Механика

Механика (от древнегреческого : μηχανική , Mēkhanikḗ , Lit. « Машины ») ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} является областью физики , связанной с отношениями между силой , материей и движением среди физических объектов . ^{[ 3 ]} Силы, применяемые к объектам, приводят к смещениям , которые являются изменениями позиции объекта относительно его среды.

Теоретические экспозиции этой ветви физики имеют свое происхождение в древней Греции , например, в трудах Аристотеля и Архимеда ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} (См. Историю классической механики и график классической механики ). В начале современного периода такие ученые, как Галилео Галилей , Йоханнес Кеплер , Кристиан Хейгенс и Исаак Ньютон заложили основу для того, что сейчас известно как классическая механика .

Как ветвь классической физики , механики занимаются телами, которые либо в состоянии покоя, либо движутся со скоростями значительно меньше, чем скорость света. Это также может быть определено как физическая наука, которая занимается движением и силами на телах, не в квантовой сфере.

История

Древность

Древнегреческие философы были одними из первых, кто предлагал, чтобы абстрактные принципы регулировали природу. Основной теорией механиков в античности была аристотелевская механика , хотя альтернативная теория обнажается в псевдоаристотелевских механических проблемах , часто приписывая одним из его преемников.

Существует еще одна традиция, которая восходит к древним грекам, где математика используется более широко для статического или динамического анализа тел , подход, который мог быть стимулирован предыдущей работой пифагорских архитов . ^{[ 7 ]} Примеры этой традиции включают псевдо- евклид ( на балансе ), Архимеда ( на равновесие плоскостей , на плавающих телах ), герой ( механика ) и паппуса ( коллекция , книга VIII). ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}

Средневековый возраст

В средние века теории Аристотеля подвергались критике и модифицированы рядом фигур, начиная с Джона Филопона в 6 веке. Центральной проблемой была проблема снаряда , которое обсуждалось Гиппархом и Филопоном.

Персидский исламский полимат Ибн Сина опубликовал свою теорию движения в книге исцеления (1020). Он сказал, что толчок придается снаряду метателем и рассматривает его как постоянную, требуя, чтобы внешние силы, такие как сопротивление воздуха, чтобы рассеять его. ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} Ибн Сина провели различие между «силой» и «наклоном» (называемой «mayl»), и утверждала, что объект получает MALIL, когда объект противоречит его естественному движению. Таким образом, он пришел к выводу, что продолжение движения объясняется склонностью, которая передается объекту, и этот объект будет находиться в движении до тех пор, пока Mayl не будет потрачен. Он также утверждал, что снаряд в вакууме не остановится, если он не будет действовать, в соответствии с первым законом движения Ньютона. ^{[ 10 ]}

Что касается вопроса о органе, подверженной постоянной (равномерной) силы, еврейско-арабскому ученым 12-го века Хибат Аллах Абул-Баракат аль-Багдаади (родился Натанель, Ирак, из Багдада), заявил, что постоянная сила придает постоянное удивление. Согласно Шломо Пайнс , теория движения Аль-Багдаади была «самым старым отрицанием фундаментального динамического закона Аристотеля [а именно, что постоянная сила приводит к однородному движению], [и, таким образом,] предвкушение в неопределенном состоянии фундаментальной Закон классической механики [а именно, что сила, применяемая постоянно, производит ускорение] ». ^{[ 13 ]}

Под влиянием более ранних писателей, таких как Ибн Сина ^{[ 12 ]} И Аль-Бжиади, ^{[ 14 ]} Французский священник 14-го века Жан Буридан разработал теорию импульса , которая впоследствии превратилась в современные теории инерции , скорости , ускорения и импульса . Эта работа и другие были разработаны в Англии 14-го века Оксфордскими калькуляторами, такими как Томас Брэдваррин , который изучал и сформулировал различные законы, касающиеся падающих тел. Концепция о том, что основными свойствами тела являются равномерно ускоренные движения (как падающие тела), была разработана оксфордскими калькуляторами 14-го века .

