مفاهیم مکانیک کلاسیک مکانیک کلاسیک

همچنین ببینید: پورتال: فیزیک

مکانیک کلاسیک- نوع مکانیک (شاخه ای از فیزیک که قوانین تغییرات موقعیت اجسام در فضا با زمان و دلایل ایجاد کننده را مطالعه می کند) بر اساس قوانین نیوتن و اصل نسبیت گالیله. بنابراین، اغلب به آن " مکانیک نیوتنی».

مکانیک کلاسیکتقسیم شده به:

• استاتیک (که تعادل اجسام را در نظر می گیرد)
• سینماتیک (که ویژگی هندسی حرکت را بدون در نظر گرفتن علل آن مطالعه می کند)
• دینامیک (که به حرکت اجسام می پردازد).

چندین روش معادل برای توصیف ریاضی رسمی مکانیک کلاسیک وجود دارد:

• فرمالیسم لاگرانژی
• فرمالیسم همیلتونی

مکانیک کلاسیک نتایج بسیار دقیقی می دهد اگر کاربرد آن محدود به اجسامی باشد که سرعت آنها بسیار کمتر از سرعت نور و ابعاد آنها بسیار بزرگتر از اندازه اتم ها و مولکول ها باشد. تعمیم مکانیک کلاسیک به اجسامی که با سرعت دلخواه حرکت می کنند مکانیک نسبیتی است و برای اجسامی که ابعاد آنها با ابعاد اتمی قابل مقایسه است مکانیک کوانتومی است. نظریه میدان کوانتومی با اثرات نسبیتی کوانتومی سر و کار دارد.

با این حال، مکانیک کلاسیک اهمیت خود را حفظ می کند زیرا:

1. درک و استفاده از آن بسیار ساده تر از سایر نظریه ها است
2. در طیف وسیعی، واقعیت را به اندازه کافی خوب توصیف می کند.

مکانیک کلاسیک را می توان برای توصیف حرکت اجسامی مانند فرفره و توپ بیسبال، بسیاری از اجرام نجومی (مانند سیارات و کهکشان ها) و گاهی اوقات حتی بسیاری از اجرام میکروسکوپی مانند مولکول ها استفاده کرد.

مکانیک کلاسیک یک نظریه خودسازگار است، یعنی در چارچوب آن، هیچ گزاره ای وجود ندارد که با یکدیگر در تضاد باشد. با این حال، ترکیب آن با سایر نظریه های کلاسیک، مانند الکترودینامیک کلاسیک و ترمودینامیک، منجر به ظهور تضادهای غیر قابل حل می شود. به طور خاص، الکترودینامیک کلاسیک پیش بینی می کند که سرعت نور برای همه ناظران ثابت است، که با مکانیک کلاسیک ناسازگار است. در آغاز قرن بیستم، این امر منجر به نیاز به ایجاد یک نظریه نسبیت خاص شد. هنگامی که مکانیک کلاسیک در ارتباط با ترمودینامیک در نظر گرفته می شود، منجر به پارادوکس گیبس می شود، که در آن تعیین دقیق میزان آنتروپی غیرممکن است، و به یک فاجعه ماوراء بنفش، که در آن یک جسم سیاه باید مقدار بی نهایت انرژی ساطع کند. تلاش برای حل این مشکلات منجر به ظهور و توسعه مکانیک کوانتومی شد.

مفاهیم اساسی

مکانیک کلاسیک با چندین مفهوم و مدل اساسی عمل می کند. از جمله آنها باید برجسته شود:

قوانین اساسی

اصل نسبیت گالیله

اصل اصلی که مکانیک کلاسیک بر آن استوار است، اصل نسبیت است که بر اساس مشاهدات تجربی توسط G. Galileo فرموله شده است. بر اساس این اصل، بی‌نهایت چارچوب‌های مرجع وجود دارد که در آنها یک جسم آزاد در حالت سکون است یا با سرعت ثابت در قدر مطلق و جهت حرکت می‌کند. این چارچوب های مرجع اینرسی نامیده می شوند و نسبت به یکدیگر به طور یکنواخت و مستقیم حرکت می کنند. در تمام قاب های مرجع اینرسی، خواص مکان و زمان یکسان است و همه فرآیندها در سیستم های مکانیکی از قوانین یکسانی تبعیت می کنند. این اصل را می‌توان به‌عنوان عدم وجود چارچوب‌های مرجع مطلق، یعنی چارچوب‌های مرجعی که به نحوی نسبت به سایرین متمایز می‌شوند، صورت‌بندی کرد.

قوانین نیوتن

اساس مکانیک کلاسیک سه قانون نیوتن است.

قانون دوم نیوتن برای توصیف حرکت یک ذره کافی نیست. علاوه بر این، توصیف نیرو مورد نیاز است که از در نظر گرفتن جوهر تعامل فیزیکی که بدن در آن شرکت می کند به دست می آید.

قانون بقای انرژی

قانون بقای انرژی نتیجه قوانین نیوتن برای سیستم های بسته محافظه کار است، یعنی سیستم هایی که در آنها فقط نیروهای محافظه کار عمل می کنند. از دیدگاه اساسی تر، رابطه ای بین قانون بقای انرژی و همگنی زمان وجود دارد که توسط قضیه نوتر بیان شده است.

فراتر از کاربرد قوانین نیوتن

مکانیک کلاسیک همچنین شامل توصیفی از حرکات پیچیده اجسام غیر نقطه ای گسترده است. قوانین اویلر گسترشی از قوانین نیوتن را به این حوزه ارائه می کند. مفهوم تکانه زاویه ای بر اساس همان روش های ریاضی مورد استفاده برای توصیف حرکت یک بعدی است.

معادلات حرکت یک موشک مفهوم سرعت را، زمانی که تکانه یک جسم در طول زمان تغییر می‌کند، گسترش می‌دهد تا تأثیری مانند کاهش جرم را در نظر بگیرد. دو فرمول جایگزین مهم مکانیک کلاسیک وجود دارد: مکانیک لاگرانژ و مکانیک هامیلتونی. این فرمول‌بندی‌ها و دیگر فرمول‌های مدرن تمایل دارند مفهوم «نیرو» را دور بزنند و بر دیگر کمیت‌های فیزیکی مانند انرژی یا عمل تأکید کنند تا سیستم‌های مکانیکی را توصیف کنند.

عبارات فوق برای تکانه و انرژی جنبشی تنها در صورت عدم وجود سهم الکترومغناطیسی قابل توجه معتبر هستند. در الکترومغناطیس، قانون دوم نیوتن برای سیم با جریان در صورتی نقض می شود که سهم میدان الکترومغناطیسی در تکانه سیستم بیان شده از طریق بردار Poynting تقسیم بر را شامل نشود. ج 2، کجا جسرعت نور در فضای آزاد است.

تاریخ

زمان باستان

مکانیک کلاسیک در دوران باستان عمدتاً به دلیل مشکلاتی بود که در طول ساخت و ساز بوجود آمد. اولین بخش از مکانیک که توسعه یافت، استاتیک بود که پایه های آن در آثار ارشمیدس در قرن سوم قبل از میلاد گذاشته شد. NS. او قاعده اهرم را فرموله کرد، قضیه جمع نیروهای موازی، مفهوم مرکز ثقل را معرفی کرد، پایه های هیدرواستاتیک (نیروی ارشمیدس) را بنا نهاد.

قرون وسطی

زمان جدید

قرن 17

قرن هجدهم

قرن 19

در قرن 19 توسعه مکانیک تحلیلی در آثار اوستروگرادسکی، همیلتون، ژاکوبی، هرتز و دیگران صورت گرفت.در نظریه نوسانات، روث، ژوکوفسکی و لیاپانوف نظریه پایداری سیستم های مکانیکی را توسعه دادند. کوریولیس با اثبات قضیه ای در مورد تجزیه شتاب به اجزاء، نظریه حرکت نسبی را توسعه داد. در نیمه دوم قرن نوزدهم، سینماتیک به بخش جداگانه ای از مکانیک تقسیم شد.

پیشرفت در زمینه مکانیک پیوسته به ویژه در قرن 19 قابل توجه بود. ناویر و کوشی معادلات نظریه کشش را به صورت کلی فرموله کردند. در آثار ناویر و استوکس، معادلات دیفرانسیل هیدرودینامیک با در نظر گرفتن ویسکوزیته مایع به دست آمد. در کنار این، دانش عمیق تر در زمینه هیدرودینامیک سیال ایده آل وجود دارد: آثار هلمهولتز در مورد گرداب ها، کیرشهوف، ژوکوفسکی و رینولدز در مورد آشفتگی، پراندتل در مورد اثرات مرزی ظاهر می شوند. سنت ونانت یک مدل ریاضی برای توصیف خواص پلاستیکی فلزات ایجاد کرد.

جدیدترین زمان

در قرن بیستم، علاقه محققان به اثرات غیرخطی در زمینه مکانیک کلاسیک تغییر می کند. لیاپانوف و هانری پوانکاره پایه های تئوری نوسانات غیرخطی را پایه ریزی کردند. مشچرسکی و تسیولکوفسکی دینامیک اجسام با جرم متغیر را تجزیه و تحلیل کردند. از مکانیک یک محیط پیوسته، آیرودینامیک متمایز است که پایه های آن توسط ژوکوفسکی ایجاد شده است. در اواسط قرن بیستم، یک جهت جدید در مکانیک کلاسیک به طور فعال در حال توسعه است - نظریه آشوب. مسائل پایداری سیستم های دینامیکی پیچیده نیز همچنان مهم است.

محدودیت های مکانیک کلاسیک

مکانیک کلاسیک نتایج دقیقی را برای سیستم هایی که ما در آنها ملاقات می کنیم به دست می دهد زندگی روزمره... اما پیش‌بینی‌های آن برای سیستم‌هایی که سرعت آنها به سرعت نور نزدیک می‌شود، جایی که مکانیک نسبیتی جایگزین آن می‌شود، یا برای سیستم‌های بسیار کوچکی که قوانین مکانیک کوانتومی در آن‌ها عمل می‌کنند، نادرست است. برای سیستم هایی که هر دوی این ویژگی ها را ترکیب می کنند، به جای مکانیک کلاسیک از نظریه میدان کوانتومی نسبیتی استفاده می شود. برای سیستم هایی با تعداد بسیار زیاد اجزا یا درجه آزادی، مکانیک کلاسیک نیز نمی تواند مناسب باشد، اما از روش های مکانیک آماری استفاده می شود.

مکانیک کلاسیک به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد زیرا اولاً کاربرد آن بسیار ساده تر و آسان تر از تئوری های ذکر شده در بالا است و ثانیاً امکان تقریب و کاربرد زیادی برای کلاس بسیار گسترده ای از اشیاء فیزیکی دارد که از موارد معمول شروع می شود. مانند یک توپ یا یک توپ، به اجرام نجومی بزرگ (سیاره ها، کهکشان ها) و بسیار میکروسکوپی (مولکول های آلی).

