Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Становление классической механики
Становление механики как науки связано с именем Г. Галилея. «Самая фундаментальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет неразрешенной из-за своей сложности – это проблема движения», – подчеркивают А. Эйнштейн и А. Инфельд. До Галилея в науке господствующей была аристотелевская концепция движения, согласно которой всякое движение тела (кроме так называемых естественных движений) происходит только при наличии внешнего непрекращающегося воздействия, прекращение воздействия приводит к немедленному прекращению движения. Г. Галилей выступил против этой концепции. Он сформулировал совершенно иной принцип, вошедший в механику как принцип инерции Галилея: Тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не изменяет этого состояния. По Эйнштейну, «открытие, сделанное Галилеем, и применение им методов научного рассуждения были одним из самых важных достижений в истории человеческой мысли, и оно отмечает действительное начало физики. Это открытие учит нас тому, что интуитивным выводам, базирующимся на непосредственном наблюдении, не всегда можно доверять, так как они иногда ведут по ложному следу». Используя понятие инерции, Галилей объяснил, почему Земля при движении по орбите вокруг Солнца (а также вращении вокруг своей оси) сохраняет как атмосферу, так и все то, что находится на земной поверхности. Мы не замечаем движения Земли, поскольку все явления на Земле происходят точно так же, как если бы она была неподвижной. В этом заключается суть открытого Галилеем принципа относительности для механических явлений. Исследуя свободное падение тел, он установил независимость скорости свободного падения от их массы (по Аристотелю тяжелые тела падают с большей скоростью), а пройденный телом путь пропорционален квадрату времени падения. Галилей установил, что траекторией движения тела, брошенного под углом к горизонту, является парабола и все тела падают вблизи Земли с одинаковым ускорением . Вышеприведенные открытия, составляющие далеко не полный перечень из его научного наследия, сыграли огромную роль в становлении классической механики в современном ее понимании. До Галилея физика и математика существовали порознь. Физики были заняты умозрительным объяснением различных явлений, тогда как математики имели дело с искусственными моделями, которые придумывались только для описания наблюдаемых явлений (для «спасения явлений») и не претендовали на раскрытие их причин. Галилей «снимает различие между физикой как наукой, объясняющей причины движения, и математикой как наукой, позволяющей описать это движение, т.е. сформулировать его закон. У Галилея уже нет «зазора» между физическим опытом и математической теорией: математическая конструкция у Галилея не просто «спасает явления», но выражает саму их сущность. Как один из основателей классической механики Галилей сделал два принципиально важных шага: обратился к физическому эксперименту и соединил физику с математикой. Становление подлинно научного естествознания зависело от развития обоих указанных направлений.
Математическое направление получило дальнейшее развитие в трудах Р. Декарта (1596–1650). Он заложил основы аналитической геометрии, применил ее аппарат к описанию перемещения тел. Декарт разработал прямоугольную систему координат (х, у, z), ввел понятие переменной величины и функции, что позволило сформулировать законы движения тел с помощью математических формул и уравнений. В 1644 г. Р. Декарт опубликовал свой труд «Начала философии», в которой он сделал попытку построить физическую картину мира на основе трех сформулированных им законов природы. Первые два выражают принцип инерции. В третьем законе просматривается не вполне удачно сформулированный закон сохранения количества движения (): Движущееся тело при столкновении с другим телом теряет в своем движении столько, сколько сообщает второму телу. В этой формулировке не учитывается векторный характер скорости, на что обратил внимание
Научная программа Ньютона
Решающий вклад в создание классической механики внес один из самых величайших ученых в истории человечества, И. Ньютон (1643–1727). С его именем историки науки связывают завершение второй научной революции, приведшей к созданию механической картины мира. В 1687 году опубликован фундаментальный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», в котором он сформулировал три основных закона движения, которые легли в основу классической механики. Первый закон Ньютона: Тело находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не выведет его из этого состояния (принцип инерции Галилея). Второй закон Ньютона: Скорость изменения импульса тела () равна действующей на него силе , т.е. , или , или ,
где , , , являются обозначениями соответственно массы, вектора скорости, вектора ускорения и времени. Третий закон Ньютона: Два тела взаимодействуют друг с другом с силами, равны-ми по величине и противоположными по направлению: . Заслугой Ньютона является то, что он ввел в науку понятия массы и силы, указал способы их измерения. Под массой Ньютон понимал «количество материи», заключенное в теле. В современном понимании масса – это мера инертности тела. Под инертностью понимается способность тела сохранять свое состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения. Ньютон ввел и другое фундаментальное понятие механики –количество движения, определив его как меру движения, равную произведению массы и скорости (). Следует отметить, что понятие «количество движения» было цент-ральным и в динамике Р. Декарта. Однако он не понял векторного характера этой величины, и, применив ее к теории удара, великий геометр допустил грубые ошибки. Ньютон знал векторный характер скорости, а следовательно, и количества движения. По мере дальнейшего развития физической науки, а особенно в ходе широкой научной дискуссии, какой величиной следует измерять движение ( или /2) было выявлено, что название «количество движения» является не вполне удачным и было заменено термином «импульс». И, наконец, Ньютон вводит в науку центральное понятие динамики – силы. Вот как звучит ньютоновское определение силы: «Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения». Ньютоном значительно расширено понятие силы и, кроме известных из практики контактных сил (сил упругости, давления и др.), он вводит действующие на расстоянии силы, обусловленные некоторым силовым центром. Новизна ньютоновского определения силы заключается в том, что он рассматривает силу динамически, в то время как до Ньютона ее рассматривали статически. Таким образом, силу можно определить как количественную меру взаимодействия тел. С системой законов движения тесно связан открытый Ньютоном закон всемирного тяготения, который оказал огромное влияние на весь ход развития естествознания. Согласно этому закону две материальные точки с массами и взаимодействуют между собой с силой, прямо пропорциональной произведению этих масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:
