Механика - Mechanics

Эта статья посвящена области научных исследований. Для использования в других целях см. Механик (значения).
Часть серии по
Классическая механика
ветви
Часть серии на
Квантовая механика
Фон

Механика (Греческий: μηχανική) - это площадь физика обеспокоен движениями макроскопические объекты. Силы применяется к объектам приводит к смещения, или изменения положения объекта относительно окружающей его среды. физика берет свое начало в Древняя Греция с трудами Аристотель и Архимед[1][2][3] (видеть История классической механики и Хронология классической механики ). Вовремя ранний современный период такие ученые, как Галилео, Кеплер, и Ньютон заложил основу того, что сейчас известно как классическая механика.Это филиал классическая физика который имеет дело с частицами, которые либо находятся в состоянии покоя, либо движутся со скоростью, значительно меньшей скорости света. Его также можно определить как раздел науки, который занимается движением тел и силами, не входящими в квантовую сферу. Сегодня эта область менее широко известна с точки зрения квантовой теории.

История

Основные статьи: История классической механики и История квантовой механики

Античность

Основная статья: Аристотелевская механика

Основная теория механики в древности была Аристотелевская механика.[4] Более поздний разработчик в этой традиции Гиппарх.[5]

Средневековый век

Основная статья: Теория импульса
Арабская машинная рукопись. Дата неизвестна (предположительно: 16-19 вв.).
Музыкальная игрушка Аль-Джазари в 12 веке
Аль-Джазари водное устройство в 12 веке

В средние века теории Аристотеля подвергались критике и модификации ряда деятелей, начиная с Иоанн Филопон в 6 веке. Центральной проблемой была проблема движение снаряда, о котором говорили Гиппарх и Филопон.

Персидский исламский эрудит Ибн Сина опубликовал свою теорию движения в Книга исцеления (1020). Он сказал, что метатель дает снаряду импульс, и считал его постоянным, требующим внешних сил, таких как сопротивление воздуха рассеять это.[6][7][8] Ибн Сина проводил различие между «силой» и «наклоном» (называемым «майл») и утверждал, что полученный объект может быть достигнут, когда объект находится в оппозиции своему естественному движению. Поэтому он пришел к выводу, что продолжение движения связано с наклоном, передаваемым объекту, и этот объект будет находиться в движении до тех пор, пока не будет израсходована майла. Он также утверждал, что снаряд в вакууме не остановится, если на него не воздействовать. Эта концепция движения согласуется с первым законом движения Ньютона - инерцией. Это говорит о том, что движущийся объект будет продолжать движение, если на него не действует внешняя сила.[9] Эта идея, расходившаяся с аристотелевской точкой зрения, была позже описана как «импульс». Джон Буридан, находившийся под влиянием Ибн Сины Книга исцеления.[10]

По вопросу о теле, подверженном постоянной (равномерной) силе, еврейско-арабский ученый XII века Хибат Аллах Абу'л-Баракат аль-Багдади (урожденный Натанель, иракец из Багдада) заявил, что постоянная сила дает постоянное ускорение. В соответствии с Шломо Пайнс, теория аль-Багдади движение было "старейшим отрицанием Аристотель фундаментальный динамический закон [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение], [и, таким образом,] неопределенное предвосхищение фундаментального закона классическая механика [а именно, что сила, приложенная непрерывно, вызывает ускорение] ".[11] Того же века, Ибн Баджах предположил, что для каждой силы всегда есть сила реакции. Хотя он не уточнил, что эти силы равны, это все еще ранняя версия третьего закона движения, который гласит, что для каждого действия существует равное и противоположное противодействие.[12]

Под влиянием более ранних писателей, таких как Ибн Сина[10] и аль-Багдади,[13] французский священник 14 века Жан Буридан разработал теория импульса, которые позже превратились в современные теории инерция, скорость, ускорение и импульс. Эта и другие работы были разработаны в Англии XIV в. Оксфордские калькуляторы Такие как Томас Брэдвардин, которые изучили и сформулировали различные законы о падающих телах. Представление о том, что основными свойствами тела являются равноускоренные движения (как падающих тел), было выработано к 14 веку. Оксфордские калькуляторы.

Ранний современный век

Первое европейское изображение поршень насос, по Таккола, c. 1450.[14]

Двумя центральными фигурами раннего Нового времени являются Галилео Галилей и Исаак Ньютон. Последнее утверждение Галилея о его механике, особенно о падающих телах, - это его Две новые науки (1638). Ньютон 1687 г. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica предоставил подробный математический отчет о механике, используя недавно разработанную математику исчисление и обеспечение основы Ньютоновская механика.[5]

Существует спор о приоритете различных идей: Ньютона Начала это, безусловно, основополагающая работа, оказавшая огромное влияние, а систематическая математика в ней не была и не могла быть изложена ранее, потому что не было развито исчисление. Однако многие идеи, особенно касающиеся инерции (импульса) и падающих тел, были разработаны и высказаны более ранними исследователями, как недавним Галилеем, так и менее известными средневековыми предшественниками. Precise кредит иногда трудно или спорный, так как научный язык и стандарты доказательства изменились, так ли средневековые заявления эквивалент к современным заявлениям или достаточный доказательство, или вместо похожий к современным заявлениям и гипотезы часто вызывает споры.

