaalseid osakesi ja antiosakesi. See ei ole vastuolus määramatuse põhimõttega, millel on ka väljend DE * Dt ³ h. Vaakum on kvantväljateoorias määratletud kui kvantvälja madalaima energiaga olek, mille energia on null ainult keskmiselt. Nii et vaakum on "midagi", mida nimetatakse "mitte millekski".
Teel ühtse väljateooria ülesehitamise poole.
1918. aastal tõestas Emmy Noether, et kui süsteem on mingi globaalse teisenduse korral muutumatu, siis on sellel teatud kaitseväärtus. Sellest järeldub, et (energia) jäävuse seadus on tagajärg sümmeetriad eksisteerivad reaalses aegruumis.
Sümmeetria kui filosoofiline mõiste tähendab maailmanähtuste erinevate ja vastandlike olekute vahel eksisteerimise ja identsete momentide kujunemise protsessi. See tähendab, et mis tahes süsteemide sümmeetria uurimisel on vaja arvestada nende käitumist erinevate teisenduste korral ja tuua kogu teisenduste komplektist välja need, mis lahkuvad. muutumatu, muutumatu mõned vaadeldavatele süsteemidele vastavad funktsioonid.
Kaasaegses füüsikas kasutatakse seda mõistet mõõdiku sümmeetria. Raudteelased mõistavad üleminekut kitsarööpmelt laiale kalibreerimise teel. Füüsikas mõisteti kalibreerimist algselt ka taseme või skaala muutusena. Erirelatiivsusteoorias ei muutu füüsikaseadused kauguse kalibreerimisel translatsiooni ega nihke suhtes. Mõõtmete sümmeetrias põhjustab invariantsi nõue teatud spetsiifilist vastastikmõju. Seetõttu võimaldab gabariidi invariantsus vastata küsimusele: "Miks ja miks sellised vastasmõjud looduses eksisteerivad?". Praegu määratakse füüsikas nelja tüüpi füüsikaliste vastasmõjude olemasolu: gravitatsiooniline, tugev, elektromagnetiline ja nõrk. Kõik need on gabariidi iseloomuga ja neid kirjeldavad gabariidi sümmeetriad, mis on Lie rühmade erinevad esitused. See viitab primaarse olemasolule supersümmeetriline väli, mis ei erista veel interaktsioonitüüpe. Erinevused, interaktsiooni tüübid on algse vaakumi sümmeetria spontaanse, spontaanse rikkumise tulemus. Universumi areng ilmneb siis kui sünergiline iseorganiseeruv protsess: vaakumi supersümmeetrilisest olekust paisumise käigus soojenes Universum "suure pauguni". Selle ajaloo edasine kulg kulges läbi kriitiliste punktide - bifurkatsioonipunktide, kus tekkisid spontaansed esialgse vaakumi sümmeetria rikkumised. avaldus iseorganiseerumissüsteemid läbi algse sümmeetriatüübi spontaanne katkemine bifurkatsioonipunktides ja süüa sünergia põhimõte.
Iseorganiseerumise suuna valik bifurkatsioonipunktides, st esialgse sümmeetria spontaanse rikkumise kohtades, ei ole juhuslik. Seda defineerib justkui juba vaakumi supersümmeetria tasemel inimese "projekt", see tähendab olendi "projekt", mis küsib, miks maailm selline on. See on antroopiline põhimõte, mille sõnastas füüsikas 1962. aastal D. Dicke.
Relatiivsusteooria, määramatuse, komplementaarsuse, sümmeetria, sünergia, antroopse printsiibi printsiibid, aga ka tõenäosuslike põhjussõltuvuste sügava põhiolemuse kinnitamine seoses dünaamiliste, ühemõtteliste põhjuslike sõltuvustega, moodustavad tänapäevase kategoorilis-kontseptuaalse struktuuri. gestalt, füüsilise reaalsuse kujutlus.