اگرچه مکانیک کلاسیک به طور کلی با سایر نظریه های کلاسیک مانند الکترودینامیک کلاسیک و ترمودینامیک سازگار است، برخی از ناسازگاری هایی بین این نظریه ها وجود دارد که در اواخر قرن نوزدهم یافت شد. آنها را می توان با روش های فیزیک مدرن تر حل کرد. به طور خاص، معادلات الکترودینامیک کلاسیک تحت تبدیل گالیله ثابت نیستند. سرعت نور به عنوان یک ثابت وارد آنها می شود، به این معنی که الکترودینامیک کلاسیک و مکانیک کلاسیک می توانند تنها در یک چارچوب مرجع انتخاب شده، متصل به اتر، سازگار باشند. با این حال، تأیید تجربی وجود اتر را آشکار نکرد که منجر به ایجاد شد نظریه خاصنسبیت، که در آن معادلات مکانیک اصلاح شد. اصول مکانیک کلاسیک نیز با برخی اظهارات ترمودینامیک کلاسیک ناسازگار است، که منجر به پارادوکس گیبس می شود، که طبق آن تعیین دقیق آنتروپی غیرممکن است، و به فاجعه ماوراء بنفش، که در آن یک جسم سیاه باید مقدار بی نهایت ساطع کند. انرژی برای غلبه بر این ناسازگاری ها، مکانیک کوانتومی.

یادداشت ها (ویرایش)

لینک های اینترنتی

• سخنرانی تصویری 1. فیزیک: مکانیک کلاسیک (پاییز 1999)// سخنرانی های ماساچوست موسسه فناوری: 8.01

ادبیات

• آرنولد وی.آی. اوتس آ.مسائل ارگودیک مکانیک کلاسیک .. - RKhD، 1999. - 284 p.
• B. M. Yavorsky، A. A. Detlaf.فیزیک برای دانش آموزان دبیرستانی و کسانی که وارد دانشگاه می شوند. - م .: آکادمی، 2008 .-- 720 ص. - ( آموزش عالی). - 34000 نسخه - شابک 5-7695-1040-4
• Sivukhin D.V. دوره عمومیفیزیک. - نسخه 5، کلیشه ای. - مسکو: Fizmatlit، 2006. - T. I. Mechanics. - 560 ص. - شابک 5-9221-0715-1
• A. N. Matveev.مکانیک و نظریه نسبیت. - ویرایش سوم - M .: ONIX قرن 21: صلح و آموزش، 2003. - 432 ص. - 5000 نسخه. - شابک 5-329-00742-9
• C. Kittel، W. Knight، M. Rudermanمکانیک. دوره فیزیک برکلی - M .: Lan, 2005 .-- 480 p. - (کتاب های درسی دانشگاه ها). - 2000 نسخه. - شابک 5-8114-0644-4

به فوایدی که نمونه های خوب برای ما به ارمغان می آورد بیندیشید و خواهید دید که به یاد آوردن افراد بزرگ کمتر از حضور آنها مفید نیست.

مکانیک یکی از بهترین هاست کهنعلوم تحت تأثیر به وجود آمد و توسعه یافت درخواست های تمرین عمومیو همچنین با تشکر از فعالیت انتزاعی تفکر انسان... حتی در دوران ماقبل تاریخ نیز مردم ساختمان هایی ایجاد می کردند و حرکت اجسام مختلف را مشاهده می کردند. زیاد قوانین حرکت مکانیکی و تعادل اجسام مادیبشریت از طریق تکرارهای متعدد، صرفاً آموخته است بصورت تجربی... این تجربه اجتماعی و تاریخی،از نسلی به نسل دیگر منتقل شد و یکی بود مواد اولیه در تجزیه و تحلیل که مکانیک به عنوان یک علم توسعه یافته است. پیدایش و توسعه مکانیکاز نزدیک مرتبط بود تولید، با نیاز داردجامعه بشری. انگلس می نویسد: «در مرحله معینی از توسعه کشاورزی - در برخی کشورها (افزایش آب برای آبیاری در مصر) و به ویژه همراه با پیدایش شهرها، ساختمان های بزرگ و توسعه صنایع دستی، توسعه یافت. مکانیک... به زودی برای کشتیرانی و امور نظامی نیز ضروری می شود.

اولیننسخ خطی و گزارش های علمی باقی مانده در زمینه مکانیک متعلق است دانشمندان باستانی مصر و یونان... قدیمی‌ترین پاپیروس‌ها و کتاب‌هایی که در آنها مطالعات برخی از ساده‌ترین مسائل مکانیک حفظ شده‌اند، عمدتاً به مسائل مختلف مربوط می‌شوند. استاتیک، یعنی نظریه تعادل... پیش از هر چیز در اینجا لازم است از آثار یک فیلسوف برجسته نام ببریم یونان باستان(384-322 قبل از میلاد) که این نام را وارد اصطلاحات علمی کرد مکانیکبرای حوزه وسیعی از دانش بشری که در آن ساده ترین حرکات اجسام مادی مورد مطالعه قرار می گیرد، در طبیعت مشاهده می شود و توسط شخص در طول فعالیت های خود ایجاد می شود.

ارسطودر مستعمره یونانی Stagira در تراکیه متولد شد. پدرش پزشک پادشاه مقدونی بود. ارسطو در سال 367 در آتن اقامت گزید و در آنجا تحصیلات فلسفی خود را در آکادمی فیلسوف ایده آلیست مشهور یونانی دریافت کرد. افلاطون... در سال 343 ارسطو این مکان را گرفت معلم اسکندر مقدونی(اسکندر کبیر گفت: "من ارسطو را به طور مساوی با پدرم ارج می نهم، زیرا اگر جانم را مدیون پدرم باشم، ارسطو هر چیزی را که به آن قیمت می دهد مدیون است")، بعدها فرمانده مشهور. دنیای باستان... من مکتب فلسفیکه نام مدرسه را دریافت کرد مشائیانارسطو در سال 335 در آتن تأسیس شد. برخی از مواضع فلسفی ارسطو تا به امروز اهمیت خود را از دست نداده است. اف. انگلس نوشت; «فیلسوفان یونان باستان همگی دیالکتیک‌دان‌های خودبه‌خودی به دنیا آمده بودند، و ارسطو، جهانی‌ترین رئیس در میان آنها، قبلاً تمام اشکال اساسی تفکر دیالکتیکی را بررسی کرده بود». اما در زمینه مکانیک، این قوانین گسترده جهانی تفکر بشری به طور پرباری در آثار ارسطو منعکس نشد.

ارشمیدس صاحب تعداد زیادی است اختراعات فنی، از جمله ساده ترین دستگاه بالابر آب (پیچ ارشمیدس)که در مصر برای زهکشی زمین های فرهنگی پرآب کاربرد پیدا کرد. خودش را نشان داد و چگونه مهندس نظامیدر حالی که از زادگاهش سیراکوز (سیسیل) دفاع می کرد. ارشمیدس قدرت و اهمیت زیادی را برای بشریت دقیق و سیستماتیک درک کرد تحقیق علمیو کلمات غرورآمیز به او نسبت داده شده است: به من جایی بدهید که روی آن بایستم و من زمین را حرکت خواهم داد.»

ارشمیدس در جریان قتل عام توسط رومیان در جریان تصرف سیراکوز با شمشیر یک سرباز رومی کشته شد. سنت می گوید که ارشمیدس غوطه ور در توجه به اشکال هندسی به سربازی که به او نزدیک شد گفت: "به نقاشی های من دست نزن." سرباز که در این کلمات توهینی به قدرت پیروزمندان دید، سرش را برید و خون ارشمیدس کار علمی او را رنگین کرد.

ستاره شناس معروف دوران باستان بطلمیوس(قرن دوم پس از میلاد - شواهدی وجود دارد که بطلمیوس (کلودیوس بطلمیوس) از سال 127 تا 141 یا 151 در اسکندریه زندگی و کار می کرده است، طبق روایات عرب، او در سن 78 سالگی درگذشت.) در اثر خود " ساخت ریاضی بزرگ نجوم در 13 کتابیک سیستم زمین مرکزی از جهان ایجاد کرد که در آن حرکات ظاهری فلک و سیارات با این فرض که زمین ساکن است و در مرکز کیهان قرار دارد توضیح داده شد. کل فلک در 24 ساعت یک دور کامل به دور زمین می‌چرخاند و ستارگان فقط در حرکت روزانه شرکت می‌کنند و موقعیت نسبی خود را بدون تغییر نگه می‌دارند. علاوه بر این، سیارات نسبت به کره آسمانی حرکت می کنند و موقعیت خود را نسبت به ستارگان تغییر می دهند. قوانین حرکت ظاهری سیارات توسط بطلمیوس به حدی تنظیم شد که پیش بینی موقعیت آنها نسبت به کره ستارگان ثابت ممکن شد.

با این حال، نظریه بطلمیوس در مورد ساختار جهان اشتباه بود; این امر منجر به الگوهای غیرمعمول پیچیده و مصنوعی حرکت سیارات شد و در تعدادی از موارد نتوانست جابجایی ظاهری آنها را نسبت به ستارگان به طور کامل توضیح دهد. به خصوص اختلافات زیادی بین محاسبات و مشاهدات هنگام پیش‌بینی خورشیدگرفتگی و ماه گرفتگی که سال‌ها پیش انجام شده بود، به دست آمد.

بطلمیوس کاملاً به روش شناسی ارسطو پایبند نبود و آزمایشات سیستماتیکی در مورد شکست نور انجام داد. مشاهدات فیزیولوژیکی و نوریبطلمیوس علاقه خود را تا به امروز از دست نداده است. زوایای انکسار نور که او در طی انتقال از هوا به آب، از هوا به شیشه و از آب به شیشه پیدا کرد. خیلی دقیقبرای زمان خود بطلمیوس به طرز چشمگیری با هم ترکیب شد ریاضیدان سخت گیر و آزمایشگر پیچیده.

در عصر قرون وسطی، پیشرفت همه علوم و همچنین مکانیک به شدت بود کند شد... به علاوه در این سالها ارزشمندترین آثار علم، فناوری و هنر پیشینیان ویران و ویران شد. متعصبان مذهبی همه دستاوردهای علم و فرهنگ را از روی زمین محو کردند. اکثر دانشمندان این دوره کورکورانه به روش مکتبی ارسطو در رشته مکانیک پایبند بودند و تمام موارد مندرج در نوشته های این دانشمند را کاملاً صحیح می دانستند. سیستم ژئومرکزی جهان بطلمیوسی قدیس شد. سخنان علیه این نظام جهان و مفاد اصلی فلسفه ارسطو نقض مبانی کتاب مقدس تلقی شد و محققانی که تصمیم به این کار گرفتند اعلام کردند. بدعت گذاران... لنین می نویسد: «پوپویسم در ارسطو زندگان را کشت و مردگان را ماندگار کرد. مکتب مرده و توخالی صفحات بسیاری از رساله ها را پر کرد. مشکلات مضحکی مطرح شد و دانش دقیق آزار و اذیت و بیمارگونه بود. تعداد زیادی از آثار مکانیک در قرون وسطی به یافتن " موبایل دائمی"، یعنی. دستگاه حرکت دائمیبدون دریافت انرژی از بیرون کار می کند. بیشتر این آثار کمک چندانی به پیشرفت مکانیک نکردند (ایدئولوژی قرون وسطی توسط محمد به خوبی بیان شده است و می گوید: "اگر علوم آنچه در قرآن نوشته شده را آموزش می دهند، زائد هستند و اگر چیز دیگری را آموزش می دهند، اینها هستند. بی خدا و جنایتکار"). اف. انگلس در کتاب دیالکتیک طبیعت می گوید: «قرون وسطای مسیحی چیزی برای علم باقی نگذاشت.

