| Часть серии по |
| Классическая механика |
|---|
| Часть серии по |
| Квантовая механика |
|---|
|
Механика ( греч . Μηχανική ) - это область физики, изучающая движения физических объектов , в частности отношения между силой, материей и движением [1] . Силы, приложенные к объектам, приводят к смещениям или изменениям положения объекта относительно окружающей его среды. Эта ветвь физики берет свое начало в Древней Греции с трудами Аристотеля и Архимеда [2] [3] [4] (см. Историю классической механики и Хронологию классической механики.). В период раннего Нового времени такие ученые, как Галилей , Кеплер и Ньютон, заложили основу того, что сейчас известно как классическая механика . Это раздел классической физики, который имеет дело с частицами, которые либо находятся в состоянии покоя, либо движутся со скоростями, значительно меньшими 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 [ править ]
Античность [ править ]
Основной теорией механики в древности была механика Аристотеля . [5] Более поздним разработчиком этой традиции является Гиппарх . [6]
Средневековый век [ править ]
В средние века теории Аристотеля подвергались критике и корректировке со стороны ряда деятелей, начиная с Иоанна Филопона в VI веке. Центральной проблемой была проблема движения снаряда , которую обсуждали Гиппарх и Филопон.
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. [7] [8] [9]Ибн Сина проводил различие между «силой» и «наклоном» (называемым «майл») и утверждал, что полученный объект может быть меньше, 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, 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. В нем говорится, что движущийся объект будет продолжать движение, если на него не действует внешняя сила. [10] Эта идея, которая расходилась с аристотелевской точкой зрения, была позже описана как «импульс» Джоном Буриданом , на которого оказал влияние Ибн Сина.s Книга исцеления .[11]
По вопросу о теле, подверженном постоянной (равномерной) силе, еврейско-арабский ученый XII века Хибат Аллах Абу-л-Баракат аль-Багдаади (урожденный Натанель, иракец, из Багдада) заявил, что постоянная сила сообщает постоянное ускорение. 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] смутным предвосхищением фундаментальных закон классической механики [а именно, что сила, приложенная непрерывно, вызывает ускорение] ". [12] В том же веке, Ибн Баджахпредположил, 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. [13]
Под влиянием более ранних авторов, таких как Ибн Сина [11] и аль-Багдади [14], французский священник XIV века Жан Буридан разработал теорию импульса , которая позже превратилась в современные теории инерции , скорости , ускорения и импульса . Эта и другие работы были разработаны в Англии XIV века оксфордскими калькуляторами, такими как Томас Брэдвардин , которые изучили и сформулировали различные законы, касающиеся падающих тел. Представление о том, что основными свойствами тела являются равноускоренные движения (как падающих тел), было выработано к 14 веку.Оксфордские калькуляторы .
Ранняя современная эпоха [ править ]
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). В книге Ньютона 1687 г. « Philosophi Naturalis Principia Mathematica» приводится подробное математическое описание механики с использованием недавно разработанной математики исчисления и обеспечения основы ньютоновской механики . [6]
Существует некоторый спор о приоритете различных идей: « Принципы Ньютона», безусловно, являются основополагающей работой и оказали огромное влияние, а систематическая математика в них не была и не могла быть изложена ранее, потому что исчисление не было развито. 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 утверждения эквивалентны современными операторам или достаточных доказательств, или вместо аналогичных современных заявлений игипотезы часто спорны.
Современная эпоха [ править ]
Две основные современные разработки в области механики общей теории относительности от Эйнштейна и квантовая механика , как развитых , так в 20 - м веке частично на основе более ранних идей 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 [ править ]
Часто используемый термин тело должен обозначать широкий спектр объектов, включая частицы, снаряды , космические корабли , звезды , части машин , части твердых тел , части жидкостей ( газы и жидкости ) и т. Д.
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 степеней свободы , таких как ориентация в пространстве.
В противном случае тела могут быть полужесткими, т. Е. Упругими , или нежесткими, т . Е. Текучими . Эти предметы имеют как классическое, так и квантовое разделение обучения.
Например, движение космического корабля относительно его орбиты и ориентации ( вращения ) описывается релятивистской теорией классической механики, в то время как аналогичные движения атомного ядра описываются квантовой механикой.
Поддисциплины [ править ]
Ниже приведены два списка различных предметов, изучаемых в механике.
Обратите внимание, что существует также « теория полей », которая представляет собой отдельную дисциплину в физике, формально рассматриваемую как отличную от механики, будь то классические поля или квантовые поля . Но на практике предметы, относящиеся к механике и отраслям, тесно переплетаются. Так, например, силы, действующие на частицы, часто происходят от полей ( электромагнитных или гравитационных ), а частицы создают поля, действуя как источники. Фактически, в квантовой механике частицы сами по себе являются полями, что теоретически описывается волновой функцией .
Классический [ править ]
Следующие элементы описаны как образующие классическую механику:
- Ньютоновская механика , оригинальная теория движения ( кинематика ) и сил ( динамика ).
- Аналитическая механика - это переформулировка механики Ньютона с упором на системную энергию, а не на силы. Есть два основных раздела аналитической механики:
- Гамильтонова механика - теоретический формализм , основанный на принципе сохранения энергии.
- Лагранжева механика - еще один теоретический формализм, основанный на принципе наименьшего действия .
- Классическая статистическая механика обобщает обычную классическую механику для рассмотрения систем в неизвестном состоянии; часто используется для получения термодинамических свойств.
- Небесная механика , движение тел в космосе: планет, комет, звезд, галактик и др.
- Астродинамика , навигация космических аппаратов и др.
- Механика твердого тела , упругость , пластичность , вязкоупругость деформируемых твердых тел.
- Механика разрушения
- Акустика , звук (= распространение колебаний плотности) в твердых телах, жидкостях и газах.
- Статика , полужесткие тела в механическом равновесии
- Гидромеханика , движение жидкостей
- Механика грунтов , механическое поведение грунтов
- Механика сплошных сред , механика сплошных сред (как твердых, так и жидких)
- Гидравлика , механические свойства жидкостей
- Статика жидкости , жидкости в равновесии
- Прикладная механика, или Инженерная механика
- Биомеханика , твердые тела, жидкости и т. Д. В биологии
- Биофизика , физические процессы в живых организмах
- Релятивистская или эйнштейновская механика, всемирная гравитация .
Quantum [ править ]
Следующие элементы относятся к квантовой механике :
- Волновая механика Шредингера , используемая для описания движения волновой функции отдельной частицы.
- Матричная механика - это альтернативная формулировка, позволяющая рассматривать системы с конечномерным пространством состояний.
- Квантовая статистическая механика обобщает обычную квантовую механику для рассмотрения систем в неизвестном состоянии; часто используется для получения термодинамических свойств.
- Физика элементарных частиц , движение, структура и реакции частиц
- Ядерная физика , движение, структура и реакции ядер
- Физика конденсированного состояния , квантовые газы, твердые тела, жидкости и т. Д.
Исторически классическая механика существовала почти за четверть тысячелетия до того, как появилась квантовая механика . Классическая механика возникла с Isaac Newton «s законы движения в Математических начал натуральной философии , разработанные в течение семнадцатого века. Квантовая механика развивалась позже, в девятнадцатом веке, под влиянием постулата Планка и объяснения фотоэлектрического эффекта Альбертом Эйнштейном . Обе области обычно считаются наиболее достоверным знанием о физической природе.
Классическая механика особенно часто рассматривалась как модель для других так называемых точных наук . Существенным в этом отношении является широкое использование математики в теориях, а также решающая роль, которую играет эксперимент в их создании и проверке.
Квантовая механика имеет более широкую область применения, поскольку охватывает классическую механику как суб-дисциплину, которая применяется при определенных ограниченных обстоятельствах. Согласно принципу соответствия , между двумя субъектами нет противоречий или конфликтов, каждый просто относится к конкретным ситуациям. Принцип соответствия утверждает, что поведение систем, описываемых квантовыми теориями, воспроизводит классическую физику в пределе больших квантовых чисел., т.е. если квантовая механика применяется к большим системам (например, к бейсболу), 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 проблемы, 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 пришли к выводу, что пушечное ядро падает, потому что его естественное положение находится на Земле; Солнце, Луна и звезды движутся по кругу вокруг Земли, потому что небесные объекты движутся по идеальным кругам.
