| Часть серии по |
| Классическая механика |
|---|
Статья посвящена истории классической механики .
Предшественники классической механики [ править ]
Античность [ править ]
Древние греческие философы , Аристотель , в частности, были одними из первых , чтобы предложить что абстрактные принципы регулируют характер. Аристотель в своей книге «На небесах» утверждал, что земные тела поднимаются или опускаются до своего «естественного места», и в качестве закона сформулировал правильное приближение, согласно которому скорость падения объекта пропорциональна его весу и обратно пропорциональна плотности жидкости. проваливается. [1]
Аристотель верил в логику и наблюдения, но прошло более тысячи восемнадцати лет, прежде чем Фрэнсис Бэкон впервые разработал научный метод экспериментов, который он назвал досадой природы . [2]
Аристотель видел различие между «естественным движением» и «принудительным движением», и он полагал, что «в пустоте», то есть в вакууме , тело в состоянии покоя будет оставаться в покое [3], а тело в движении будет продолжать иметь то же движение. . [4]Таким образом, Аристотель был первым, кто подошел к чему-то похожему на закон инерции. Однако он считал, что вакуум будет невозможен, потому что окружающий воздух устремится внутрь, чтобы немедленно заполнить его. Он также считал, что объект перестанет двигаться в неестественном направлении после того, как будут устранены приложенные силы. Позже аристотелиане разработали подробное объяснение того, почему стрела продолжает лететь по воздуху после того, как она покинула лук, предположив, что стрела создает вакуум на своем пути, в который воздух устремляется, толкая ее сзади. На убеждения Аристотеля повлияло учение Платона о совершенстве круговых равномерных движений небес. В результате он задумал естественный порядок, в котором движения небес были обязательно совершенными, в отличие от земного мира изменяющихся элементов,где люди появляются и уходят.
Позднее Галилей наблюдал, что «сопротивление воздуха проявляется двумя способами: во-первых, предлагая большее сопротивление менее плотным, чем очень плотным телам, и, во-вторых, предлагая большее сопротивление телу в быстром движении, чем тому же телу в медленном движении. ". [5]
Средневековая мысль [ править ]
Персидский исламский эрудит Ибн Сина опубликовал свою теорию движения в «Книге исцеления» (1020 г.). Он сказал, что метатель сообщает снаряду импульс, и рассматривал его как постоянный, требующий внешних сил, таких как сопротивление воздуха, для его рассеивания. [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, которая расходилась с аристотелевской точкой зрения, была позже описана как «импульс» Джоном Буриданом , на которого оказал влияние Ибн Сина.s Книга исцеления .[10]
В XII веке Хибат Аллах Абу'л-Баракат аль-Багдади принял и модифицировал теорию Авиценны о движении снаряда . В своем « Китаб аль-Мутабар» Абу'л-Баракат заявил, что движущийся придает сильный наклон ( майл касри ) движущемуся, и что это уменьшается по мере того, как движущийся объект удаляется от движущегося. [11] Согласно Шломо Пайнсу, теория движения аль-Багдаади была «старейшим отрицанием фундаментального динамического закона Аристотеля [а именно, что постоянная сила вызывает равномерное движение], [и, таким образом, является] неопределенным ожиданием основного закона классической механики[а именно, что сила, приложенная непрерывно, вызывает ускорение] ». [12] В том же веке Ибн Баджах предположил, что для каждой силы всегда есть сила противодействия. Хотя он не уточнил, что эти силы равны, это все еще ранний версия третьего закона движения, который гласит, что для каждого действия существует равное и противоположное противодействие. [13]
В XIV веке французский священник Жан Буридан разработал теорию импульса под влиянием Ибн Сины [10] и аль-Багдаадхи. [11] Альберт , епископ Хальберштадтский , развил теорию дальше.
Становление классической механики [ править ]
Только после разработки Галилео Галилеем телескопа и его наблюдений стало ясно, что небеса не созданы из совершенного, неизменного вещества. Приняв гелиоцентрическую гипотезу Коперника , Галилей считал, что Земля такая же, как и другие планеты. Галилей, возможно, провел знаменитый эксперимент по сбросу двух пушечных ядер с Пизанской башни . (Теория и практика показали, что они оба упали на землю одновременно.) Хотя реальность этого эксперимента оспаривается, он действительно проводил количественные эксперименты, катая шары по наклонной плоскости.; его правильная теория ускоренного движения, по-видимому, была выведена из результатов экспериментов. Галилей также обнаружил, что тело, упавшее вертикально, ударяется о землю одновременно с телом, проецируемым горизонтально, поэтому при равномерном вращении Земли объекты все равно падают на землю под действием силы тяжести. Что еще более важно, он утверждал, что равномерное движение неотличимо от покоя , и таким образом составляет основу теории относительности.
Сэр Исаак Ньютон был первым, кто объединил три закона движения (закон инерции, его второй закон, упомянутый выше, и закон действия и противодействия), и доказал, что эти законы управляют как земными, так и небесными объектами. Ньютон и большинство его современников, за заметным исключением Христиана Гюйгенса , надеялись, что классическая механика сможет объяснить все сущности, включая (в форме геометрической оптики) свет. Собственное объяснение Ньютона колец Ньютона избегало волновых принципов и предполагало, что световые частицы были изменены или возбуждены стеклом и резонировали.
Ньютон также разработал исчисление, которое необходимо для выполнения математических расчетов, используемых в классической механике. Однако именно Готфрид Лейбниц независимо от Ньютона разработал исчисление с обозначениями производной и интеграла, которые используются по сей день. Классическая механика сохраняет точечную нотацию Ньютона для производных по времени.
Леонард Эйлер распространил законы движения Ньютона с частиц на твердые тела двумя дополнительными законами . Работа с твердыми материалами под действием сил приводит к деформациям, которые можно измерить. Идея была сформулирована Эйлером (1727), а в 1782 году Джордано Риккати начал определять упругость некоторых материалов, а затем Томас Янг . Симеон Пуассон расширил исследование до третьего измерения с помощью коэффициента Пуассона . Габриэль Ламе обратился к исследованию обеспечения устойчивости конструкций и ввел параметры Ламе . [14]Эти коэффициенты положили начало линейной теории упругости и положили начало механике сплошных сред .
После Ньютона новые формулировки постепенно позволяли решать гораздо большее количество проблем. Первый был построен в 1788 году Жозеф Луи Лагранж , в Италии - французский математик . В лагранжевой механике решение использует путь наименьшего действия и следует вариационному исчислению . Уильям Роуэн Гамильтон переформулировал лагранжевую механику в 1833 году. Преимущество гамильтоновой механики состояло в том, что ее структура позволяла более глубоко взглянуть на основные принципы. Большинство рамок гамильтоновой механики можно увидеть в квантовой механике. однако точное значение терминов различается из-за квантовых эффектов.
Хотя классическая механика в значительной степени совместима с другими теориями « классической физики », такими как классическая электродинамика и термодинамика , в конце 19 века были обнаружены некоторые трудности, которые могли быть разрешены только более современной физикой. В сочетании с классической термодинамикой классическая механика приводит к парадоксу Гиббса, в котором энтропия не является точно определенной величиной. Когда эксперименты достигли атомного уровня, классическая механика не смогла объяснить даже приблизительно такие основные вещи, как уровни энергии и размеры атомов. Попытки решить эти проблемы привели к развитию квантовой механики. Точно так же разное поведение классическихэлектромагнетизм и классическая механика при преобразованиях скоростей привели к теории относительности .
Классическая механика в современную эпоху [ править ]
К концу XX века классическая механика в физике перестала быть независимой теорией. Наряду с классическим электромагнетизмом он стал частью релятивистской квантовой механики или квантовой теории поля [1] . Он определяет нерелятивистский, неквантово-механический предел для массивных частиц.