توسعه فشرده مکانیک در آغاز شد رنسانساز آغاز قرن 15 در ایتالیا و سپس در کشورهای دیگر. در این عصر، به ویژه پیشرفت های زیادی در توسعه مکانیک به لطف کار حاصل شد (1452-1519)، (1473-1543) و گالیله (1564-1642).

نقاش، ریاضیدان، مکانیک و مهندس معروف ایتالیایی، لئوناردو داوینچیمشغول تحقیق در مورد تئوری مکانیسم ها بود (او یک ماشین تراش بیضوی ساخت)، اصطکاک در ماشین ها را مطالعه کرد، حرکت آب در لوله ها و حرکت اجسام را در امتداد یک صفحه شیب دار بررسی کرد. او اولین کسی بود که اهمیت فوق العاده مفهوم جدید مکانیک - لحظه نیرو نسبت به یک نقطه را تشخیص داد. وی با بررسی تعادل نیروهای وارد بر بلوک دریافت که طول عمود که از نقطه ثابت بلوک به سمت طناب حامل بار پایین می آید، نقش شانه نیرو را ایفا می کند. تعادل بلوک فقط در صورتی امکان پذیر است که حاصل ضرب نیروها در طول عمودهای مربوطه برابر باشد. به عبارت دیگر تعادل بلوک تنها در شرایطی امکان پذیر است که مجموع گشتاورهای ساکن نیروها نسبت به نقطه افزایش وزن بلوک برابر با صفر باشد.

یک تحول انقلابی در دیدگاه ها در مورد ساختار جهان توسط یک دانشمند لهستانی ایجاد شد که همانطور که به صورت مجازی روی بنای تاریخی خود در ورشو نوشته شده است، "خورشید را متوقف کرد و زمین را به حرکت درآورد." جدید، سیستم هلیوسنتریک جهانحرکت سیارات را با توجه به اینکه خورشید مرکز ثابتی است توضیح داد که همه سیارات به صورت دایره ای به دور آن حرکت می کنند. در اینجا عبارت اصلی کوپرنیک است که از اثر جاودانه او گرفته شده است: "آنچه ما به عنوان حرکت خورشید تصور می کنیم از حرکت آن نیست، بلکه از حرکت زمین و کره آن است که با آن به دور خورشید می چرخیم. مثل هر سیاره دیگری بنابراین، زمین بیش از یک حرکت دارد. حرکات ساده و رو به عقب قابل مشاهده سیارات به دلیل حرکت آنها نیست، بلکه حرکت زمین است. بنابراین، یک حرکت زمین برای توضیح این همه نابرابری قابل مشاهده در آسمان کافی است.

در کار کوپرنیک، ویژگی اصلی حرکت سیارات آشکار شد و محاسبات مربوط به پیش بینی خورشید گرفتگی و ماه گرفتگی انجام شد. توضیحات مربوط به حرکات ظاهری مکرر عطارد، زهره، مریخ، مشتری و زحل نسبت به کره ستارگان ثابت، واضح، متمایز و ساده شده است. کوپرنیک به وضوح سینماتیک حرکت نسبی اجسام در فضا را درک کرد. او می نویسد: «هر تغییری در موقعیت به دلیل حرکت شیء مشاهده شده یا ناظر و یا در اثر حرکت هر دو اتفاق می افتد، اگر البته متفاوت باشند; زیرا هنگامی که شیء مشاهده شده و ناظر در یک جهت و در یک جهت حرکت کنند، هیچ حرکتی بین شیء مشاهده شده و ناظر دیده نمی‌شود.»

واقعا علمینظریه کوپرنیک به دست آوردن تعدادی از نتایج مهم عملی را ممکن کرد: افزایش دقت جداول نجومی، اصلاح تقویم (معرفی سبک جدید) و تعیین دقیق تر طول سال.

آثار دانشمند برجسته ایتالیایی گالیلهبرای توسعه اساسی بودند بلندگوها.
دینامیک به عنوان یک علم توسط گالیله پایه گذاری شد بسیاری از خواص بسیار مهم حرکات با سرعت یکسان و به همان اندازه کند را کشف کرد.پایه های این علم جدید توسط گالیله در کتابی با عنوان مکالمات و اثبات های ریاضی در مورد دو شاخه جدید علم، مکانیک و حرکت محلی مطرح شد. در فصل سوم در مورد دینامیک، گالیله می نویسد: «ما ایجاد می کنیم علم جدیدکه موضوع آن بسیار قدیمی است. هیچ چیز در طبیعت قدیمی‌تر از حرکت نیست، اما فیلسوفان در مورد آن نوشته اند. بنابراین، من بارها و بارها با تجربه ویژگی های آن را مطالعه کرده ام، که کاملاً شایسته است، اما تاکنون یا ناشناخته یا اثبات نشده است. مثلاً می گویند حرکت طبیعی جسم در حال سقوط، حرکت شتاب دار است. با این حال، میزان افزایش شتاب هنوز مشخص نشده است. تا آنجا که من می دانم، هیچ کس هنوز ثابت نکرده است که فضاهایی که توسط یک جسم در حال سقوط در فواصل زمانی یکسان طی می شود، به صورت متوالی به یکدیگر مربوط می شوند. اعداد فرد... همچنین مشاهده شد که اجسام یا پرتابه های پرتاب شده یک خط منحنی خاص را توصیف می کنند، اما هیچ کس نشان نداد که این خط یک سهمی است.

گالیله گالیله (1564-1642)

قبل از گالیله، نیروهای وارد بر اجسام معمولاً در حالت تعادل در نظر گرفته می شدند و عمل نیروها فقط با روش های ایستا (اهرم، مقیاس) اندازه گیری می شد. گالیله اشاره کرد که نیرو علت تغییر سرعت است و در نتیجه ایجاد می شود روش پویا مقایسه عملکرد نیروها تحقیقات گالیله در زمینه مکانیک نه تنها به دلیل نتایجی که او به دست آورد، بلکه برای معرفی مداوم او به مکانیک نیز مهم است. تجربیروش مطالعه حرکات

بنابراین، به عنوان مثال، قانون هم زمان بودن نوسانات یک آونگ در زوایای انحراف کوچک، قانون حرکت یک نقطه در امتداد یک صفحه شیبدار توسط گالیله از طریق آزمایش های دقیق انجام شده بررسی شد.

به لطف کار گالیله، توسعه مکانیک کاملاً با خواسته ها مرتبط است فن آوری،و آزمایش علمیبه طور سیستماتیک به عنوان مثمر ثمر معرفی می شود روش تحقیقپدیده های حرکت مکانیکی گالیله در مکالمات خود مستقیماً می گوید که مشاهدات روی کار استادان "اولین" در زرادخانه ونیزی و گفتگو با آنها به او کمک کرد تا بفهمد "دلایل پدیده ها نه تنها شگفت انگیز، بلکه در ابتدا کاملاً باورنکردنی به نظر می رسید." بسیاری از مفاد مکانیک ارسطو توسط گالیله (مانند قانون اضافه کردن حرکات) اصلاح شد یا با استدلال منطقی کاملاً هوشمندانه رد شد (در آن زمان ابطال با تنظیم آزمایشات ناکافی تلقی می شد). ما در اینجا برای مشخص کردن سبک، اثبات گالیله را ارائه می دهیم. رد کردنموضع ارسطو مبنی بر اینکه اجسام سنگین روی سطح زمین سریعتر می افتند و اجسام سبک کندتر. استدلال به صورت گفتگوی بین یکی از پیروان گالیله (سالویاتی) و ارسطو (سیمپلیسیو) است:

« سالویاتی: ... بدون آزمایش های بیشتر، با استدلالی کوتاه اما قانع کننده، می توانیم به وضوح نادرستی این جمله را نشان دهیم که اجسام سنگین تر سریعتر از اجسام سبک تر حرکت می کنند، یعنی اجسامی از همان ماده، یعنی آنهایی که ارسطو در مورد آنها صحبت می کند. ... در واقع، به من بگو، سنور سیمپلیسیو، آیا تشخیص می‌دهی که هر جسمی که در حال سقوط است سرعت خاصی در طبیعت دارد که فقط با معرفی می‌توان آن را کم یا زیاد کرد. قدرت جدیدیا موانع؟
Simplicio:من شک ندارم که یک جسم در یک محیط دارای سرعت ثابتی است که طبیعت آن را تعیین می کند، که نمی تواند به غیر از اعمال نیروی جدید افزایش یابد یا به غیر از مانعی که حرکت را کند می کند، کاهش یابد.
سالویاتیبنابراین، اگر دو جسم در حال سقوط داشته باشیم که سرعت‌های طبیعی آن‌ها متفاوت است و حرکت سریع‌تر را با حرکت کندتر ترکیب کنیم، مشخص می‌شود که حرکت جسمی که سریع‌تر سقوط می‌کند تا حدودی به تأخیر می‌افتد. بقیه کمی شتاب خواهند گرفت. آیا به این وضعیت اهمیت نمی دهید؟
Simplicio:به نظر من این کاملا درست است.
سالویاتی: اما اگر چنین است و در عین حال درست است که یک سنگ بزرگ مثلاً با سرعت هشت ذراع حرکت می کند و دیگری کوچکتر با سرعت چهار ذراع، با اتصال آنها به یکدیگر، ما باید سرعت کمتر از هشت آرنج بگیریم. با این حال، دو سنگ به هم پیوسته بدنه بزرگتر از سنگ اصلی را تشکیل می دهند که سرعت آن هشت ذراع بود. بنابراین، معلوم می شود که بدن سنگین تر با سرعت کمتری نسبت به بدن سبک تر حرکت می کند و این برخلاف تصور شما است. اکنون می بینید که چگونه از موقعیتی که اجسام سنگین تر با سرعت بیشتری نسبت به اجسام سبک حرکت می کنند، می توانم نتیجه بگیرم که اجسام سنگین تر با سرعت کمتری حرکت می کنند.

