Механика

Эта статья о области научных исследований. Чтобы узнать о других значениях, см. Механика (значения) .

Механика (от древнегреческого : μηχανική , механик , букв. « Машин ») Это область физики, занимающаяся взаимоотношениями между силой , материей и движением между физическими объектами . 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. (см. «История классической механики» и «Хронология классической механики» ). В ранний современный период 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 них за пределами квантовой сферы.

История

Основные статьи: История классической механики и История квантовой механики.

Античность

Основная статья: аристотелевская механика

Древнегреческие философы были одними из первых, кто предположил, что природой управляют абстрактные принципы. Основной теорией механики в древности была аристотелевская механика , хотя альтернативная теория изложена в псевдоаристотелевских « Проблемах 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 . Примеры этой традиции включают псевдо- Евклида ( «О весах» ), Архимеда ( «О равновесии плоскостей» , «О плавающих телах» ), Героя ( «Механика» ) и Паппа ( «Сборник» , книга VIII).

Средневековый век

Основная статья: Теория импульса

Арабская машина в рукописи неизвестной даты

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. 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.

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 «старейшим 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]».

Под влиянием более ранних писателей, таких как Ибн Сина. и аль-Багдади, 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 Новое время

Первое европейское изображение поршневого насоса работы Такколы , ок. 1450 .

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 .

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 падающих 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

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

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

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

Основная статья: Классическая механика

Профессор Уолтер Левин объясняет закон гравитации Ньютона на Массачусетского технологического института. курсе 8.01

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.

Сколько

Основная статья: Квантовая механика

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 . Существенным в этом отношении является 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

Основная статья: Релятивистская механика

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 2мВ 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).

Для процессов с высокой энергией квантовая механика должна быть скорректирована с учетом специальной теории относительности; это привело к развитию квантовой теории поля .

Профессиональные организации

• 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

• 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)

Дальнейшее чтение

• 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 .

Внешние ссылки

• Physclips: Механика с анимацией и видеоклипами от Университета Нового Южного Уэльса.
• Проект «Архимед»