Kirjandus
1. Akhiezer A.I., Rekalo M.P. Moodne füüsiline maailmapilt. M., 1980.
2. Bohr N. Aatomifüüsika ja inimteadmised. M., 1961.
3. Bor N. Põhjuslikkus ja komplementaarsus// Bor N. Valitud teaduslikke töid 2 kd V.2. M., 1971.
4. Sündis M. Füüsika minu põlvkonna elus, M., 1061.
5. Broglie L. De. Revolutsioon füüsikas. M., 1963
6. Heisenberg V. Füüsika ja filosoofia. Osa ja tervik. M. 1989.
8. Einstein A., Infeld L. Füüsika areng. M., 1965.
See on füüsika haru, mis uurib liikumist Newtoni seaduste alusel. Klassikaline mehaanika jaguneb järgmisteks osadeks:
Klassikalise mehaanika põhimõisted on jõu, massi ja liikumise mõiste. Massi defineeritakse klassikalises mehaanikas kui inertsi mõõtu ehk keha võimet säilitada puhkeseisundit või ühtlast sirgjoonelist liikumist, kui sellele mõjuvad jõud puuduvad. Teisest küljest muudavad kehale mõjuvad jõud selle liikumise olekut, põhjustades kiirenduse. Nende kahe efekti koostoime on Newtoni mehaanika põhiteema.
Teised selle füüsikaosa olulised mõisted on energia, impulss, nurkimment, mida saab vastastikmõju käigus objektide vahel üle kanda. Mehaanilise süsteemi energia koosneb selle kineetilisest (liikumisenergia) ja potentsiaalsest (olenevalt keha asendist teiste kehade suhtes) energiatest. Nende füüsikaliste suuruste suhtes kehtivad põhilised looduskaitseseadused.
Klassikalise mehaanika aluse panid Galilei, aga ka Kopernik ja Kepler taevakehade liikumisseaduste uurimisel ning pikka aega käsitleti mehaanikat ja füüsikat astronoomiliste sündmuste kontekstis.
Kopernik märkis oma töödes, et taevakehade liikumisseaduste arvutamist saab oluliselt lihtsustada, kui kaldume kõrvale Aristotelese sätestatud põhimõtetest ja võtame selliste arvutuste lähtepunktiks Päikese, mitte Maa, s.t. teha üleminek geotsentrilistest süsteemidest heliotsentrilistele süsteemidele.
Heliotsentrilise süsteemi ideed vormistas edasi Kepler oma kolmes taevakehade liikumisseaduses. Eelkõige tulenes teisest seadusest, et kõik Päikesesüsteemi planeedid liiguvad elliptilistel orbiitidel, mille üheks fookuseks on Päike.
Järgmise olulise panuse klassikalise mehaanika rajamisse andis Galileo, kes, uurides kehade mehaanilise liikumise põhiseadusi, eriti gravitatsioonijõudude mõjul, sõnastas viis universaalset liikumisseadust.
Kuid siiski kuuluvad klassikalise mehaanika peamise rajaja loorberid Isaac Newtonile, kes oma töös “Loodusfilosoofia matemaatilised põhimõtted” sünteesis mehaanilise liikumise füüsikas need mõisted, mille sõnastasid tema eelkäijad. Newton sõnastas kolm fundamentaalset liikumisseadust, mis said tema järgi nime, ning universaalse gravitatsiooniseaduse, mis tõmbas Galilei vabalt langevate kehade fenomeni uurimisele joone alla. Nii loodi vananenud aristotelese asemel uus pilt selle põhiseaduste maailmast.
Klassikaline mehaanika annab täpseid tulemusi igapäevaelus kohatavate süsteemide jaoks. Kuid need muutuvad ebaõigeks süsteemide puhul, mille kiirus läheneb valguse kiirusele, kus see asendatakse relativistliku mehaanikaga, või väga väikeste süsteemide puhul, kus kehtivad kvantmehaanika seadused. Süsteemide puhul, mis ühendavad mõlema omadusega klassikalise mehaanika asemel kvantväljateooria. Väga suure komponentide arvu ehk vabadusastmega süsteemide puhul võib piisav olla ka klassikaline mehaanika, kuid kasutatakse statistilise mehaanika meetodeid.
Klassikaline mehaanika jäetakse alles, sest esiteks on seda palju lihtsam rakendada kui teisi teooriaid ja teiseks on sellel suurepärased võimalused lähendamiseks ja rakendamiseks väga laia klassi füüsikaliste objektide jaoks, alustades tavalistest, näiteks vurr. või pall. , paljud astronoomilised objektid (planeedid, galaktikad) ja väga mikroskoopilised).
Kuigi klassikaline mehaanika ühildub üldiselt teiste "klassikaliste teooriatega", nagu klassikaline elektrodünaamika ja termodünaamika, on nende teooriate vahel mõningaid vastuolusid, mis leiti 19. sajandi lõpus. Neid saab lahendada kaasaegsemate füüsika meetoditega. Eelkõige ennustab klassikaline elektrodünaamika, et valguse kiirus on konstantne, mis ei ühildu klassikalise mehaanikaga ja viis erirelatiivsusteooria loomiseni. Klassikalise mehaanika põhimõtteid vaadeldakse koos klassikalise termodünaamika väidetega, mis viib Gibbsi paradoksini, mille kohaselt on võimatu täpselt määrata entroopia suurust ja ultraviolettkatastroofi, mille puhul must keha peab kiirgama lõpmatut. energia hulk. Nende ebakõlade ületamiseks loodi kvantmehaanika.
Objekte, mida mehaanika uurib, nimetatakse mehaanilisteks süsteemideks. Mehaanika ülesanne on uurida mehaaniliste süsteemide omadusi, eelkõige nende arengut ajas.
Klassikalise mehaanika põhiline matemaatiline aparaat on diferentsiaal- ja integraalarvutus, mille on spetsiaalselt selle jaoks välja töötanud Newton ja Leibniz. Klassikalises sõnastuses põhineb mehaanika Newtoni kolmel seadusel.
Järgnevalt on välja toodud klassikalise mehaanika põhimõisted. Lihtsuse huvides võtame arvesse ainult objekti materiaalset punkti, mille mõõtmed võib tähelepanuta jätta. Materiaalse punkti liikumist iseloomustavad mitmed parameetrid: selle asukoht, mass ja sellele mõjuvad jõud.
Tegelikkuses on iga objekti mõõtmed, millega klassikaline mehaanika tegeleb, nullist erinevad. Materiaalsed punktid, nagu elektron, järgivad kvantmehaanika seadusi. Nullist erineva suurusega objektid võivad kogeda keerukamaid liikumisi, kuna nende sisemine olek võib muutuda, näiteks võib pall ka pöörata. Kuid selliste kehade puhul saadakse tulemused materiaalsete punktide kohta, pidades neid suure hulga interakteeruvate materiaalsete punktide koondnäitajateks. Sellised keerulised kehad käituvad nagu materiaalsed punktid, kui need on vaadeldava probleemi mastaabis väikesed.
Raadiusvektor ja selle tuletised
Materiaalse punktobjekti asukoht määratakse kindlaks ruumi fikseeritud punkti suhtes, mida nimetatakse alguspunktiks. Seda saab anda selle punkti koordinaatidega (näiteks ristkülikukujulises koordinaatsüsteemis) või raadiusvektoriga r, tõmmatud päritolust selle punktini. Tegelikkuses võib materiaalne punkt ajas liikuda, seega on raadiuse vektor üldiselt aja funktsioon. Klassikalises mehaanikas arvatakse erinevalt relativistlikust, et aja kulg on kõigis võrdlusraamides ühesugune.
Trajektoor
Trajektoor on üldjuhul liikuva materiaalse punkti kõikide asendite kogum, see on kõverjoon, mille kuju sõltub punkti liikumise iseloomust ja valitud tugiraamist.
liigub
Nihe on vektor, mis ühendab materiaalse punkti alg- ja lõppasendi.
Kiirus
Kiirus või liikumise ja aja suhe, mille jooksul see toimub, defineeritakse liikumise ja aja esimese tuletisena:
Klassikalises mehaanikas saab kiirusi liita ja lahutada. Näiteks kui üks auto sõidab läände kiirusega 60 km/h ja jõuab järele teisele, mis liigub samas suunas kiirusega 50 km/h, siis teise auto suhtes on esimene. liigub läände kiirusega 60-50 = 10 km/h Kuid edaspidi kiired autod, mis liiguvad aeglaselt kiirusega 10 km/h itta.