, где – гравитационная постоянная, значение которой равно = 6,67 10 -11 Нм2/кг2. Этому закону подчиняются все тела – малые и большие, земные и небесные, заряженные и нейтральные, т.е. является универсальным законом природы. Каким же образом Ньютон пришел к закону всемирного тяготения? Первые высказывания о тяготении, как о всеобщем свойстве материальных тел, относятся к эпохе античности. В XVI–XVII вв. в Европе возродились попытки доказательства существования взаимного тяготения тел. Немецкий астроном Кеплер утверждал, что «тяжесть» есть взаимное стремление тел» и, размышляя над природой силы, заставляющей двигаться планеты вокруг Солнца, пришел к выводу, что они увлекаются Солнцем. Солнце, вращаясь вокруг своей оси, увлекает за собой планеты, подобно тому как водоворот кружит попавшие в него тела. Гюйгенсу, продолжателю идей Галилея в динамике, в своем трактате «О центробежной силе» (1659) удалось впервые установить, в частном случае центробежной силы, связь между силой, массой и ускорением. Им получена хорошо известная формула для центробежной силы (), и с ее помощью он смог ответить на вопрос Симплично – персонажа произведения Г. Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой», почему тела на вращающейся Земле не улетают в Космос. Согласно его расчетам, тела могут улететь к небесам, если она будет вращаться в 17 раз быстрее; тогда на экваторе центробежная сила сравнится с ускорением свободного падения. Гюйгенс понимал наличие силы притяжения между телами, но не мог допустить ее действия на расстоянии через пустое пространство. Проблемой тяготения интересовался и другой знаменитый современник Ньютона, куратор Лондонского королевского общества Р. Гук (1635–1703). В обязанность куратора входила еженедельная демонстрация трех-четырех опытов на заседаниях общества.
Поскольку сила тяжести пропорциональна массе падающего тела, то она должна быть также пропорциональна по отдельности каждой из двух масс и , иными словами (следствие из III закона Ньютона). Далее Ньютон интересовался поведением силы по мере удаления тела от поверхности Земли. Он выдвинул предположение, что если удалить тело на расстояние, равное расстоянию до Луны, то оно будет иметь то же ускорение, что и Луна. Силы тяготения между Землей и Луной и между Землей и любым телом на поверхности Земли должны иметь одну и ту же природу. С помощью астрономических наблюдений установлено, что расстояние от центра Аналогичная величина для искусственного спутника Земли должна быть равна , что совпадает с ускорением свободного падения. Заметим, что расстояние до Луны в 60 раз превосходит расстояние до искусственного спутника Земли (), в то время как ускорение свободного падения вблизи земной поверхности примерно в 602 раз больше орбитального ускорения Луны. Следовательно, гравитационное ускорение может объяснить движение как искусственного спутника, так и Луны, если предположить, что сила, его создающая, меняется обратно пропорционально квадрату расстояния от центра притяжения. Подобными рассуждениями Ньютон пришел к выводу, что гравитационная сила изменяется по закону . Вызывает удивление простота математического выражения гравитационного взаимодействия, отвечающего за строение и функционирование Вселенной. При сопоставлении значения центростремительного ускорения Луны со значени-ем ускорения свободного падения оба расстояния ( и ) отсчитывались от центра Земли. Выбор начала отсчета он вначале обосновать не смог, поэтому публикация полу-ченных результатов им была отложена. Только разработка И. Ньютоном и независимо от него Г. Лейбницем (1646–1716) дифференциального и интегрального исчисления позво-лила установить, что взаимодействие двух однородных тел сферической формы происходит так, как если бы их массы были сосредоточены в центрах сфер. В тех случаях, когда взаимодействующие тела нельзя рассматривать точечными или же они не имеют сферической формы, то расчет сил тяготения принимает сложный характер.
По утверждению известного японского физика Х. Юкава, «Ньютон многое отсек от реального мира, о котором размышляют физики…, но он оставляет самое существенное и создает единую картину мира». Ньютоновская теория тяготения и ньютоновская механика явились величайшим достижением естествознания. С созданием основ классической механики окончательно завершилась эпоха господства аристотелевской концепции мироздания. Самым убедительным подтверждением закона тяготения Ньютона явилось открытие в сентябре 1846 года новой планеты Нептун. В марте 1781 года У. Гершелем (1738–1822) была открыта планета Уран и была вычислена траектория движения планеты на основе механики Ньютона. Впоследствии было установлено, что реальная траектория движения планеты существенно отличается от расчетной. Французский астроном У. Леверье (1811–1877) выдвинул предположение, что это отклонение связано с существованием неизвестной еще планеты, которая и возмущает траекторию Урана. Им был выполнен расчет орбиты предполагаемой планеты, и вскоре немецким астрономом И. Галле (1812–1910) эта планета была обнаружена в том месте, на которое указал Леверье. Открытие Нептуна «на кончике пера» явилось величайшим триумфом науки. Следует заметить, что аналогичным образом была открыта и последняя из известных нам планет Солнечной системы Плутон
|
|||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2021-05-12; просмотров: 139; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.221.245.196 (0.02 с.) |