Современный век

Две основные современные разработки в области механики: общая теория относительности из Эйнштейн, и квантовая механика оба были разработаны в 20-м веке, частично основываясь на более ранних идеях 19-го века. Развитие современной механики сплошных сред, особенно в областях упругости, пластичности, гидродинамики, электродинамики и термодинамики деформируемых сред, началось во второй половине 20 века.

Типы механических тел

Часто используемый термин тело должен обозначать широкий ассортимент объектов, включая частицы, снаряды, космический корабль, звезды, части машины, части твердые вещества, части жидкости (газы и жидкости ), так далее.

Другие различия между различными дисциплинами механики касаются природы описываемых тел. Частицы - это тела с малоизвестной внутренней структурой, рассматриваемые как математические точки в классической механике. Жесткие тела имеют размер и форму, но сохраняют простоту, близкую к простоте частицы, добавляя лишь несколько так называемых степени свободы, например, ориентация в пространстве.

В противном случае тела могут быть полужесткими, т.е. эластичный, или нежесткие, т.е. жидкость. Эти предметы имеют как классическое, так и квантовое разделение обучения.

Например, движение космического корабля относительно его орбита и отношение (вращение ), описывается релятивистской теорией классической механики, а аналогичные движения атомное ядро описываются квантовой механикой.

Субдисциплины

Ниже приведены два списка различных предметов, изучаемых в механике.

Обратите внимание, что есть также "теория полей "который составляет отдельную дисциплину в физике, формально рассматриваемую как отличную от механики, независимо от того, классические поля или же квантовые поля. Но на практике предметы, относящиеся к механике и отраслям, тесно переплетаются. Так, например, силы, действующие на частицы, часто возникают из полей (электромагнитный или же гравитационный ), а частицы создают поля, выступая в качестве источников. Фактически, в квантовой механике частицы сами по себе являются полями, как теоретически описывается волновая функция.

Классический

Проф. Уолтер Левин объясняет Закон всемирного тяготения Ньютона в Массачусетский технологический институт курс 8.01.[15]

Следующие элементы описаны как образующие классическую механику:

Квантовая

Следующие категории относятся к квантовая механика:

Исторически, классическая механика существовало почти четверть тысячелетия назад квантовая механика развитый. Классическая механика возникла с Исаак Ньютон с законы движения в Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, разработанная в течение семнадцатого века. Квантовая механика развивалась позже, в девятнадцатом веке, под влиянием Постулат Планка и объяснение Альберта Эйнштейна фотоэлектрический эффект. Обе области обычно считаются наиболее достоверным знанием о физической природе.

Классическая механика особенно часто рассматривалась как модель для других так называемых точные науки. Существенным в этом отношении является широкое использование математика в теориях, а также решающую роль эксперимент в их создании и тестировании.

Квантовая Механика имеет более широкую сферу применения, поскольку включает в себя классическую механику как субдисциплину, которая применяется при определенных ограниченных обстоятельствах. Согласно принцип соответствия, между двумя предметами нет противоречий или конфликтов, каждый просто относится к определенной ситуации. Принцип соответствия утверждает, что поведение систем, описываемых квантовыми теориями, воспроизводит классическую физику в пределе больших квантовые числа, т.е. если квантовая механика применяется к большим системам (например, бейсбольному мячу), результат был бы почти таким же, если бы применялась классическая механика. Квантовая механика вытеснила классическую механику на фундаментальном уровне и незаменима для объяснения и предсказания процессов на молекулярном, атомном и субатомном уровнях. Однако для макроскопических процессов классическая механика способна решать задачи, которые являются неуправляемо сложными (в основном из-за вычислительных ограничений) в квантовой механике и, следовательно, остаются полезными и широко используются. Современные описания такого поведения начинаются с тщательного определения таких величин, как смещение ( пройденное расстояние), время, скорость, ускорение, масса и сила. Однако около 400 лет назад движение объяснялось с совершенно другой точки зрения. Например, следуя идеям греческого философа и ученого Аристотеля, ученые рассуждали о том, что пушечное ядро ​​падает, потому что его естественное положение - на Земле; Солнце, Луна и звезды движутся по кругу вокруг Земли, потому что небесные объекты движутся по идеальным кругам.