Ранняя современная эпоха

Две центральные фигуры в ранней современной эпохе - Галилей Галилей и Исаак Ньютон . Последним заявлением Галилей о его механике, особенно о падающих телах, является его две новые науки (1638). Newton's 1687 Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica предоставил подробный математический отчет о механике с использованием вновь разработанной математики исчисления и обеспечения основы ньютоновской механики . ^{[ 9 ]}

Существует некоторый спор по поводу приоритета различных идей: принципия Ньютона , безусловно, является основополагающей работой и чрезвычайно влиятельным, и многие из результатов математики в нем не могли быть заявлены ранее без разработки исчисления. Тем не менее, многие из идей, особенно в отношении инерции и падающих тел, были разработаны предыдущими учеными, такими как Кристиан Хейгенс и менее известные средневековые предшественники. Точный кредит порой сложный или спорный, потому что научный язык и стандарты доказательства изменились, поэтому, независимо от того, являются ли средневековые утверждения эквивалентны современным утверждениям или достаточным доказательствам, или вместо этого аналогичны современным утверждениям и гипотезам, часто дискуссионны.

Современная эпоха

Двумя основными современными разработками в механике являются общая относительность Эйнштейна , оба разработанные в 20-м веке , и квантовая механика частично основанной на более ранних идеях 19-го века. Развитие современной механики континуума, особенно в областях эластичности, пластичности, динамики жидкости, электродинамики и термодинамики деформируемой среды, началось во второй половине 20 -го века.

Типы механических тел

Часто используемый термин для корпуса должен выступать за широкий ассортимент объектов, включая частицы , снаряды , космические корабли , звезды , части машин , части твердых веществ , части жидкостей ( газы и жидкости ) и т. Д.

Другие различия между различными субдисциплинами механики касаются природы описанных тел. Частицы представляют собой тела с небольшой (известной) внутренней структурой, рассматриваемые как математические точки в классической механике. Жесткие тела имеют размер и форму, но сохраняют простоту, близкую к простой частицы, добавляя лишь несколько так называемых степеней свободы , таких как ориентация в космосе.

В противном случае тела могут быть полужестными, то есть упругими или нежестниками, то есть жидкостью . Эти субъекты имеют как классические, так и квантовые подразделения изучения.

Например, движение космического корабля, касающегося его орбиты и отношения ( вращения ), описывается релятивистской теорией классической механики, в то время как аналогичные движения атомного ядра описываются квантовой механикой.

Субдисциплинарные

Ниже приведены три основных обозначения, состоящие из различных предметов, которые изучаются в механике.

Обратите внимание, что существует также « теория полей », которая представляет собой отдельную дисциплину в физике, формально рассматриваемой как отличную от механики, будь то классические поля или квантовые поля . Но в реальной практике субъекты, принадлежащие к механике и областям, тесно связаны. Таким образом, например, силы, которые действуют на частицы, часто получены из полей ( электромагнитные или гравитационные ), а частицы генерируют поля, действуя в качестве источников. Фактически, в квантовой механике сами частицы являются полями, как теоретически описано волновой функцией .

Классический

Профессор Уолтер Левин объясняет закон о тяжести Ньютона в MIT Course 8.01 ^{[ 16 ]}

Ниже описаны как формирование классической механики:

Ньютоновская механика , оригинальная теория движения ( кинематика ) и сил ( динамика )
Аналитическая механика - это переформулировка ньютоновской механики с акцентом на энергию системы, а не на силы. Есть две основные ветви аналитической механики:
- Гамильтонианская механика , теоретический формализм , основанный на принципе сохранения энергии
- Лагранжская 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: планеты, кометы, звезды, галактики и т. Д.
Астродинамика , космическая навигация и т. Д.
Твердая механика , эластичность , пластичность или вязкоупругость, демонстрируемая деформируемыми твердыми веществами
Механика перелома
Акустика , звук (плотность, изменение, распространение) в твердых веществах, жидкостях и газах
Статика , полужеские тела в механическом равновесии
Механика жидкости , движение жидкостей
Механика почвы , механическое поведение почв
Механика континуума , механика континуи (как твердое, так и жидкость)
Гидравлика , механические свойства жидкостей
Статика жидкости , жидкости в равновесии
Прикладная механика (также известная как инженерная механика)
Биомеханика , твердые вещества, жидкости и т. Д. В биологии
Биофизика , физические процессы в живых организмах
Релятивистская или эйнштейнская механика

Квант

Ниже приведены категории как часть квантовой механики:

Механика волны Schrödinger , используемая для описания движений волновой функции одной частицы.
Matrix Mechanics -это альтернативная формулировка, которая позволяет учитывать системы с конечным пространством состояния.
Квантовая статистическая механика обобщает обычную квантовую механику для рассмотрения систем в неизвестном состоянии; часто используется для получения термодинамических свойств.
Физика частиц , движение, структура и реакции частиц
Ядерная физика , движение, структура и реакции ядер
Физика конденсированного вещества , квантовые газы, твердые тела, жидкости и т. Д.