Suhtelise kiiruse määramiseks igal juhul rakendatakse vektoralgebra reegleid kiirusvektorite koostamiseks.
Kiirendus
Kiirendus ehk kiiruse muutumise kiirus on kiiruse tuletis aja suhtes või nihke teine tuletis aja suhtes:
Kiirendusvektor võib muutuda nii suuruses kui ka suunas. Eelkõige, kui kiirus väheneb, on mõnikord kiirendus aeglustus, kuid üldiselt on kõik kiiruse muutused.
Jõud. Newtoni teine seadus
Newtoni teine seadus ütleb, et materiaalse punkti kiirendus on otseselt võrdeline sellele mõjuva jõuga ja kiirendusvektor on suunatud piki selle jõu mõjujoont. Teisisõnu, see seadus seob kehale mõjuva jõu selle massi ja kiirendusega. Siis näeb Newtoni teine seadus välja selline:
Väärtus m v nimetatakse hoogu. Tavaliselt mass m ei muutu ajas ja Newtoni seaduse saab kirjutada lihtsustatud kujul
Kus a kiirendus, nagu eespool määratletud. Kehamass m Mitte alati aja jooksul. Näiteks raketi mass väheneb, kui kütus kulub ära. Sellistel asjaoludel viimane väljend ei kehti ja kasutada tuleks Newtoni teise seaduse täiskuju.
Osakese liikumise kirjeldamiseks Newtoni teisest seadusest ei piisa. See nõuab sellele mõjuva jõu määratlust. Näiteks hõõrdejõu tüüpiline avaldis, kui keha liigub gaasis või vedelikus, on määratletud järgmiselt:
Kuhu? mingi konstant, mida nimetatakse hõõrdeteguriks.
Pärast kõigi jõudude määramist saame Newtoni teise seaduse alusel diferentsiaalvõrrandi, mida nimetatakse liikumisvõrrandiks. Meie näites, kus osakesele mõjub ainult üks jõud, saame:
.
Pärast integreerimist saame:
Kus on stardikiirus. See tähendab, et meie objekti kiirus väheneb eksponentsiaalselt nullini. Seda avaldist saab omakorda uuesti integreerida, et saada keha raadiusvektori r avaldis aja funktsioonina.
Kui osakesele mõjub mitu jõudu, siis need liidetakse vektori liitmise reeglite järgi.
Energia
Kui jõudu F mõjub osakesele, mis selle tulemusena liigub? r, siis tehtud töö on võrdne:
Kui osakese mass on muutunud, siis igatsus kõigi jõudude poolt tehtud töö järele, lähtudes Newtoni teisest seadusest
,
Kus T kineetiline energia. Materjali jaoks on punkt määratletud kui
Paljudest osakestest koosnevate keerukate objektide puhul on keha kineetiline energia võrdne kõigi osakeste kineetiliste energiate summaga.
Konservatiivsete jõudude erilist klassi saab väljendada skalaarfunktsiooni gradiendiga, mida nimetatakse potentsiaalseks energiaks V:
Kui kõik osakesele mõjuvad jõud on konservatiivsed ja V summaarne potentsiaalne energia, mis saadakse kõigi jõudude potentsiaalsete energiate liitmisel, siis
Need. koguenergia E=T+V säilib ajas. See on ühe põhilise looduskaitseseaduse ilming. Klassikalises mehaanikas võib see praktikas kasulik olla, sest paljud looduses esinevad jõud on konservatiivsed.
Newtoni seadustel on tahkete ainete jaoks mitu olulist mõju (vt nurkimpulss)
Samuti on olemas kaks olulist alternatiivset klassikalise mehaanika formuleeringut: Lagrange'i mehaanika ja Hamiltoni mehaanika. Need on samaväärsed Newtoni mehaanikaga, kuid on mõnikord kasulikud teatud probleemide analüüsimisel. Nad, nagu ka teised kaasaegsed formulatsioonid, ei kasuta jõu mõistet, vaid viitavad teistele füüsikalistele suurustele, näiteks energiale.