پدیده سقوط یکنواخت یک جسم بر روی زمین توسط دانشمندان بسیاری قبل از گالیله مشاهده شده بود، اما هیچ یک از آنها قادر به کشف علل واقعی و قوانین صحیح توضیح دهنده این پدیده های روزمره نبودند. لاگرانژ در این رابطه خاطرنشان می‌کند که «برای کشف قوانین طبیعت در چنین پدیده‌هایی که همیشه در برابر چشمان ما بودند، اما توضیح آن‌ها همیشه از بررسی‌های فیلسوفان دور بود، به یک نابغه خارق‌العاده نیاز بود».

بنابراین، گالیله پیشگام دینامیک مدرن بود... گالیله به وضوح قوانین اینرسی و عمل مستقل نیروها را در شکل مدرن آنها درک می کرد.

گالیله یک اخترشناس ناظر برجسته و حامی سرسخت جهان بینی خورشید محور بود. گالیله با بهبود چشمگیر تلسکوپ، مراحل زهره، قمرهای مشتری و لکه های خورشیدی را کشف کرد. او مبارزه ای مداوم و ماتریالیستی را علیه مکتب گرایی ارسطو، سیستم ویران شده بطلمیوس، قوانین ضد علمی کلیسای کاتولیک به راه انداخت. گالیله یکی از بزرگان علم است که می‌دانست چگونه قدیمی‌ها را بشکند و نو خلق کند، علی‌رغم هر مانعی، با وجود همه چیز.
کار گالیله ادامه یافت و توسعه یافت (1629-1695)، که توسعه یافت نظریه نوسانات یک آونگ فیزیکیو نصب کرد قوانین عمل نیروهای گریز از مرکزهویگنس تئوری حرکات شتابدار و کند شده یک نقطه (حرکت انتقالی یک جسم) را به سیستم مکانیکی نقاط گسترش داد. این یک گام مهم به جلو بود، زیرا امکان مطالعه حرکت چرخشی یک جسم صلب را فراهم کرد. هویگنس مفهومی را وارد مکانیک کرد ممان اینرسی بدن نسبت به محورو به اصطلاح " مرکز نوسان "آونگ فیزیکی هویگنز هنگام تعیین مرکز نوسان یک آونگ فیزیکی از این اصل پیروی کرد که "سیستمی از اجسام سنگین که تحت تأثیر گرانش حرکت می کنند نمی توانند حرکت کنند تا مرکز ثقل کلی اجسام بالاتر از موقعیت اولیه قرار گیرد." هویگنس نیز خود را به عنوان یک مخترع نشان داد. او طراحی یک ساعت آونگی را ایجاد کرد، تعادل تنظیم کننده ساعت جیبی را اختراع کرد، بهترین لوله های نجومی آن زمان را ساخت و اولین کسی بود که حلقه سیاره زحل را به وضوح دید.

پیدایش مکانیک کلاسیک آغازی بود برای تبدیل فیزیک به یک علم دقیق، یعنی سیستمی از دانش که صحت، عینیت، اعتبار و تأیید پذیری اصول اولیه و نتایج نهایی آن را تأیید می کند. این اتفاق در قرن 16-17 رخ داد و با نام های گالیله گالیله، رنه دکارت و اسحاق نیوتن همراه است. آنها بودند که "ریاضی سازی" طبیعت را انجام دادند و پایه های نگاه تجربی-ریاضی به طبیعت را پی ریزی کردند. آنها طبیعت را به عنوان مجموعه ای از نقاط "ماده" با ویژگی های مکانی-هندسی (شکل)، کمی-ریاضی (تعداد، قدر) و مکانیکی (حرکت) و روابط علت و معلولی مرتبط ارائه کردند که می تواند در معادلات ریاضی بیان شود.

تبدیل فیزیک به یک علم دقیق توسط G. Galileo آغاز شد. گالیله تعدادی از اصول و قوانین اساسی مکانیک را تدوین کرد. برای مثال:

- اصل اینرسی, بر اساس آن، هنگامی که جسمی در امتداد یک صفحه افقی حرکت می کند، بدون اینکه با هیچ مقاومتی در برابر حرکت مواجه شود، حرکت آن یکنواخت است و اگر صفحه بدون انتها در فضا امتداد یابد، دائماً ادامه می یابد.

- اصل نسبیتکه طبق آن در سیستم های اینرسی تمام قوانین مکانیک یکسان است و با قرار گرفتن در داخل امکان تعیین اینکه آیا به صورت مستقیم و یکنواخت حرکت می کند یا در حالت سکون وجود ندارد.

- اصل حفظ سرعتو حفظ فواصل مکانی و زمانی در طول انتقال از یک سیستم اینرسی به سیستم دیگر. این معروف تبدیل گالیله.

دیدگاه کل نگریک سیستم منطقی-ریاضی سازمان یافته از مفاهیم اساسی، اصول و قوانین مکانیک دریافت شده در آثار اسحاق نیوتن. ابتدا نیوتن در اثر «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» مفاهیم زیر را مطرح می کند: وزنیا مقدار ماده، اینرسییا خاصیت بدن برای مقاومت در برابر تغییر حالت استراحت یا حرکت، وزنبه عنوان معیار جرم، زور، یا اقدامی که روی بدن برای تغییر حالت آن انجام می شود.

نیوتن بین فضا و زمان مطلق (واقعی، ریاضی) که به اجسام واقع در آنها بستگی ندارند و همیشه با خودشان برابر هستند و مکان و زمان نسبی - قسمتهای متحرک فضا و مدت زمان اندازه گیری شده تمایز قائل شد.

جایگاه ویژه ای در مفهوم نیوتن توسط دکترین از جاذبه زمینیا جاذبه، که در آن حرکت اجرام «آسمانی» و زمینی را ترکیب می کند. این آموزش شامل عباراتی است:

شدت جسم متناسب با مقدار ماده یا جرم آن است.

گرانش متناسب با جرم است.

جاذبه یا جاذبهو نیرویی وجود دارد که بین زمین و ماه به نسبت معکوس با مجذور فاصله بین آنها عمل می کند.

این نیروی گرانشی بین تمام اجسام مادی در فاصله عمل می کند.

نیوتن در مورد ماهیت نیروی گرانش گفت: من فرضیه اختراع نمی کنم.

مکانیک گالیله-نیوتن، توسعه یافته در آثار D. Alambert، Lagrange، Laplace، Hamilton ... در نتیجه شکلی هماهنگ دریافت کرد که تصویر فیزیکی جهان آن زمان را تعیین می کرد. این تصویر بر اساس اصول خودشناسی بدن فیزیکی بود. استقلال آن از مکان و زمان؛ جبرگرایی، یعنی یک رابطه علّی صریح و بدون ابهام بین حالات خاص اجسام فیزیکی. برگشت پذیری کلیه فرآیندهای فیزیکی

ترمودینامیک.

مطالعات فرآیند تبدیل گرما به کار و بالعکس، که در قرن 19 توسط S. Kalno، R. Mayer، D. Joule، G. Gemholtz، R. Clausius، W. Thomson (Lord Kelvin) انجام شد، منجر به نتایجی که R. Mayer در مورد آنها نوشت: "حرکت، گرما ...، الکتریسیته پدیده هایی هستند که با یکدیگر اندازه گیری می شوند و طبق قوانین خاصی به یکدیگر تبدیل می شوند." جمهولتز این گفته مایر را به این نتیجه تعمیم می دهد: "مجموع نیروهای کششی و زنده موجود در طبیعت ثابت است." ویلیام تامسون مفهوم "نیروهای شدید و زنده" را به مفاهیم انرژی پتانسیل و جنبشی اصلاح کرد و انرژی را به عنوان توانایی انجام کار تعریف کرد. R. Clausius این ایده ها را در این فرمول خلاصه کرد: "انرژی جهان ثابت است." بنابراین، از طریق تلاش های مشترک از جامعه فیزیکدانان، اساسی برای تمام فیزیکی است آگاهی از قانون بقا و تبدیل انرژی.

مطالعات فرآیندهای بقای و تبدیل انرژی منجر به کشف قانون دیگری شد - قانون افزایش آنتروپی... کلازیوس می‌نویسد: «انتقال گرما از بدن سردتر به بدن گرم‌تر، بدون جبران نمی‌تواند انجام شود». کلازیوس اندازه گیری توانایی گرما را برای تبدیل نامیده است آنتروپیماهیت آنتروپی در این واقعیت بیان می شود که در هر سیستم ایزوله، فرآیندها باید در جهت تبدیل انواع انرژی به گرما در حالی که تفاوت های دمایی موجود در سیستم را برابر می کنند، پیش روند. این بدان معناست که فرآیندهای فیزیکی واقعی برگشت ناپذیر هستند. اصلي كه تمايل آنتروپي را به حداكثر مي رساند قانون دوم ترموديناميك ناميده مي شود. اصل اول قانون بقا و تبدیل انرژی است.

اصل افزایش آنتروپی تعدادی از مشکلات را برای تفکر فیزیکی ایجاد کرد: رابطه بین برگشت پذیری و برگشت ناپذیری فرآیندهای فیزیکی، رسمی بودن بقای انرژی، که قادر به انجام کار با همگن دمای اجسام نیست. همه اینها مستلزم اثبات عمیق تر اصول ترمودینامیک بود. اول از همه، ماهیت گرما.

تلاش برای چنین توجیهی توسط لودویگ بولتزمن انجام شد که با تکیه بر مفهوم مولکولی-اتمی ماهیت گرما به این نتیجه رسید که آماریماهیت قانون دوم ترمودینامیک، زیرا به دلیل تعداد زیاد مولکول هایی که اجسام ماکروسکوپی را تشکیل می دهند، و سرعت بسیار زیاد و هرج و مرج حرکت آنها، ما فقط مقادیر متوسط... تعیین مقادیر میانگین وظیفه تئوری احتمال است. در حداکثر تعادل دما، هرج و مرج حرکت مولکولی نیز حداکثر است، که در آن تمام نظم ناپدید می شود. این سؤال پیش می‌آید: آیا می‌توان و اگر چنین است، چگونه از هرج و مرج، نظم دوباره بوجود می‌آید؟ فیزیک تنها پس از صد سال با معرفی اصل تقارن و اصل هم افزایی قادر به پاسخگویی به این خواهد بود.

الکترودینامیک.

در اواسط قرن نوزدهم، فیزیک پدیده های الکتریکی و مغناطیسی به پایان معینی رسیده بود. تعدادی از مهمترین قوانین کولن کشف شد، قانون آمپر، قانون القای الکترومغناطیسی، قوانین جریان مستقیم و غیره. همه این قوانین بر اساس آن بود اصل دوربرد... استثنا دیدگاه فارادی بود که معتقد بود عمل الکتریکی از طریق یک محیط پیوسته منتقل می شود، یعنی بر اساس اصل کوتاه برد... بر اساس ایده های فارادی، فیزیکدان انگلیسی جی. ماکسول این مفهوم را معرفی می کند میدان الکترومغناطیسیو حالت ماده کشف شده توسط او را در معادلات خود شرح می دهد. ماکسول می نویسد: «... میدان الکترومغناطیسی بخشی از فضا است که شامل اجسامی است که در حالت الکتریکی یا مغناطیسی هستند و آن را احاطه می کند. ماکسول با ترکیب معادلات میدان الکترومغناطیسی معادله موج را به دست می آورد که دلالت بر وجود امواج الکترومغناطیسیکه سرعت انتشار آن در هوا برابر با سرعت نور است. وجود چنین امواج الکترومغناطیسی به طور تجربی توسط فیزیکدان آلمانی هاینریش هرتز در سال 1888 تایید شد.

هندریک آنتون لورنتس، فیزیکدان آلمانی، برای توضیح برهمکنش امواج الکترومغناطیسی با ماده، فرضیه ای را در مورد وجود آن مطرح کرد. الکترونیعنی یک ذره باردار الکتریکی کوچک که به مقدار زیاد در تمام اجسام سنگین وجود دارد. این فرضیه پدیده شکافتن خطوط طیفی در میدان مغناطیسی را که در سال 1896 توسط زیمن فیزیکدان آلمانی کشف شد، توضیح داد. در سال 1897، تامسون به طور تجربی وجود کوچکترین ذره یا الکترون با بار منفی را تأیید کرد.

بنابراین، در چارچوب فیزیک کلاسیک، تصویر نسبتا هماهنگ و کاملی از جهان پدید آمد که حرکت، گرانش، گرما، الکتریسیته و مغناطیس، نور را توصیف و توضیح می داد. این به لرد کلوین (تامسون) دلیلی داد تا بگوید که ساختمان فیزیک عملاً تکمیل شده است، فقط چند جزئیات از دست رفته است ...

اول، معلوم شد که معادلات ماکسول تحت تبدیل‌های گالیله‌ای ثابت نیستند. ثانیاً، نظریه اتر، به عنوان یک سیستم مختصات مطلق، که معادلات ماکسول به آن گره خورده است، تأیید تجربی پیدا نکرده است. آزمایش مایکلسون- مورلی نشان داد که هیچ وابستگی سرعت نور به جهت در یک سیستم مختصات متحرک وجود ندارد. خیر... هندریک لورنتز، یکی از حامیان حفظ معادلات ماکسول، با "گره زدن" این معادلات به اتر به عنوان یک چارچوب مرجع مطلق، اصل نسبیت گالیله، دگرگونی های آن را قربانی کرد و تبدیل های خود را فرموله کرد. از دگرگونی‌های G. Lorentz نتیجه گرفت که فواصل مکانی و زمانی در انتقال از یک چارچوب مرجع اینرسی به چارچوب دیگر تغییرناپذیر هستند. همه چیز خوب خواهد بود، اما وجود محیط مطلق - اتر - همانطور که اشاره شد، به طور تجربی تایید نشد. این یک بحران است.

فیزیک غیر کلاسیک نظریه نسبیت خاص.

آلبرت انیشتین در توصیف منطق ایجاد نظریه نسبیت خاص، در کتاب مشترکی با ال. اینفلد می نویسد: «حالا اجازه دهید آن حقایقی را که به اندازه کافی توسط آزمایش تأیید شده اند، بدون نگرانی در مورد مشکل اتر، کنار هم بگذاریم:

1. سرعت نور در فضای خالی بدون توجه به حرکت منبع نور یا گیرنده همیشه ثابت است.

2. در دو سیستم مختصاتی که به طور مستقیم و یکنواخت نسبت به یکدیگر حرکت می کنند، تمام قوانین طبیعت کاملاً یکسان است و هیچ راهی برای تشخیص حرکت مستقیم و یکنواخت مطلق وجود ندارد.

بیانیه اول ثابت بودن سرعت نور را بیان می کند، دومی اصل نسبیت گالیله را که برای پدیده های مکانیکی فرموله شده است، به هر چیزی که در طبیعت اتفاق می افتد تعمیم می دهد. " آغاز نظریه نسبیت خاص. به دو اصل پذیرفته شده: ثبات اینشتین در مورد سرعت نور و هم ارزی همه چارچوب های مرجع اینرسی، اصل تغییرناپذیری همه قوانین طبیعت را در رابطه با تبدیل های H. Lorentz اضافه می کند.بنابراین، در همه سیستم های اینرسی قوانین یکسانی معتبر است انتقال از یک سیستم به سیستم دیگر توسط تبدیل های لورنتس به دست می آید، به این معنی که ریتم ساعت متحرک و طول میله های متحرک به سرعت بستگی دارد: اگر سرعت آن به سرعت نور برسد، میله به صفر منقبض می شود. ریتم ساعت متحرک کند می شود، اگر می توانست از sk حرکت کند، ساعت کاملاً متوقف می شود خشم نور

بنابراین، زمان، مکان، حرکت مطلق نیوتنی، که گویی مستقل از اجسام متحرک و حالت آنها بودند، از فیزیک حذف شدند.

نظریه نسبیت عام.

در کتابی که قبلاً نقل شد، انیشتین می‌پرسد: «آیا می‌توانیم قوانین فیزیکی را به گونه‌ای تنظیم کنیم که برای همه سیستم‌های مختصات، نه تنها برای سیستم‌هایی که به‌طور مستقیم و یکنواخت حرکت می‌کنند، بلکه برای سیستم‌هایی که کاملاً خودسرانه نسبت به یکدیگر حرکت می‌کنند، معتبر باشند؟ "... و او پاسخ می دهد: "معلوم است که ممکن است."

با از دست دادن «استقلال» خود در تئوری نسبیت خاص از اجسام متحرک و از یکدیگر، فضا و زمان، همانطور که بود، یکدیگر را در یک پیوستار چهار بعدی فضا-زمان «پیدا کردند». نویسنده پیوسته، ریاضیدان هرمان مینکوفسکی، در سال 1908 اثر "مبانی نظریه فرآیندهای الکترومغناطیسی" را منتشر کرد، که در آن استدلال کرد که از این پس، خود فضا و زمان باید به نقش سایه ها تقلیل یابد. نوعی ارتباط هر دو باید همچنان استقلال را حفظ کند. الف. ایده انیشتین این بود که همه قوانین فیزیکی را به عنوان ویژگی نشان می دهداین پیوستار به عنوان آن متریک... از این موقعیت جدید، انیشتین قانون گرانش نیوتن را در نظر گرفت. بجای نیروهای گرانشیاو شروع به عمل کرد میدان گرانشی... میدان های گرانشی در پیوستار فضا-زمان به عنوان "انحنای" آن گنجانده شدند. متریک پیوسته به یک متریک غیراقلیدسی «ریمانی» تبدیل شده است. «انحنای» پیوستار در نتیجه توزیع توده‌های در حال حرکت در آن تلقی شد. نظریه جدید مسیر چرخش عطارد به دور خورشید را توضیح می دهد که با قانون گرانش نیوتن و همچنین انحراف پرتوی از نور ستاره ای که از نزدیکی خورشید می گذرد ناسازگار است.

بنابراین مفهوم "سیستم مختصات اینرسی" از فیزیک و بیان تعمیم حذف شد اصل نسبیت: هر سیستم مختصاتی به همان اندازه برای توصیف پدیده های طبیعی مناسب است.

مکانیک کوانتومی.

دوم، به گفته لرد کلوین (تامسون)، عنصر گمشده برای تکمیل ساختمان فیزیک در اواخر قرن 19-20، یک اختلاف جدی بین نظریه و آزمایش در مطالعه قوانین تابش گرمایی یک جسم سیاه بود. . طبق نظریه رایج، باید پیوسته باشد، مستمر... با این حال، این منجر به نتایج متناقضی شد، مانند این واقعیت که کل انرژی ساطع شده توسط یک جسم سیاه در دمای معین برابر با بی نهایت است (فرمول Rayleigh-Gene). برای حل این مشکل، فیزیکدان آلمانی ماکس پلانک در سال 1900 این فرضیه را مطرح کرد که ماده نمی تواند انرژی ساطع یا جذب کند مگر در بخش های محدود (کوانتا) متناسب با فرکانس گسیل شده (یا جذب شده). انرژی یک بخش (کوانتومی) E = hn که n فرکانس تابش است و h یک ثابت جهانی است. فرضیه پلانک توسط انیشتین برای توضیح اثر فوتوالکتریک استفاده شد. اینشتین مفهوم کوانتوم نور یا فوتون را معرفی کرد. او این را پیشنهاد کرد سبکمطابق با فرمول پلانک، دارای هر دو ویژگی موجی و کوانتومی است. در جامعه فیزیکدانان، آنها شروع به صحبت در مورد دوگانگی موج-ذره کردند، به خصوص که در سال 1923 پدیده دیگری کشف شد که وجود فوتون ها را تأیید می کند - اثر کامپتون.

در سال 1924، لویی دو بروگلی ایده ماهیت موجی-ذره ای دوگانه نور را به تمام ذرات ماده تعمیم داد و مفهوم آن را معرفی کرد. امواج ماده... از این رو، می توان در مورد خواص موجی الکترون صحبت کرد، به عنوان مثال، در مورد پراش الکترون، که به طور تجربی مشخص شد. با این حال، آزمایشات آر. فاینمن در مورد "بمباران کردن" یک سپر با دو سوراخ با الکترون نشان داد که از یک طرف نمی توان گفت که الکترون از کدام سوراخ عبور می کند، یعنی به طور دقیق مختصات آن را تعیین کرد و از طرف دیگر غیرممکن است. بدون نقض ماهیت تداخل، الگوهای توزیع الکترون های ثبت شده را تحریف نکنید. این بدان معنی است که ما می توانیم مختصات الکترون یا تکانه را بدانیم، اما نه هر دو را با هم.

این آزمایش مفهوم یک ذره به معنای کلاسیک مکان یابی دقیق در فضا و زمان را زیر سوال برد.

توضیح رفتار «غیر کلاسیک» ریزذرات اولین بار توسط فیزیکدان آلمانی ورنر هایزنبرگ ارائه شد. دومی قانون حرکت یک ریز ذره را فرموله کرد که بر اساس آن آگاهی از مختصات دقیق یک ذره منجر به عدم قطعیت کامل تکانه آن می شود و بالعکس، آگاهی دقیق از تکانه یک ذره منجر به عدم قطعیت کامل مختصات آن می شود. وی. هایزنبرگ نسبت عدم قطعیت ها را در مقادیر مختصات و تکانه یک ریزذره تعیین کرد:

Dх * DР х ³ h، جایی که Dх - عدم قطعیت در مقدار مختصات. DP x - عدم قطعیت در مقدار ضربه. h ثابت پلانک است. این قانون و رابطه عدم قطعیت نامگذاری شد اصل عدم قطعیتهایزنبرگ.

نیلز بور، فیزیکدان دانمارکی، با تجزیه و تحلیل اصل عدم قطعیت، نشان داد که بسته به فرمول آزمایش، یک ریزذره یا ماهیت جسمی یا ماهیت موجی خود را نشان می دهد. اما نه هر دو در یک زمان... در نتیجه، این دو ماهیت ریز ذرات متقابلاً منحصر به فرد هستند و در عین حال باید مکمل یکدیگر نیز در نظر گرفته شوند و توصیف آنها بر اساس دو طبقه از موقعیت‌های آزمایشی (جسمی و موجی) - توصیف یکپارچه یک ریزذره است. ذره ای "به خودی خود" نیست، بلکه یک سیستم "ذره - دستگاه" وجود دارد. این نتایج N. Bohr نامیده شد اصل مکمل بودن.

عدم قطعیت و مکمل بودن در چارچوب این رویکرد نه معیاری از جهل ما، بلکه خواص عینی ریز ذرات، عالم صغیر به عنوان یک کل. از این نتیجه می شود که قوانین آماری و احتمالاتی در اعماق واقعیت فیزیکی نهفته است و قوانین پویا یک رابطه علّی بدون ابهام تنها یک مورد خاص و ایده آل شده از بیان قوانین آماری است.

مکانیک کوانتومی نسبیتی

در سال 1927، فیزیکدان انگلیسی، پل دیراک، توجه خود را به این واقعیت جلب کرد که برای توصیف حرکت ریزذرات کشف شده در آن زمان: یک الکترون، یک پروتون و یک فوتون، زیرا آنها با سرعت های نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند، از نظریه نسبیت خاص مورد نیاز است. دیراک با در نظر گرفتن قوانین مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت انیشتین، معادله ای را گردآوری کرد که حرکت الکترون را توصیف می کرد. این معادله با دو راه حل برآورده شد: یک راه حل یک الکترون شناخته شده با انرژی مثبت داد، دیگری - یک الکترون دوقلوی ناشناخته، اما با انرژی منفی. این گونه بود که مفهوم ذرات و ضد ذرات متقارن با آنها به وجود آمد. این سوال مطرح شد: آیا خلاء خالی است؟ پس از «اخراج» اتر توسط اینشتین، بدون شک خالی به نظر می رسید.

مفاهیم مدرن و به خوبی اثبات شده می گویند که خلاء فقط به طور متوسط ​​"خالی" است. انبوهی از ذرات مجازی و پادذرات دائماً در آن متولد و ناپدید می شوند. این با اصل عدم قطعیت، که عبارت DE * Dt ³ h را نیز دارد، در تضاد نیست. خلاء در نظریه میدان کوانتومی به عنوان پایین ترین حالت انرژی یک میدان کوانتومی تعریف می شود که انرژی آن فقط به طور متوسط ​​صفر است. پس خلاء «چیزی» است به نام «هیچ».

به سوی ساخت یک نظریه میدان یکپارچه.

در سال 1918، امی نوتر ثابت کرد که اگر یک سیستم معین تحت یک دگرگونی جهانی خاص ثابت باشد، پس مقدار خاصی برای آن حفظ می شود. از این نتیجه می شود که قانون بقای (انرژی) یک نتیجه است تقارن هاموجود در فضا-زمان واقعی

تقارن به عنوان مفهوم فلسفیبه معنای فرآیند وجود و شکل گیری لحظات یکسان بین حالات مختلف و متضاد پدیده های جهان است. این بدان معنی است که هنگام مطالعه تقارن هر سیستمی، لازم است رفتار آنها را تحت تبدیل های مختلف در نظر گرفت و در کل مجموعه تبدیل ها آنهایی را که ترک می کنند انتخاب کرد. بدون تغییر، تغییرناپذیربرخی از توابع مربوط به سیستم های مورد بررسی.

در فیزیک مدرن از این مفهوم استفاده می شود تقارن سنج... با کالیبراسیون، کارگران راه‌آهن انتقال از یک گیج باریک به یک گیج عریض را درک می‌کنند. در فیزیک، کالیبراسیون در اصل یک تغییر در سطح یا مقیاس بود. در نسبیت خاص، قوانین فیزیک با توجه به انتقال یا جابجایی هنگام کالیبره کردن فاصله تغییر نمی کنند. در تقارن گیج، نیاز به عدم تغییر نوع خاصی از برهمکنش را ایجاد می کند. در نتیجه، عدم تغییر گیج به ما اجازه می دهد به این سوال پاسخ دهیم: "چرا و چرا چنین فعل و انفعالاتی در طبیعت وجود دارد؟" در حال حاضر، فیزیک وجود چهار نوع برهمکنش فیزیکی را تعریف کرده است: گرانشی، قوی، الکترومغناطیسی و ضعیف. همه آنها ماهیت سنج دارند و با تقارن سنج توصیف می شوند که نمایش های متفاوتی از گروه های Lie هستند. این نشان دهنده وجود یک اولیه است میدان فوق متقارن، که در آن هنوز تفاوتی بین انواع تعاملات وجود ندارد. تفاوت ها، انواع برهمکنش ها نتیجه شکستن خود به خودی تقارن خلاء اولیه است. تکامل جهان پس از آن به نظر می رسد فرآیند خودسازماندهی هم افزایی: در فرآیند انبساط از یک حالت فوق متقارن خلاء، کیهان تا یک "بیگ بنگ" گرم شد. دوره بعدی تاریخ آن از طریق نقاط بحرانی - نقاط انشعاب، که در آن شکست تقارن خود به خود خلاء اولیه اتفاق افتاد، گذشت. بیانیه سیستم های خود سازماندهیدر سراسر شکستن خود به خودی نوع اصلی تقارن در نقاط انشعابو وجود دارد اصل هم افزایی.

انتخاب جهت خودسازماندهی در نقاط انشعاب، یعنی در نقاط شکستن خود به خودی تقارن اولیه، تصادفی نیست. به گونه‌ای تعریف می‌شود که گویی قبلاً در سطح ابرتقارن «پروژه» خلاء یک شخص وجود دارد، یعنی «پروژه» موجودی که می‌پرسد چرا جهان چنین است. آی تی اصل انسان دوستی، که در سال 1962 توسط D. Dicke در فیزیک فرموله شد.

اصول نسبیت، عدم قطعیت، مکمل، تقارن، هم افزایی، اصل انسان شناسی، و همچنین تاکید بر ماهیت بنیادی عمیق روابط علت و معلولی احتمالی در رابطه با روابط علی پویا و بدون ابهام، و مقوله ای را تشکیل می دهند. ساختار مفهومی گشتالت مدرن، تصویر واقعیت فیزیکی.

ادبیات

1. Akhiezer A.I., Rekalo M.P. تصویر فیزیکی مدرن از جهان. م.، 1980.

2. بور ن. فیزیک اتمیو شناخت انسان م.، 1961.

3. Bohr N. علیت و مکمل // Bohr N. منتخب آثار علمی در 2 جلد.جلد 2. م.، 1971.

4. متولد M. فیزیک در زندگی نسل من، مسکو، 1061.

5. Broglie L. De. انقلابی در فیزیک م.، 1963

6. هایزنبرگ V. فیزیک و فلسفه. جزء و کل. M. 1989.

8. Einstein A., Infeld L. تکامل فیزیک. م.، 1965.

تعریف 1

مکانیک کلاسیک زیرشاخه ای از فیزیک است که حرکت اجسام فیزیکی را بر اساس قوانین نیوتن مطالعه می کند.

مفاهیم اساسی مکانیک کلاسیک عبارتند از:

• جرم - به عنوان معیار اصلی اینرسی یا توانایی یک ماده برای حفظ حالت استراحت در غیاب عوامل خارجی مؤثر بر آن تعریف می شود.
• نیرو - روی بدن تأثیر می گذارد و وضعیت حرکت آن را تغییر می دهد و باعث شتاب می شود.
• انرژی داخلی - وضعیت فعلی عنصر مورد بررسی را تعیین می کند.

دیگر مفاهیم نه چندان مهم این شاخه از فیزیک عبارتند از: دما، تکانه، تکانه زاویه ای و حجم ماده. انرژی یک سیستم مکانیکی عمدتاً از انرژی جنبشی حرکت و نیروی پتانسیل آن تشکیل شده است که به موقعیت عناصر فعال در یک سیستم خاص بستگی دارد. قوانین بقای اساسی مکانیک کلاسیک در رابطه با کمیت های فیزیکی مشخص شده عمل می کنند.

بنیانگذاران مکانیک کلاسیک

تبصره 1

پایه های مکانیک کلاسیک توسط متفکر گالیله و همچنین کپلر و کوپرنیک در هنگام بررسی قوانین حرکت سریع با موفقیت پایه گذاری شد. اجرام آسمانی.

شکل 1. اصول مکانیک کلاسیک. نویسنده24 - تبادل آنلاین مقالات دانشجویی

جالب اینجاست که برای مدت طولانی، فیزیک و مکانیک در زمینه رویدادهای نجومی مورد مطالعه قرار گرفته است. کوپرنیک در آثار علمی خود استدلال کرد که محاسبه صحیح قوانین برهمکنش اجرام آسمانی را می توان ساده کرد اگر از اصول موجود که قبلاً توسط ارسطو مطرح شده بود منحرف شویم و آن را دقیقاً نقطه شروع گذار از زمین مرکزی بدانیم. به مفهوم هلیوسنتریک

ایده های دانشمند بیشتر توسط همکارش کپلر در سه قانون حرکت اجسام مادی رسمیت یافت. به طور خاص، قانون دوم بیان کرد که کاملا تمام سیارات منظومه شمسیانجام حرکت یکنواخت در مدارهای بیضی شکل با تمرکز اصلی روی خورشید.

سهم قابل توجه بعدی در شکل گیری مکانیک کلاسیک توسط مخترع گالیله انجام شد که با مطالعه فرضیه های اساسی حرکت مکانیکی اجرام آسمانی، به ویژه تحت تأثیر نیروهای گرانش، پنج مورد جهانی را به طور همزمان به مردم ارائه کرد. قوانین حرکت فیزیکی مواد

با این وجود، معاصران افتخارات بنیانگذار کلیدی مکانیک کلاسیک را به اسحاق نیوتن نسبت می دهند که در اثر علمی معروف خود « بیان ریاضیفلسفه طبیعی "ترکیب آن تعاریف را در فیزیک حرکت توصیف کرد که قبلاً توسط پیشینیان او ارائه شده بود.

شکل 2. اصول تغییر مکانیک کلاسیک. نویسنده24 - تبادل آنلاین مقالات دانشجویی

نیوتن به وضوح سه قانون اساسی حرکت را که به نام او نامگذاری شده اند و همچنین نظریه گرانش جهانی را تدوین کرد که زیر نظر تحقیقات گالیله خطی کشید و پدیده سقوط آزاد اجسام را توضیح داد. بنابراین، تصویری جدید و دقیق تر از جهان ایجاد شد.

اصول اولیه و تغییرات مکانیک کلاسیک

مکانیک کلاسیک نتایج دقیقی را برای آن دسته از سیستم هایی که اغلب در زندگی روزمره یافت می شوند در اختیار محققان قرار می دهد. اما در نهایت برای مفاهیم دیگر که سرعت آنها تقریباً برابر با سرعت نور است نادرست می شوند. سپس در آزمایشات لازم است از قوانین مکانیک نسبیتی و کوانتومی استفاده شود. برای سیستم هایی که چندین ویژگی را به طور همزمان ترکیب می کنند، به جای مکانیک کلاسیک، از نظریه میدان کوانتومی استفاده می شود. برای مفاهیمی که اجزاء یا سطوح آزادی زیادی دارند، جهت مورد مطالعه در فیزیک نیز هنگام استفاده از روش‌های مکانیک آماری کافی است.

امروزه اصول اصلی مکانیک کلاسیک زیر متمایز می شود:

1. اصل تغییرناپذیری با توجه به جابجایی‌های مکانی و زمانی (چرخش‌ها، جابه‌جایی‌ها، تقارن‌ها): فضا همیشه همگن است و سیر فرآیندهای درون یک سیستم بسته تحت تأثیر مکان و جهت اولیه آن نسبت به بدنه مرجع مواد قرار نمی‌گیرد.
2. اصل نسبیت: سیر فرآیندهای فیزیکی در یک سیستم منزوی تحت تأثیر حرکت مستقیم آن نسبت به مفهوم مرجع نیست. قوانینی که چنین پدیده هایی را توصیف می کنند در شاخه های مختلف فیزیک یکسان هستند. اگر شرایط اولیه یکسان باشد، خود فرآیندها یکسان خواهند بود.

تعریف 2

اصول تغییرات، مفاد اولیه و اساسی مکانیک تحلیلی هستند که به صورت ریاضی در قالب روابط تغییرات منحصر به فرد بیان می شوند، که به عنوان یک نتیجه منطقی، فرمول های دیفرانسیل حرکت و همچنین انواع مقررات و قوانین مکانیک کلاسیک از آن پیروی می کنند.

در بیشتر موارد، معیار اصلی که توسط آن می توان حرکت واقعی را از کلاس در نظر گرفته شده حرکات سینماتیکی متمایز کرد، شرایط ایستایی است که عدم تغییر توضیحات بیشتر را تضمین می کند.

شکل 4. اصل عمل دوربرد. نویسنده24 - تبادل آنلاین مقالات دانشجویی

اولین مورد از قوانین تغییر مکانیک کلاسیک، اصل جابجایی های ممکن یا مجازی است که به شما امکان می دهد موقعیت های تعادلی صحیح یک سیستم از نقاط مادی را پیدا کنید. در نتیجه، این الگو به حل مسائل پیچیده استاتیک کمک می کند.

اصل بعدی حداقل اجبار نام دارد. این فرض حرکت معینی از سیستمی از نقاط مادی را پیش‌فرض می‌گیرد که مستقیماً به شیوه‌ای آشفته به هم مرتبط هستند و تحت تأثیر هر گونه تأثیرات محیطی قرار دارند.

یکی دیگر از موقعیت‌های اصلی تغییر در مکانیک کلاسیک، اصل مسیر مستقیم است، که در آن هر سیستم آزاد در یک حالت ساکن یا حرکت یکنواخت در امتداد خطوط مشخص در مقایسه با سایر کمان‌های مجاز توسط اتصالات متقابل و داشتن یک نقطه شروع مشترک و مماس در مفهوم است. .

اصل عملکرد در مکانیک کلاسیک

معادلات حرکت مکانیکی نیوتن را می توان با روش های زیادی فرموله کرد. یکی از آنها از طریق فرمالیسم لاگرانژ است که مکانیک لاگرانژی نیز نامیده می شود. اگرچه این اصل کاملاً معادل قوانین نیوتن در فیزیک کلاسیک است، اما تفسیر عمل برای تعمیم همه مفاهیم مناسب تر است و نقش مهمی در علم مدرن... در واقع، این اصل یک تعمیم پیچیده در فیزیک است.

به ویژه، این به طور کامل در چارچوب مکانیک کوانتومی قابل درک است. تفسیر ریچارد فاینمن از مکانیک کوانتومی از طریق استفاده از انتگرال های مسیر بر اصل برهمکنش ثابت استوار است.

بسیاری از مسائل در فیزیک را می توان با استفاده از یک اصل عمل که قادر به یافتن سریع ترین و آسان ترین راه برای حل مسئله است، حل کرد.

به عنوان مثال، نور می تواند راه خود را از طریق یک سیستم نوری پیدا کند، و مسیر حرکت یک جسم مادی در میدان گرانشی را می توان با استفاده از همان اصل عملیاتی تشخیص داد.

تقارن در هر موقعیتی را می توان با اعمال این عبارت همراه با معادلات اویلر-لاگرانژ بهتر درک کرد. در مکانیک کلاسیک انتخاب درستاقدامات بعدی را می توان به صورت تجربی از قوانین حرکت نیوتن ثابت کرد. و برعکس، از اصل عمل، معادلات نیوتنی در عمل، با انتخاب شایسته عمل، اجرا می شوند.

بنابراین، در مکانیک کلاسیک، اصل عمل معادل ایده آل معادلات حرکت نیوتن در نظر گرفته می شود. استفاده از این روش حل معادلات در فیزیک را بسیار ساده می کند، زیرا این یک نظریه اسکالر است، با کاربردها و مشتقاتی که حساب ابتدایی را اعمال می کنند.

برای توصیف سرعت هایی که در مقایسه با سرعت نور کم نیستند، به یک نظریه نسبیت خاص نیاز است. در صورتی که اجسام بسیار حجیم شوند، نسبیت عام قابل اجرا می شود. با این حال، تعدادی از منابع مدرن شامل مکانیک نسبیتی در فیزیک کلاسیک می‌شوند که به نظر آنها مکانیک کلاسیک را در پیشرفته‌ترین و دقیق‌ترین شکل آن نشان می‌دهد.

شرح نظریه

مفاهیم اساسی مکانیک کلاسیک در زیر معرفی شده است. برای سادگی، اغلب مدل‌هایی از اشیاء واقعی، مانند ذرات نقطه‌ای (اشیاء با اندازه کوچک). حرکت یک ذره نقطه ای با تعداد کمی از پارامترها مشخص می شود: موقعیت، جرم و نیروهای اعمال شده به آن. هر یک از این پارامترها به نوبه خود مورد بحث قرار می گیرند.

در واقع، آن دسته از اجسامی که مکانیک کلاسیک می تواند توصیف کند، همیشه اندازه غیر صفر دارند. (فیزیک خیلیذرات کوچک، مانند الکترون، توسط مکانیک کوانتومی با دقت بیشتری توصیف می شوند.) اجسام با اندازه غیر صفر رفتار پیچیده تری نسبت به ذرات نقطه ای فرضی دارند، به دلیل درجات آزادی اضافی، به عنوان مثال، یک توپ بیسبال می تواند در حین حرکت بچرخد. با این حال، نتایج مربوط به ذرات نقطه ای را می توان برای مطالعه چنین اجسامی با در نظر گرفتن آنها به عنوان اجسام مرکب ساخته شده از تعداد زیادی ذرات نقطه ای که در یک مجموعه عمل می کنند استفاده کرد. مرکز جرم یک جسم مرکب مانند یک ذره نقطه ای رفتار می کند.

موقعیت و مشتقات آن

SI "مکانیکی" دریافت کرد
(یعنی الکترومغناطیسی یا حرارتی نیست)
واحدهای با کیلوگرم، متر و

موقعیت	متر
موقعیت / زاویه زاویه ای	بدون بعد (رادیان)
سرعت	m s -1
سرعت زاویهای	s -1
شتاب	m s -2
شتاب زاویه ای	s -2
تند و سریع	m s -3
"خط گوشه"	s -3
انرژی خاص	m 2 s -2
نرخ دوز جذب شده	m 2 s -3
ممان اینرسی	کیلوگرم متر مربع
نبض	kg m s -1
لحظه زاویه ای	kg m 2 s -1
زور	kg m s -2
گشتاور	kg m 2 s -2
انرژی	kg m 2 s -2
قدرت	kg m 2 s -3
فشار و چگالی انرژی	کیلوگرم متر -1 ثانیه -2
کشش سطحی	کیلوگرم بر ثانیه -2
مشخصه سختی فنر	کیلوگرم بر ثانیه -2
تابش و جریان انرژی	کیلوگرم بر ثانیه -3
اصطحکاک جنبشی	m 2 s -1
ویسکوزیته دینامیکی	کیلوگرم متر -1 ثانیه -1
چگالی (چگالی جرم)	کیلوگرم متر -3
چگالی (چگالی جرم)	کیلوگرم متر -2 ثانیه -2
تراکم	m -3
عمل	kg m 2 s -1

موقعیتدر مورد یک ذره نقطه ای با توجه به یک سیستم مختصات در مرکز یک نقطه مرجع دلخواه ثابت در فضا به نام مبدا تعریف می شوند. خروجی... یک سیستم مختصات ساده می تواند موقعیت یک ذره را توصیف کند آربا وکتور فلش رو به پایین با کتیبه نوشته شده است جیکه از مبدا اشاره می کند Oبه نقطه پ... به طور کلی، نقطه ذره نباید نسبی ثابت باشد O... در مواردی که آرنسبتا حرکت می کند O , آربه عنوان تابعی از تی، زمان. در نسبیت پیش از اینشتین (معروف به نسبیت گالیله)، زمان مطلق در نظر گرفته می شود، یعنی فاصله زمانی که مشاهده می شود بین هر جفت رویداد سپری می شود برای همه ناظران یکسان است. مکانیک کلاسیک علاوه بر تکیه بر زمان مطلق، هندسه اقلیدسی را برای ساختار فضا در نظر گرفته است.

سرعت و سرعت

از نظر ریاضی اگر سرعت جسم اول در بحث قبل با بردار مشخص شود U = Uد ، و سرعت جسم دوم در امتداد بردار در باره = در بارهه ، جایی که درسرعت اولین جسم است، vسرعت جسم دوم است و دو هبردارهای واحد در جهت حرکت هر جسم هستند، سپس سرعت جسم اول، همانطور که توسط جسم دوم نشان داده شده است.

U "= U - v. (\ Displaystyle \ mathbf (u) = \ mathbf (u) - \ mathbf (v) \,.)

به طور مشابه، جسم اول سرعت جسم دوم را به عنوان می بیند

v "= v - U. (\ displaystyle \ mathbf (v) = \ mathbf (v) - \ mathbf (u) \,.)

هنگامی که هر دو جسم در یک جهت حرکت می کنند، می توان این معادله را ساده کرد

U "= (U - v) d. (\ Displaystyle \ mathbf (u)" = (ui) \ mathbf (d) \,.)

یا با نادیده گرفتن جهت، تفاوت را فقط می توان از نظر سرعت نشان داد:

U "= u - v. (\ Displaystyle u" = uv \,.)

شتاب

قاب اینرسی چارچوب مرجعی است که در طی آن یک جسم بدون هیچ نیرویی برهم کنش می کند (وضعیت ایده آل) یا در حالت سکون ظاهر می شود یا به طور یکنواخت در یک خط مستقیم حرکت می کند. این تعریف اساسی چارچوب مرجع اینرسی است. آنها با این الزام مشخص می شوند که تمام نیروهای وارد شده به ناظر قوانین فیزیکی از منابع قابل شناسایی ناشی از میدان ها، مانند یک میدان الکترواستاتیک (ناشی از یک استاتیک) باشد. شارژ الکتریکیمیدان الکترومغناطیسی (ناشی از حرکت بارها)، میدان گرانشی (ناشی از جرم) و غیره.

مفهوم کلیدی اینرسی روشی برای شناسایی آنهاست. برای اهداف عملی، قاب های مرجعی که نسبت به ستارگان دور (نقاط بسیار دور) شتاب ندارند، تقریب خوبی برای ستارگان اینرسی در نظر گرفته می شوند. چارچوب مرجع غیر اینرسی برای شتاب نسبت به چارچوب مرجع اینرسی موجود. آنها اساس نظریه نسبیت انیشتین را تشکیل می دهند. به دلیل حرکت نسبی، ذرات غیر اینرسی به نظر می رسد در مسیرهایی حرکت می کنند که توسط نیروهای میدان های موجود در چارچوب مرجع مشخص نشده است. بنابراین، معلوم می شود که نیروهای دیگری نیز وجود دارند که تنها در نتیجه شتاب نسبی وارد معادله حرکت می شوند. این نیروها نیروهای ساختگی، نیروهای اینرسی یا شبه نیروها نامیده می شوند.

تحولات پیامدهای زیر را به همراه دارد:

• v "= v - U(سرعت v"ذرات از دیدگاه اس"کندتر است Uاز سرعت آن Vاز دیدگاه اس)
• "= (شتاب ذرات در هر قاب مرجع اینرسی یکسان است)
• اف "= اف(نیروی وارد بر یک ذره در هر چارچوب مرجع اینرسی یکسان است)
• سرعت نور نیست مقدار ثابتدر مکانیک کلاسیک، و هیچ موقعیت خاصی از سرعت معین نور در مکانیک نسبیتی مشابهی در مکانیک کلاسیک ندارد.

برای برخی از کارها، استفاده از مختصات چرخشی (فریم های کلیدی) راحت است. بنابراین، می‌توانید نمایشگر را در یک چارچوب مرجع اینرسی مناسب ذخیره کنید یا یک نیروی گریز از مرکز ساختگی و نیروی کوریولیس اضافه کنید.

استحکام - قدرت؛ قانون دوم نیوتن

W = ∫ C F (R) ⋅ d R. (\ Displaystyle W = \ Int _ (C)، \ mathbf (F) (\ mathbf (r)) \ cdot \ mathrm (d) \ mathbf (r) \ ,. )

اگر کار هنگام حرکت یک ذره از جی 1 به جی 2 فرقی نمی کند که کدام مسیر را طی کنید، قدرت محافظه کار نامیده می شود. گرانش یک نیروی محافظه کار است، مانند نیرویی که توسط یک فنر ایده آل شرطی شده است، همانطور که توسط قانون هوک ارائه شده است. نیروی اصطکاک محافظه کارانه نیست.

Σ E = E k + E p. (\ Displaystyle \ sum E = E _ (\ mathrm (k)) + E _ (\ mathrm (p)) \,)

ثابت در زمان این اغلب مفید است زیرا بسیاری از نیروهایی که معمولاً با آنها مواجه می شوند محافظه کار هستند.

فراتر از قوانین نیوتن

مکانیک کلاسیک همچنین حرکات پیچیده‌تر اجسام کشیده را توصیف می‌کند، نه نقطه‌ای. قوانین اویلر گسترشی از قوانین نیوتن در این زمینه ارائه می دهد. مفاهیم تکانه زاویه ای بر همان حسابی تکیه می کنند که برای توصیف حرکت یک بعدی استفاده می شود. معادله موشک بر روی نرخ تغییر تکانه یک جسم گسترش می‌یابد تا اثرات جسمی که جرم خود را از دست می‌دهد را شامل شود.

دو فرمول جایگزین مهم مکانیک کلاسیک وجود دارد: مکانیک لاگرانژ و مکانیک هامیلتونی. این داروها و دیگر داروهای مدرن تمایل دارند مفهوم «نیرو» را دور بزنند تا اینکه به سایر کمیت‌های فیزیکی مانند انرژی، سرعت و تکانه برای توصیف سیستم‌های مکانیکی در مختصات تعمیم‌یافته اشاره کنند.

عبارت فوق برای تکانه و انرژی جنبشی تنها زمانی معتبر است که سهم الکترومغناطیسی قابل توجهی وجود نداشته باشد. در الکترومغناطیس، قانون دوم نیوتن برای سیم‌های رسانا از کار می‌افتد اگر میدان سهم تکانه الکترومغناطیسی سیستم را که با بردار پوینتینگ تقسیم بر تقسیم می‌شود را شامل نشود. با 2، کجا باسرعت نور در فضای آزاد است.

محدودیت های کاربردی

بسیاری از شاخه های مکانیک کلاسیک اشکال دقیق تری را ساده یا تقریب می کنند. دو مورد از دقیق ترین آنها نسبیت عام و مکانیک آماری نسبیتی هستند. اپتیک هندسی تقریبی به نظریه کوانتومی نور است و شکل "کلاسیک" برتری ندارد.

زمانی که مکانیک کوانتومی و مکانیک کلاسیک را نمی توان به کار برد، مثلاً در سطح کوانتومی با درجات آزادی زیاد، نظریه میدان کوانتومی (QFT) کاربرد دارد. QFT با فواصل کوچک و سرعت های بالا با درجات آزادی زیاد و همچنین امکان هرگونه تغییر در تعداد ذرات در طول برهمکنش سروکار دارد. هنگام پردازش درجات زیادی از آزادی در سطح ماکروسکوپی، مکانیک آماری مفید می شود. مکانیک آماری رفتار تعداد زیادی (اما قابل شمارش) ذرات و برهمکنش های آنها را به طور کلی در سطح ماکروسکوپی توصیف می کند. مکانیک آماری در درجه اول در ترمودینامیک برای سیستم هایی استفاده می شود که خارج از مرزهای مفروضات ترمودینامیک کلاسیک قرار می گیرند. در مورد اجسام با سرعت بالا که به سرعت نور نزدیک می شوند، مکانیک کلاسیک تقویت می شود. در موردی که اجسام به شدت سنگین می شوند (یعنی شعاع شوارتزشیلد آنها برای یک کاربرد معین ناچیز نیست)، انحراف از مکانیک نیوتنی آشکار می شود و می توان با استفاده از فرمالیسم پس از نیوتنی پارامتری شده، کمیت کرد. در این مورد، نسبیت عام (GR) قابل اجرا می شود. با این حال، هنوز هیچ نظریه ای در مورد گرانش کوانتومی وجود ندارد که نسبیت عام و QFT را ترکیب کند، به این معنا که بتوان از آن در زمانی که اجسام بسیار کوچک و سنگین می شوند، استفاده کرد.

تقریب نیوتن به نسبیت خاص

در نسبیت خاص، تکانه یک ذره با استفاده از

p = m v 1 - v 2 / c 2. (\ displaystyle \ mathbf (p) = (\ frac (m \ mathbf (v)) (\ sqrt (1-v ^ (2) / c ^ (2))) )) \,)

جایی که تیجرم باقیمانده ذره است، Vسرعت آن، vیک ماژول است V، آ باسرعت نور وجود دارد

اگر Vبسیار کوچک در مقایسه با با , v 2 / با 2 تقریباً برابر با صفر است و همینطور

p ≈ m v. (\ displaystyle \ mathbf (p) \ تقریباً m \ mathbf (v) \,.)

بنابراین معادله نیوتنی آر = تیv تقریبی از معادله نسبیتی برای اجسامی است که با سرعت کم در مقایسه با سرعت نور حرکت می کنند.

به عنوان مثال، فرکانس سیکلوترون نسبیتی یک سیکلوترون، ژیروترون یا مگنترون ولتاژ بالا با

f = f c m 0 m 0 + t / c 2. (\ displaystyle f = f _ (\ mathrm (C)) (\ frac (m_ (0)) (m_ (0) + t / c ^ (2))) \,)

جایی که ه c فرکانس کلاسیک یک الکترون (یا ذره باردار دیگر) با انرژی جنبشی است تیو (استراحت) توده ها متر 0 چرخش در میدان مغناطیسی جرم الکترون (بقیه) 511 کو ولت است. بنابراین، اصلاح فرکانس برای یک لوله خلاء مغناطیسی با 1٪ است جریان مستقیمدر ولتاژ شتاب دهنده 5.11 کیلو ولت.

رویکرد کلاسیک به مکانیک کوانتومی

تقریب پرتوهای مکانیک کلاسیک زمانی از بین می‌رود که طول موج دو بروگلی از ابعاد دیگر سیستم کمتر نباشد. برای ذرات غیر نسبیتی، این طول موج

λ = h p (\ displaystyle \ lambda = (\ frac (h) (p)))

مکانیک کلاسیک همان تقریب شدید فرکانس بالا مانند اپتیک هندسی است. بیشتر اوقات دقیق است زیرا ذرات و جسمی با جرم ساکن را توصیف می کند. آنها نسبت به ذرات بدون جرم مانند نور با انرژی جنبشی یکسان، تکانه بیشتری دارند و بنابراین طول موج های دو بروگلی کوتاهتر هستند.

تاریخ

مطالعه حرکت اجسام یک موضوع باستانی است و مکانیک کلاسیک را به یکی از قدیمی ترین و بزرگترین دروس علم، مهندسی و فناوری تبدیل کرده است.

پس از نیوتن، مکانیک کلاسیک به یکی از رشته های اصلی مطالعه در ریاضیات و همچنین فیزیک تبدیل شد. چندین داروی مجدد به تدریج امکان یافتن راه حل برای بسیاری از موارد را فراهم کرد بیشتروظایف اولین فرمول بندی قابل توجه در سال 1788 توسط جوزف لوئیس لاگرانژ بود. مکانیک لاگرانژی به نوبه خود در سال 1833 توسط ویلیام روآن همیلتون مجدداً تدوین شد.

چندین مشکل در پایان قرن نوزدهم کشف شد که تنها با کمک فیزیک مدرن تر قابل حل بود. برخی از این مشکلات مربوط به سازگاری با نظریه الکترومغناطیسی و آزمایش معروف مایکلسون مورلی است. راه حل این مشکلات منجر به نظریه نسبیت خاص شد که اغلب هنوز بخشی از مکانیک کلاسیک محسوب می شود.

مجموعه دوم از مشکلات مربوط به ترمودینامیک بود. هنگامی که مکانیک کلاسیک با ترمودینامیک ترکیب می‌شود، منجر به پارادوکس گیبس مکانیک آماری کلاسیک می‌شود، که در آن آنتروپی یک کمیت کاملاً تعریف شده نیست. تشعشعات جسم سیاه بدون مقدمه توضیح داده نشده است