Исторически, классическая механика существует в течение почти четверти тысячелетия до разработки квантовой механики. Классическая механика возникла с Исаака Ньютона в законами движения Philosophiæ Naturalis Principia Matematica , развитых в течение семнадцатого века. Квантовая механика, разработанная позже, в течение девятнадцатого века, ускоренной постулатом Планка Альберта Эйнштейна и объяснением фотоэлектрического эффекта . Обе поля обычно считаются наиболее определенными знаниями, которые существуют о физической природе.

Классическая механика особенно часто рассматривалась как модель для других так называемых точных наук . В этом отношении существует широкое использование математики в теориях, а также решающая роль, которую играют эксперимент в создании и тестировании их.

Квантовая механика имеет большую область, так как она охватывает классическую механику как субдисциплина, которая применяется при определенных ограниченных обстоятельствах. Согласно принципу соответствия , между двумя субъектами нет противоречия или конфликта, каждый из которых просто относится к конкретным ситуациям. Принцип соответствия гласит, что поведение систем, описанных квантовыми теориями, воспроизводит классическую физику в пределе больших квантовых чисел , то есть, если квантовая механика применяется к крупным системам (например, бейсбол), результат будет почти таким же, если классическая механика был применен. Квантовая механика заменяла классическую механику на уровне фундамента и является незаменимой для объяснения и прогнозирования процессов на молекулярном, атомном и субтомическом уровне. Тем не менее, для макроскопических процессов классическая механика способна решать проблемы, которые несменно это сложны (в основном из -за вычислительных ограничений) в квантовой механике и, следовательно, остаются полезными и хорошо используемыми. Современные описания такого поведения начинаются с тщательного определения таких величин, как смещение (расстояние перемещено), времени, скорости, ускорения, массы и силы. Однако до 400 лет назад предложение было объяснено с совершенно другой точки зрения. Например, следуя идеям греческого философа и ученых Аристотеля, ученые полагали, что пушечный шарил падает, потому что его естественное положение находится на земле; Солнце, луна и звезды путешествуют по кругу по земле, потому что это природа небесных предметов, чтобы путешествовать в совершенных кругах.

Часто называемый отцом в современную науку, Галилео объединял идеи других великих мыслителей своего времени и начал рассчитывать движение с точки зрения расстояния, пройденного с какой -то стартовой позиции и времени, которое это потребовалось. Он показал, что скорость падающих объектов неуклонно увеличивается во время их падения. Это ускорение одинаково для тяжелых объектов, что и для легких, при условии, что трение воздуха (сопротивление воздуха) состоит из скидки. Английский математик и физик Исаак Ньютон улучшил этот анализ, определив силу и массу и связывая их с ускорением. Для объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, законы Ньютона были заменены Альберта Эйнштейна теорией относительности . [Предложение, иллюстрирующее вычислительное осложнение 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, который является изучением того, что вызывает движение.

Релятивистский

Сродни различию между квантовой и классической механикой, Альберта Эйнштейна расширили общие и особые теории относительности объем Ньютона и Галилея формулировки механиков . Различия между релятивистской и ньютоновской механикой становятся значительными и даже доминирующими, поскольку скорость тела приближается к скорости света . Например, в ньютоновской механике кинетическая энергия свободной частицы - $E = .mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output .sfrac.tion,.mw-parser-output .sfrac .tion{display:inline-block;vertical-align:-0.5em;font-size:85%;text-align:center}.mw-parser-output .sfrac .num{display:block;line-height:1em;margin:0.0em 0.1em;border-bottom:1px solid}.mw-parser-output .sfrac .den{display:block;line-height:1em;margin:0.1em 0.1em}.mw-parser-output .sr-only{border:0;clip:rect(0,0,0,0);clip-path:polygon(0px 0px,0px 0px,0px 0px);height:1px;margin:-1px;overflow:hidden;padding:0;position:absolute;width:1px}⁠ 1 / 2 ⁠ mv 2$ , в то время как в релятивистской механике это $E = (γ - 1) MC 2$ (где $γ$ является фактором Лоренца ; эта формула сводится к ньютоновской экспрессии в низком пределе энергии). ^{[ 17 ]}

Для высокоэнергетических процессов квантовая механика должна быть скорректирована для учета специальной относительности; Это привело к разработке теории квантовой поля . ^{[ 18 ]}

Профессиональные организации

Отдел прикладных механиков , Американское общество инженеров -механиков
Отдел динамики жидкости, Американское физическое общество
Общество экспериментальной механики
Инженер -инженеры -механики - это квалифицирующий корпус Великобритании для инженеров -механиков и более 150 лет является домом инженеров -механиков.
Международный союз теоретической и прикладной механики

Смотрите также

Ссылки

^ «Механика» . Оксфордский английский словарь . 1933.
^ Генри Джордж Лидделл; Роберт Скотт (1940). «Механика» . Грек-английский лексикон .
^ Янг, Хью Д.; Роджер А. Фридман; А. Льюис Форд; Katarzyna Zulteta Estrugo (2020). Физика Университета Сирса и Земенского: с современной физикой (15 -е изд.). Harlow: Pearson Education. п. 62. ISBN 978-1-292-31473-0 Полем OCLC 1104689918 .
^ Дугас, Рене. История классической механики. Нью -Йорк, Нью -Йорк: Dover Publications Inc, 1988, стр. 19.
^ Рана, Северная Каролина и Жоаг, PS Классическая механика. Западный лепесток Нагар, Нью -Дели. Tata McGraw-Hill, 1991, стр. 6.
^ Renn, J., Damerow, P. и McLaughlin, P. Aristotle, Archimedes, Euclid и происхождение механики: перспектива исторической эпистемологии. Берлин: Институт истории науки Макса Планка, 2010, стр. 1-2.
^ Zhmud, L. (2012). Пифагор и ранние пифагорейцы . УП Оксфорд. ISBN 978-0-19-928931-8 .
^ « История механики ». Рене Дугас (1988). с.19. ISBN 0-486-65632-2
^ Jump up to: ^а ^{беременный} « Крошечный вкус истории механики ». Техасский университет в Остине.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Эспиноза, Фернандо (2005). «Анализ исторического развития идей о движении и его последствиях для обучения». Физическое образование . 40 (2): 141. Bibcode : 2005phyed..40..139e . doi : 10.1088/0031-9120/40/2/002 . S2CID 250809354 .
^ Seyyed Hossein Nasr & Mehdi Amin Razavi (1996). Исламская интеллектуальная традиция в Персии . Routledge . п. 72. ISBN 978-0-7007-0314-2 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Айдин Сайли (1987). «Ибн Сина и Буридан по движению снаряда». Анналы нью -йоркской академии наук . 500 (1): 477–482. Bibcode : 1987nyasa.500..477s . doi : 10.1111/j.1749-6632.1987.tb37219.x . S2CID 84784804 .
^ Pines, Shlomo (1970). «Абу'л-баракат аль-Багдади, Хибат Аллах». Словарь научной биографии . Тол. 1. Нью -Йорк: сыновья Чарльза Скрибнера. С. 26–28. ISBN 0-684-10114-9 .
( ср. Абель Б. Франко (октябрь 2003 . г. )
^ Gutman, Oliver (2003), Pseudo-Avicenna, Книга Небес и Мира, критическое издание , Brill Publishers , p. 193, ISBN 90-04-13228-7
^ Хилл, Дональд Рутледж (1996). История инженерии в классические и средневековые времена . Лондон: Routledge. п. 143. ISBN 0-415-15291-7 .
^ Уолтер Левин (4 октября 1999 г.). Работа, энергия и универсальная гравитация. MIT Course 8.01: Классическая механика, лекция 11 (OGG) (видеозапись). Кембридж, Массачусетс: MIT OCW . Событие происходит в 1: 21-10: 10 . Получено 23 декабря 2010 года .
^ Ландау, Л.; Lifshitz, E. (15 января 1980 г.). Классическая теория полей (4 -е пересмотренное английское изд.). Баттерворт-Хейнеманн. п. 27
^ Вайнберг С. (1 мая 2005 г.). Квантовая теория полей, том 1: Фонды (1 -е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. XXI. ISBN 0-521-67053-5 .

Дальнейшее чтение

Роберт Стауэлл Болл (1871) Экспериментальная механика из Google Books .
Ландау, Л.Д .; Lifshitz, EM (1972). Механика и электродинамика, вып. 1 Franklin Book Company, Inc. ISBN 978-0-08-016739-8 .
Практическая механика для мальчиков (1914) Джеймса Слоу Зербе .

Внешние ссылки

Physclips: Механики с анимацией и видеоклипами из Университета Нового Южного Уэльса
Проект Архимеда

[1] «Механика» . Оксфордский английский словарь . 1933.