Часто упоминается как отец современной науки, Галилео собрал воедино идеи других великих мыслителей своего времени и начал вычислять движение с точки зрения расстояния, пройденного с некоторой исходной позиции, и времени, которое на это ушло. Он показал, что скорость падающих объектов неуклонно увеличивается во время их падения. Это ускорение для тяжелых предметов такое же, как и для легких, если не учитывать трение (сопротивление воздуха). Английский математик и физик Исаак Ньютон улучшил этот анализ, определив силу и массу и связав их с ускорением. Для объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, законы Ньютона были заменены Альберт Эйнштейн С теория относительности. [Предложение, иллюстрирующее вычислительную сложность теории относительности Эйнштейна.] Для атомных и субатомных частиц законы Ньютона были заменены квантовая теория. Однако для повседневных явлений три закона движения Ньютона остаются краеугольным камнем динамики, которая является исследованием того, что вызывает движение.

Релятивистский

По аналогии с различием между квантовой и классической механикой, Альберт Эйнштейн с Общее и специальный теории относительность расширили сферу Ньютон и Галилео Русская формулировка механики. Различия между релятивистской и ньютоновской механикой становятся значительными и даже доминирующими, когда скорость тела приближается к скорость света. Например, в Ньютоновская механика, Законы движения Ньютона указать, что F = ма, тогда как в релятивистская механика и Преобразования Лоренца, которые были впервые обнаружены Хендрик Лоренц, F = γма (где γ - Фактор Лоренца, что почти равно 1 для малых скоростей).

Релятивистские поправки также необходимы для квантовой механики, хотя общая теория относительности не была интегрирована. Эти две теории остаются несовместимыми, и это препятствие необходимо преодолеть при разработке теория всего.

Профессиональные организации

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дугас, Рене. История классической механики. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Dover Publications Inc, 1988, стр. 19.
  2. ^ Рана, Северная Каролина, и Джоаг, П.С. Классическая механика. West Petal Nagar, Нью-Дели. Тата МакГроу-Хилл, 1991, стр. 6.
  3. ^ Ренн, Дж., Дамеров, П., и Маклафлин, П. Аристотель, Архимед, Евклид и происхождение механики: перспектива исторической эпистемологии. Берлин: Институт истории науки Макса Планка, 2010, стр. 1-2.
  4. ^ "История механики ". Рене Дюга (1988). Стр.19. ISBN  0-486-65632-2
  5. ^ а б "Крошечный вкус истории механики ". Техасский университет в Остине.
  6. ^ Эспиноза, Фернандо (2005). «Анализ исторического развития идей о движении и его значение для обучения». Физическое образование. 40 (2): 141. Bibcode:2005PhyEd..40..139E. Дои:10.1088/0031-9120/40/2/002.
  7. ^ Сейед Хоссейн Наср И Мехди Амин Разави (1996). Исламская интеллектуальная традиция в Персии. Рутледж. п. 72. ISBN  978-0-7007-0314-2.
  8. ^ Айдын Сайили (1987). «Ибн Сина и Буридан о движении снаряда». Летопись Нью-Йоркской академии наук. 500 (1): 477–482. Bibcode:1987НЯСА.500..477С. Дои:10.1111 / j.1749-6632.1987.tb37219.x.
  9. ^ Эспиноза, Фернандо. «Анализ исторического развития представлений о движении и его значение для обучения». Физическое образование. Vol. 40 (2).
  10. ^ а б Сайили, Айдын. «Ибн Сина и Буридан о движении снаряда». Анналы Нью-Йоркской академии наук, т. 500 (1). с.477-482.
  11. ^ Сосны, Шломо (1970). «Абу'л-Баракат аль-Багдади, Хибат Аллах». Словарь научной биографии. 1. Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера. С. 26–28. ISBN  0-684-10114-9.
    (ср. Абель Б. Франко (октябрь 2003 г.). "Avempace, Projectile Motion, and Impetus Theory", Журнал истории идей 64 (4), стр. 521-546 [528].)
  12. ^ Франко, Абель Б. "Avempace, движение снаряда и теория толчка". Журнал истории идей. Vol. 64 (4): 543.
  13. ^ Гутман, Оливер (2003), Псевдо-Авиценна, Liber Celi Et Mundi: Критическое издание, Brill Publishers, п. 193, г. ISBN  90-04-13228-7
  14. ^ Хилл, Дональд Рутледж (1996). История инженерии в классические и средневековые времена. Лондон: Рутледж. п. 143. ISBN  0-415-15291-7.
  15. ^ Уолтер Левин (4 октября 1999 г.). Работа, энергия и всемирная гравитация. Курс MIT 8.01: Классическая механика, лекция 11 (ogg) (видеокассета). Кембридж, Массачусетс, США: MIT OCW. Событие происходит в 1: 21-10: 10. Получено 23 декабря, 2010.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка