Механика
| Часть серии о |
| Классическая механика |
|---|
| Часть серии статей о |
| Квантовая механика |
|---|
Механика (от древнегреческого : μηχανική , механик , букв. « Машин ») [1] [2] Это область физики, занимающаяся взаимоотношениями между силой , материей и движением между физическими объектами . [3] Силы, приложенные к объектам, приводят к смещениям , которые представляют собой изменения положения объекта относительно его окружающей среды.
Теоретические изложения этого раздела физики берут начало в Древней Греции , например, в трудах Аристотеля и Архимеда. [4] [5] [6] (см. «История классической механики» и «Хронология классической механики» ). В период раннего Нового времени такие ученые, как Галилео Галилей , Иоганн Кеплер , Христиан Гюйгенс и Исаак Ньютон , заложили основу того, что сейчас известно как классическая механика .
Как раздел классической физики , механика изучает тела, которые либо покоятся, либо движутся со скоростями, значительно меньшими скорости света. Ее также можно определить как физическую науку, которая занимается движением тел и силами, действующими на тела за пределами квантовой сферы.
История
[ редактировать ]Античность
[ редактировать ]Древнегреческие философы были одними из первых, кто предположил, что природой управляют абстрактные принципы. Основной теорией механики в древности была аристотелевская механика , хотя альтернативная теория представлена в псевдоаристотелевских « Задачах механики » , часто приписываемых одному из его последователей.
Существует еще одна традиция, восходящая к древним грекам, где математика более широко использовалась для статического или динамического анализа тел . Этот подход, возможно, был стимулирован предшествующими работами пифагорейца Архита . [7] Примеры этой традиции включают псевдо- Евклида ( «О весах» ), Архимеда ( «О равновесии плоскостей» , «О плавающих телах» ), Героя ( «Механика» ) и Паппа ( «Сборник» , книга VIII). [8] [9]
Средневековый век
[ редактировать ]
В средние века теории Аристотеля подвергались критике и модификации 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 считал его постоянным, требующим внешних сил, таких как сопротивление воздуха, для его рассеивания. [10] [11] [12] Ибн Сина проводил различие между «силой» и «наклонением» (называемым «майл») и утверждал, что объект приобретает майл, когда объект находится в противоречии со своим естественным движением. Таким образом, он пришел к выводу, что продолжение движения объясняется наклоном, передаваемым объекту, и этот объект будет находиться в движении до тех пор, пока не будет израсходован майл. Он также утверждал, что снаряд в вакууме не остановится, если на него не воздействовать, что соответствует первому закону движения Ньютона. [10]
По вопросу о теле, на которое действует постоянная (равномерная) сила, еврейско-арабский ученый XII века Хибат Аллах Абул-Баракат аль-Багдади (урожденный Натанель, иракец, из Багдада) заявил, что постоянная сила придает постоянное ускорение. Согласно Шломо Пайнсу аль-Багдаади , теория движения была «древнейшим отрицанием фундаментального динамического закона Аристотеля [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение] [и, таким образом, является] смутным предвосхищением фундаментального закона». закон классической механики [а именно, что сила, приложенная непрерывно, вызывает ускорение]». [13]
Под влиянием более ранних писателей, таких как Ибн Сина. [12] и аль-Багдади, [14] Французский священник XIV века Жан Буридан разработал теорию импульса , которая позже развилась в современные теории инерции , скорости , ускорения и импульса . Эта и другие работы были разработаны в Англии 14-го века оксфордскими калькуляторами, такими как Томас Брэдуордин , который изучал и формулировал различные законы, касающиеся падения тел. Представление о том, что основными свойствами тела являются равноускоренное движение (как при падении тел), было разработано Оксфордскими калькуляторами XIV века .
Раннее современное время
[ редактировать ]
Двумя центральными фигурами раннего Нового времени являются Галилео Галилей и Исаак Ньютон . Последним изложением Галилеем своей механики, особенно падающих тел, являются его «Две новые науки» (1638 г.). Ньютона 1687 года В книге «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» было дано подробное математическое описание механики с использованием недавно разработанной математики исчисления и заложена основа ньютоновской механики . [9]
Существует некоторый спор по поводу приоритета различных идей: «Начала» Ньютона , безусловно, являются плодотворной работой и оказали огромное влияние, и многие из содержащихся в ней математических результатов не могли быть сформулированы ранее без развития исчисления. Однако многие идеи, особенно касающиеся инерции и падения тел, были развиты предшествующими учеными, такими как Христиан Гюйгенс , и менее известными средневековыми предшественниками. Точная достоверность временами затруднена или спорна, поскольку научный язык и стандарты доказательства изменились, поэтому том, эквивалентны ли средневековые утверждения современным утверждениям или достаточным доказательствам или же они похожи на современные утверждения и гипотезы часто остается спорным вопрос о .
Современный век
[ редактировать ]современными разработками в механике являются общая теория относительности Эйнштейна Двумя основными и квантовая механика , разработанные в 20-м веке, частично основанные на идеях более раннего 19-го века. Развитие современной механики сплошных сред, особенно в области упругости, пластичности, гидродинамики, электродинамики и термодинамики деформируемых сред, началось во второй половине 20 в.
Типы механических тел
[ редактировать ]Часто используемый термин « тело» должен обозначать широкий спектр объектов, включая частицы , снаряды , космические корабли , звезды , части машин , части твердых тел , части жидкостей ( газов и жидкостей ) и т. д.
Другие различия между различными дисциплинами механики касаются природы описываемых тел. Частицы — это тела с малой (известной) внутренней структурой, рассматриваемые как математические точки в классической механике. Твердые 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. жидкими . Эти предметы имеют как классическое, так и квантовое разделение обучения.
Например, движение космического корабля относительно его орбиты и положения ( вращения ) описывается релятивистской теорией классической механики, а аналогичные движения атомного ядра описываются квантовой механикой.
Субдисциплины
[ редактировать ]Ниже приведены три основных обозначения, состоящих из различных предметов, изучаемых в механике.
Обратите внимание, что существует также « теория полей », составляющая 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 областям, тесно переплетаются. Так, например, силы, действующие на частицы, часто возникают из полей ( электромагнитных или гравитационных ), а частицы порождают поля, выступая в качестве источников. Фактически, в квантовой механике частицы сами по себе являются полями, теоретически описываемыми волновой функцией .
Классический
[ редактировать ]Следующие элементы описываются как составляющие классической механики:
- Механика Ньютона , оригинальная теория движения ( кинематика ) и сил ( динамика )
- Аналитическая механика — это переформулировка механики Ньютона с упором на энергию системы, а не на силы. Существуют 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 и рассматривает системы в неизвестном состоянии; часто используется для получения термодинамических свойств.
- Небесная механика , движение тел в космосе: планет, комет, звезд, галактик и т.д.
- Астродинамика , навигация космических кораблей и т.д.
- Механика твердого тела , эластичность , пластичность или вязкоупругость , проявляемые деформируемыми твердыми телами .
- Механика разрушения
- Акустика , звук (плотность, изменение, распространение) в твердых телах, жидкостях и газах.
- Статика , полужесткие тела в механическом равновесии.
- Механика жидкости , движение жидкостей.
- Механика грунтов , механическое поведение почв.
- Механика сплошных сред , механика сплошных сред (как твердых, так и жидких).
- Гидравлика , механические свойства жидкостей.
- Статика жидкости , жидкости в равновесии
- Прикладная механика (также известная как инженерная механика)
- Биомеханика , твердые тела, жидкости и т. д. в биологии.
- Биофизика , физические процессы в живых организмах
- Релятивистская или эйнштейновская механика.
Квантовый
[ редактировать ]К квантовой механике относятся:
- Волновая механика Шредингера , используемая для описания движений волновой функции отдельной частицы.
- Матричная механика — альтернативная формулировка, позволяющая рассматривать системы с конечномерным пространством состояний.
- Квантовая статистическая механика обобщает обычную квантовую механику и рассматривает системы в неизвестном состоянии; часто используется для получения термодинамических свойств.
- Физика элементарных частиц , движение, строение и реакции частиц.
- Ядерная физика , движение, строение и реакции ядер.
- Физика конденсированного состояния , квантовые газы, твердые тела, жидкости и т.д.
Исторически классическая механика существовала почти четверть тысячелетия до того, как появилась квантовая механика. Классическая механика возникла из Исаака Ньютона в законов движения Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , разработанных в семнадцатом веке. Квантовая механика развилась позже, в девятнадцатом веке, благодаря постулату Планка Альбертом Эйнштейном и объяснению фотоэлектрического эффекта . Обе области обычно считаются составляющими наиболее достоверных знаний о физической природе, которые существуют.
Классическую механику особенно часто рассматривали как модель для других так называемых точных наук . Существенное значение в этом отношении имеет широкое использование математики в теориях, а также решающая роль эксперимента в их создании и проверке.
Квантовая механика имеет более широкую сферу применения, поскольку она включает в себя классическую механику как субдисциплину, применимую при определенных ограниченных обстоятельствах. Согласно принципу соответствия , между двумя предметами нет противоречия или конфликта, каждый просто относится к конкретным ситуациям. Принцип соответствия гласит, 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 бейсбольному мячу), результат будет почти таким же, если бы классическая механика применялась к большим системам. был применен. Квантовая механика заменила классическую механику на фундаментальном уровне и незаменима для объяснения и предсказания процессов на молекулярном, атомном и субатомном уровне. Однако для макроскопических процессов классическая механика способна решать проблемы, которые являются неуправляемо сложными (в основном из-за вычислительных ограничений) в квантовой механике и, следовательно, остается полезной и широко используемой.Современные описания такого поведения начинаются с тщательного определения таких величин, как смещение (пройденное расстояние), время, скорость, ускорение, масса и сила. Однако примерно 400 лет назад движение объяснялось с совершенно другой точки зрения. Например, следуя идеям греческого философа и учёного Аристотеля, учёные рассуждали, что пушечное ядро падает вниз потому, что его естественное положение находится на Земле; Солнце, Луна и звезды движутся по кругу вокруг Земли, потому что небесным объектам свойственно путешествовать по идеальным кругам.
которого часто называют отцом современной науки, Галилей, объединил идеи других великих мыслителей своего времени и начал рассчитывать движение с точки зрения расстояния, пройденного от некоторой исходной точки, и времени, которое это заняло. Он показал, что скорость падающих предметов неуклонно возрастает во время их падения. Это ускорение одинаково для тяжелых предметов и для легких, если не учитывать трение воздуха (сопротивление воздуха). Английский математик и физик Исаак Ньютон усовершенствовал этот анализ, определив силу и массу и связав их с ускорением. Для объектов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, законы Ньютона были заменены Альберта Эйнштейна 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, то есть изучения того, что вызывает движение.
релятивистский
[ редактировать ]Подобно различию между квантовой и классической механикой, Альберта Эйнштейна расширили общая и специальная теории относительности рамки Ньютона и Галилея формулировок механики . Различия между релятивистской и ньютоновской механикой становятся существенными и даже доминирующими по мере приближения скорости тела к скорости света . Например, в механике Ньютона кинетическая энергия частицы свободной равна E = 1 / 2 mv 2 , тогда как в релятивистской механике это E = ( γ − 1) mc 2 (где γ — фактор Лоренца ; эта формула сводится к ньютоновскому выражению в пределе низких энергий). [17]
Для процессов с высокой энергией квантовая механика должна быть скорректирована с учетом специальной теории относительности; это привело к развитию квантовой теории поля . [18]
Профессиональные организации
[ редактировать ]- Отдел прикладной механики , Американское общество инженеров-механиков
- Отдел гидродинамики, Американское физическое общество
- Общество экспериментальной механики
- Институт инженеров-механиков является квалификационным органом Соединенного Королевства для инженеров-механиков и уже более 150 лет является домом для инженеров-механиков.
- Международный союз теоретической и прикладной механики
См. также
[ редактировать ]- Принципы действия
- Прикладная механика
- Динамика
- Инженерное дело
- Указатель статей по инженерным наукам и механике
- Кинематика
- Кинетика
- Неавтономная механика
- Статика
- Тест Визена на механические способности (WTMA)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «механика» . Оксфордский словарь английского языка . 1933 год.
- ^ Генри Джордж Лидделл; Роберт Скотт (1940). «механика» . Греко-английский лексикон .
- ^ Янг, Хью Д.; Роджер А. Фридман; А. Льюис Форд; Катажина Зультета Эструго (2020). Университетская физика Сирса и Земанского: с современной физикой (15-е изд.). Харлоу: Образование Пирсона. п. 62. ИСБН 978-1-292-31473-0 . OCLC 1104689918 .
- ^ Дюга, Рене. История классической механики. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Dover Publications Inc, 1988, стр. 19.
- ^ Рана, Северная Каролина, и Джоаг, PS Классическая механика. Вест Петал Нагар, Нью-Дели. Тата МакГроу-Хилл, 1991, стр. 6.
- ^ Ренн Дж., Дамероу П. и Маклафлин П. Аристотель, Архимед, Евклид и происхождение механики: перспектива исторической эпистемологии. Берлин: Институт истории науки Макса Планка, 2010, стр. 1–2.
- ^ Жмудь, Л. (2012). Пифагор и ранние пифагорейцы . ОУП Оксфорд. ISBN 978-0-19-928931-8 .
- ^ « История механики ». Рене Дюга (1988). стр.19. ISBN 0-486-65632-2
- ^ Jump up to: а б « Крошечный вкус истории механики ». Техасский университет в Остине.
- ^ Jump up to: а б Эспиноза, Фернандо (2005). «Анализ исторического развития идей о движении и его значения для обучения». Физическое образование . 40 (2): 141. Бибкод : 2005PhyEd..40..139E . дои : 10.1088/0031-9120/40/2/002 . S2CID 250809354 .
- ^ Сейед Хосейн Наср и Мехди Амин Разави (1996). Исламская интеллектуальная традиция в Персии . Рутледж . п. 72. ИСБН 978-0-7007-0314-2 .
- ^ Jump up to: а б Айдын Сайили (1987). «Ибн Сина и Буридан о движении снаряда». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 500 (1): 477–482. Бибкод : 1987NYASA.500..477S . дои : 10.1111/j.1749-6632.1987.tb37219.x . S2CID 84784804 .
- ^ Сосны, Шломо (1970). «Абул-Баракат аль-Багдади, Хибат Аллах». Словарь научной биографии . Том. 1. Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера. стр. 26–28. ISBN 0-684-10114-9 .
( см. Абель Б. Франко (октябрь 2003 г.). «Avempace, Projectile Motion и Impetus Theory», Journal of the History of Ideas 64 (4), стр. 521-546 [528].) - ^ Гутман, Оливер (2003), Псевдо-Авиценна, Liber Celi Et Mundi: критическое издание , Brill Publishers , стр. 193, ISBN 90-04-13228-7
- ^ Хилл, Дональд Рутледж (1996). История техники в классические и средневековые времена . Лондон: Рутледж. п. 143. ИСБН 0-415-15291-7 .
- ^ Уолтер Левин (4 октября 1999 г.). Работа, энергия и вселенская гравитация. Курс MIT 8.01: Классическая механика, лекция 11 (ogg) (видеокассета). Кембридж, Массачусетс США: MIT OCW . Событие происходит в 1:21-10:10 . Проверено 23 декабря 2010 г.
- ^ Ландау, Л.; Лифшиц Э. (15 января 1980 г.). Классическая теория полей (4-е исправленное английское изд.). Баттерворт-Хайнеманн. п. 27.
- ^ Вайнберг, С. (1 мая 2005 г.). Квантовая теория полей, Том 1: Основы (1-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. XXI. ISBN 0-521-67053-5 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Роберт Ставелл Болл (1871) «Экспериментальная механика» из книг Google .
- Ландау, LD ; Лифшиц, Э.М. (1972). Механика и электродинамика, Vol. 1 . Франклин Книжная компания, Inc. ISBN 978-0-08-016739-8 .
- «Практическая механика для мальчиков» (1914) Джеймса Слау Зербе .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Physclips: Механика с анимацией и видеоклипами от Университета Нового Южного Уэльса.
- Проект «Архимед»