[2] Генри Джордж Лидделл; Роберт Скотт (1940). «Механика» . Грек-английский лексикон .

[3] Янг, Хью Д.; Роджер А. Фридман; А. Льюис Форд; Katarzyna Zulteta Estrugo (2020). Физика Университета Сирса и Земенского: с современной физикой (15 -е изд.). Harlow: Pearson Education. п. 62. ISBN 978-1-292-31473-0 Полем OCLC 1104689918 .

[4] Дугас, Рене. История классической механики. Нью -Йорк, Нью -Йорк: Dover Publications Inc, 1988, стр. 19.

[5] Рана, Северная Каролина и Жоаг, PS Классическая механика. Западный лепесток Нагар, Нью -Дели. Tata McGraw-Hill, 1991, стр. 6.

[6] Renn, J., Damerow, P. и McLaughlin, P. Aristotle, Archimedes, Euclid и происхождение механики: перспектива исторической эпистемологии. Берлин: Институт истории науки Макса Планка, 2010, стр. 1-2.

[7] Zhmud, L. (2012). Пифагор и ранние пифагорейцы . УП Оксфорд. ISBN 978-0-19-928931-8 .

[8] « История механики ». Рене Дугас (1988). с.19. ISBN 0-486-65632-2

[mechanics-9] Jump up to: ^а ^{беременный} « Крошечный вкус истории механики ». Техасский университет в Остине.

[Espinoza-10] Jump up to: ^а ^{беременный} Эспиноза, Фернандо (2005). «Анализ исторического развития идей о движении и его последствиях для обучения». Физическое образование . 40 (2): 141. Bibcode : 2005phyed..40..139e . doi : 10.1088/0031-9120/40/2/002 . S2CID 250809354 .

[Nasr-11] Seyyed Hossein Nasr & Mehdi Amin Razavi (1996). Исламская интеллектуальная традиция в Персии . Routledge . п. 72. ISBN 978-0-7007-0314-2 .

[Sayili-12] Jump up to: ^а ^{беременный} Айдин Сайли (1987). «Ибн Сина и Буридан по движению снаряда». Анналы нью -йоркской академии наук . 500 (1): 477–482. Bibcode : 1987nyasa.500..477s . doi : 10.1111/j.1749-6632.1987.tb37219.x . S2CID 84784804 .

[13] Pines, Shlomo (1970). «Абу'л-баракат аль-Багдади, Хибат Аллах». Словарь научной биографии . Тол. 1. Нью -Йорк: сыновья Чарльза Скрибнера. С. 26–28. ISBN 0-684-10114-9 .
( ср. Абель Б. Франко (октябрь 2003 . г. )

[Gutman-14] Gutman, Oliver (2003), Pseudo-Avicenna, Книга Небес и Мира, критическое издание , Brill Publishers , p. 193, ISBN 90-04-13228-7

[15] Хилл, Дональд Рутледж (1996). История инженерии в классические и средневековые времена . Лондон: Routledge. п. 143. ISBN 0-415-15291-7 .

[16] Уолтер Левин (4 октября 1999 г.). Работа, энергия и универсальная гравитация. MIT Course 8.01: Классическая механика, лекция 11 (OGG) (видеозапись). Кембридж, Массачусетс: MIT OCW . Событие происходит в 1: 21-10: 10 . Получено 23 декабря 2010 года .

[17] Ландау, Л.; Lifshitz, E. (15 января 1980 г.). Классическая теория полей (4 -е пересмотренное английское изд.). Баттерворт-Хейнеманн. п. 27

[18] Вайнберг С. (1 мая 2005 г.). Квантовая теория полей, том 1: Фонды (1 -е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. XXI. ISBN 0-521-67053-5 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

v Т и Основные филиалы физики
Divisions	Pure Applied Engineering
Approaches	Experimental Theoretical Computational
Classical	Classical mechanics Newtonian Analytical Celestial Continuum Acoustics Classical electromagnetism Classical optics Ray Wave Thermodynamics Statistical Non-equilibrium
Modern	Relativistic mechanics Special General Nuclear physics Quantum mechanics Particle physics Atomic, molecular, and optical physics Atomic Molecular Modern optics Condensed matter physics
Interdisciplinary	Astrophysics Atmospheric physics Biophysics Chemical physics Geophysics Materials science Mathematical physics Medical physics Ocean physics Quantum information science
Related	History of physics Nobel Prize in Physics Philosophy of physics Physics education Timeline of physics discoveries