Галилей, которого часто называют отцом современной науки, объединил идеи других великих мыслителей своего времени и начал вычислять движение с точки зрения расстояния, пройденного с некоторой исходной позиции, и времени, которое на это потребовалось. 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 Альберта Эйнштейна «с теорией относительности. [Предложение, иллюстрирующее вычислительную сложность теории относительности Эйнштейна.] Для атомных и субатомных частиц законы Ньютона были заменены квантовой теорией . Однако для повседневных явлений три закона движения Ньютона остаются краеугольным камнем динамики, которая является исследованием того, что вызывает движение.
Релятивистский [ править ]
По аналогии с различием между квантовым и классической механикой, Альбертом Эйнштейн «s общие и специальные теории относительности расширили сферу Ньютона и Галилей » формулировка ы механики. Различия между релятивистской и ньютоновской механикой становятся значительными и даже доминирующими, когда скорость тела приближается к скорости света . Например, в механике Ньютона , законы движения Ньютона указывают , что F = м , тогда как в релятивистской механике и преобразований Лоренца, которые были впервые обнаружены Хендриком Лоренцем , F = γ m a (где γ - фактор Лоренца , который почти равен 1 для малых скоростей).
Релятивистские поправки также необходимы для квантовой механики, хотя общая теория относительности не была интегрирована. Две теории остаются несовместимыми, и это препятствие необходимо преодолеть при разработке теории всего .
Профессиональные организации [ править ]
- Подразделение прикладной механики , Американское общество инженеров-механиков
- Отдел гидродинамики, Американское физическое общество
- Общество экспериментальной механики
- Институт инженеров-механиков - это квалификационный орган Великобритании для инженеров-механиков, который уже более 150 лет является домом для инженеров-механиков.
- Международный союз теоретической и прикладной механики
См. Также [ править ]
- Прикладная механика
- Динамика
- Инженерное дело
- Указатель статей по инженерным наукам и механике
- Кинематика
- Кинетика
- Неавтономная механика
- Статика
- Тест Визена механических способностей (WTMA)
Ссылки [ править ]
- ^ Янг, Хью Д. (Хью Дэвид), 1930-. Университетская физика Сирса и Земанского: с современной физикой . Фридман, Роджер А., Форд, А. Льюис (Альберт Льюис), Эструго, Катаржина Зултета (Пятнадцатое издание в единицах СИ, изд.). Харлоу. п. 62. ISBN 1-292-31473-7. OCLC 1104689918 .CS1 maint: multiple names: authors list (link)
- ^ Дугас, Рене. История классической механики. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Dover Publications Inc, 1988, стр. 19.
- ^ Рана, NC, и Джоаг, PS Классическая механика. West Petal Nagar, Нью-Дели. Тата МакГроу-Хилл, 1991, стр. 6.
- ^ 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.
- ^ « История механики ». Рене Дюга (1988). стр.19. ISBN 0-486-65632-2
- ^ а б « Крошечный вкус истории механики ». Техасский университет в Остине.
- 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.
- 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.
- Перейти ↑ Gutman, Oliver (2003), Pseudo-Avicenna, Liber Celi Et Mundi: A Critical Edition , Brill Publishers , p. 193, ISBN 90-04-13228-7
- ^ Хилл, Дональд Рутледж (1996). История инженерии в классические и средневековые времена . Лондон: Рутледж. п. 143. ISBN 0-415-15291-7.
- ↑ Уолтер Левин (4 октября 1999 г.). Работа, энергия и всемирная гравитация. MIT Course 8.01: Classical Mechanics, Lecture 11 (ogg) (видеокассета). Кембридж, Массачусетс, США: MIT OCW . Событие происходит в 1: 21-10: 10 . Проверено 23 декабря 2010 года .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Роберт Ставелл Болл (1871 г.) Экспериментальная механика из книг Google .
- Ландау, ЛД ; Лифшиц Е.М. (1972). Механика и электродинамика. 1 . Книжная компания Франклина, Inc. ISBN 978-0-08-016739-8.
Внешние ссылки [ править ]
 | Поищите механику в Викисловаре, бесплатном словаре. |
- iMechanica: сеть механиков и механиков
- Определение механики
- Блог по механике профессора Университета Пердью
- Программа механики в Технологическом университете Вирджинии
- Physclips: Механика с анимацией и видеоклипами от Университета Нового Южного Уэльса
- Национальный комитет США по теоретической и прикладной механике
- Интерактивные учебные ресурсы для преподавания механики
- Проект Архимеда