Классическая механика также была источником вдохновения для математиков. Осознание того, что фазовое пространство в классической механике допускает естественное описание как симплектическое многообразие (действительно кокасательное расслоение в большинстве случаев, представляющих физический интерес), и симплектическая топология , которую можно рассматривать как исследование глобальных вопросов гамильтоновой механики, имеет с 1980-х гг. была плодородной областью математических исследований.
См. Также [ править ]
- Механика
- Хронология классической механики
Примечания [ править ]
- ^ a b Ровелли, Карло (2015). «Физика Аристотеля: взгляд физика». Журнал Американской философской ассоциации . 1 (1): 23–40. arXiv : 1312.4057 . DOI : 10,1017 / apa.2014.11 .
- ↑ Питер Пешич (март 1999 г.). «Борьба с Протеем: Фрэнсис Бэкон и« пытки »природы». Исида . Издательство Чикагского университета от имени Общества истории науки. 90 (1): 81–94. DOI : 10.1086 / 384242 . JSTOR 237475 .
- ^ Аристотель: На небесах (де Caelo) книга 13, раздел 295a
- ↑ Аристотель: Книга физики 4 О движении в пустоте
- ^ Галилео Галилей , Диалоги о двух новых науках Галилео Галилей . Перевод с итальянского и латинского на английский Генри Крю и Альфонсо де Сальвио. С введением Антонио Фаваро (Нью-Йорк: Макмиллан, 1914). Глава: Движение снарядов
- Перейти ↑ Espinoza, Fernando (2005). «Анализ исторического развития идей о движении и его значение для обучения». Физическое образование . 40 (2): 141. Bibcode : 2005PhyEd..40..139E . DOI : 10.1088 / 0031-9120 / 40/2/002 .
- ^ Сейид Хоссейн Наср и Мехди Амин Разави (1996). Исламская интеллектуальная традиция в Персии . Рутледж . п. 72. ISBN 978-0-7007-0314-2.
- ^ Айдын Сайылы (1987). «Ибн Сина и Буридан о движении снаряда». Летопись Нью-Йоркской академии наук . 500 (1): 477–482. Bibcode : 1987NYASA.500..477S . DOI : 10.1111 / j.1749-6632.1987.tb37219.x .
- ^ Эспиноза, Фернандо. «Анализ исторического развития представлений о движении и его значение для обучения». Физическое образование. Vol. 40 (2).
- ^ a b Сайили, Айдын. «Ибн Сина и Буридан о движении снаряда». Анналы Нью-Йоркской академии наук, т. 500 (1). с.477-482.
- ^ a b Гутман, Оливер (2003). Псевдо-Авиценна, Liber Celi Et Mundi: Критическое издание . Brill Publishers . п. 193. ISBN. 90-04-13228-7.
- Перейти ↑ Pines, Shlomo (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.
( см. Абель Б. Франко (октябрь 2003 г.). «Avempace, движение снаряда и теория стимулов», Журнал истории идей 64 (4), стр. 521-546 [528].) - ^ Франко, Абель Б. "Avempace, движение снаряда и теория стимула". Журнал истории идей . Vol. 64 (4): 543.
- ↑ Габриэль Ламе (1852) Leçons sur la théorie mathématique de l'élasticité des corps solides (Bachelier)
Ссылки [ править ]
- Трусделл, К. (1968). Очерки истории механики . Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg . ISBN 9783642866470.
- Мэддокс, Рене Дугас; предисловие Луи де Бройля; переведен на английский JR (1988). История механики (Dover ed.). Нью-Йорк: Dover Publications . ISBN 0-486-65632-2.
- Buchwald, Jed Z .; Фокс, Роберт, ред. (2013). Оксфордский справочник по истории физики (Первое изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета . С. 358–405. ISBN 9780199696253.
