Mechanika

Ten artykuł jest o obszarze badań naukowych. W przypadku innych zastosowań zobacz Mechanika (ujednoznacznienie) .
Część serii o
mechanice klasycznej
Druga zasada ruchu
Gałęzie
Podstawy
preparaty
Podstawowe tematy
Obrót
Naukowcy
Część serii artykułów o
mechanice kwantowej
Równanie Schrödingera
Tło
Podstawy
Eksperymenty
preparaty
równania
Interpretacje
Zaawansowane tematy
Naukowcy

Mechanika (ze starogreckiego : μηχανική , mēkhanikḗ , dosł. „ maszyn ”) to dziedzina matematyki i fizyki zajmująca się związkami między siłą , materią i ruchem między obiektami fizycznymi . Siły przyłożone do obiektów powodują przemieszczenia , czyli zmiany położenia obiektu względem otoczenia.

Teoretyczne wykłady tej gałęzi fizyki mają swoje korzenie w starożytnej Grecji , na przykład w pismach Arystotelesa i Archimedesa (patrz Historia mechaniki klasycznej i Kalendarium mechaniki klasycznej ). We wczesnym okresie nowożytnym naukowcy tacy jak Galileo , Kepler , Huygens i Newton położyli podwaliny pod to, co jest obecnie znane jako mechanika klasyczna .

Jako gałąź fizyki klasycznej , mechanika zajmuje się ciałami, które są w spoczynku lub poruszają się z prędkościami znacznie mniejszymi niż prędkość światła. Można ją również zdefiniować jako naukę fizyczną, która zajmuje się ruchem i siłami działającymi na ciała spoza sfery kwantowej.

Historia

Główne artykuły: Historia mechaniki klasycznej i Historia mechaniki kwantowej

Antyk

Główny artykuł: mechanika arystotelesowska

Starożytni greccy filozofowie byli jednymi z pierwszych, którzy zaproponowali, że przyrodą rządzą abstrakcyjne zasady. Główną teorią mechaniki w starożytności była mechanika arystotelesowska , chociaż alternatywna teoria jest ujawniona w pseudo-arystotelesowskich problemach mechanicznych , często przypisywanych jednemu z jego następców.

Istnieje inna tradycja sięgająca czasów starożytnych Greków, gdzie matematyka była szerzej stosowana do statycznej lub dynamicznej analizy ciał . Podejście to mogło być stymulowane wcześniejszymi pracami pitagorejskiego Archytasa . Przykładami tej tradycji są pseudo- Euclid ( O równowadze ), Archimedes ( O równowadze płaszczyzn , O pływających ciałach ), Hero ( Mechanica ) i Pappus ( Kolekcja , Księga VIII).

Wiek średniowieczny

Główny artykuł: Teoria impulsu
Maszyna arabska w rękopisie o nieznanej dacie.

W średniowieczu teorie Arystotelesa były krytykowane i modyfikowane przez wiele postaci, poczynając od Jana Filoponusa w VI wieku. Głównym problemem był ruch pocisku , który omówili Hipparch i Filoponus.

Perski islamski polityk Ibn Sīnā opublikował swoją teorię ruchu w The Book of Healing (1020). Powiedział, że impet jest nadawany pociskowi przez rzucającego i uważał go za trwały, wymagający sił zewnętrznych, takich jak opór powietrza aby go rozproszyć. Ibn Sina dokonał rozróżnienia między „siłą” a „nachyleniem” (zwanym „mayl”) i argumentował, że obiekt zyskuje mayl, gdy obiekt jest przeciwny swojemu naturalnemu ruchowi. Doszedł więc do wniosku, że kontynuacja ruchu jest przypisywana nachyleniu, które jest przenoszone na obiekt, i że przedmiot ten będzie w ruchu, dopóki maj nie zostanie zużyty. Twierdził również, że pocisk w próżni nie zatrzymałby się, gdyby nie zadziałał, zgodnie z pierwszą zasadą ruchu Newtona.

W kwestii ciała poddanego stałej (jednolitej) sile XII-wieczny żydowsko-arabski uczony Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi (ur. Nathanel, Irakijczyk, z Bagdadu) stwierdził, że stała siła nadaje stałe przyspieszenie. Według Shlomo Pinesa teoria ruchu al-Baghdaadiego była „najstarszą negacją podstawowego prawa dynamiki Arystotelesa [mianowicie, że stała siła wytwarza ruch jednostajny], [a zatem] jest antycypacją w niejasny sposób podstawowego prawa mechaniki klasycznej [mianowicie, że siła stosowana w sposób ciągły powoduje przyspieszenie]”.

Pod wpływem wcześniejszych pisarzy, takich jak Ibn Sina i al-Baghdaadi, XIV-wieczny francuski ksiądz Jean Buridan rozwinął teorię impetu , która później przekształciła się we współczesne teorie bezwładności , prędkości , przyspieszenia i pędu . Ta i inne prace zostały opracowane w XIV-wiecznej Anglii przez oksfordzkich kalkulatorów , takich jak Thomas Bradwardine , który badał i formułował różne prawa dotyczące spadających ciał. Koncepcja, że ​​głównymi właściwościami ciała jest ruch jednostajnie przyspieszony (jak w przypadku ciał spadających) została wypracowana w XIV wieku Kalkulatory Oksfordzkie .

Wczesna epoka nowożytna

Pierwsze europejskie przedstawienie pompy tłokowej autorstwa Taccoli , ok. 1450.

Dwie główne postacie epoki nowożytnej to Galileo Galilei i Izaak Newton . Ostatnim stwierdzeniem Galileusza na temat jego mechaniki, zwłaszcza spadających ciał, są jego Dwie nowe nauki (1638). Newton's 1687 Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica dostarczył szczegółowego matematycznego opisu mechaniki, wykorzystując nowo opracowaną matematykę rachunku różniczkowego i zapewniając podstawy mechaniki Newtona .

Principia Newtona jest z pewnością przełomową pracą i wywarła ogromny wpływ, a wielu zawartych w niej wyników matematycznych nie można by stwierdzić wcześniej bez rozwoju rachunku różniczkowego. Jednak wiele pomysłów, szczególnie dotyczących bezwładności i spadających ciał, zostało opracowanych przez wcześniejszych uczonych, takich jak Christiaan Huygens i mniej znani średniowieczni poprzednicy. Dokładne uznanie jest czasami trudne lub kontrowersyjne, ponieważ zmienił się język naukowy i standardy dowodowe, więc czy średniowieczne stwierdzenia są równoważne do współczesnych stwierdzeń lub wystarczających dowodów, lub zamiast tego jest podobny do współczesnych stwierdzeń i hipotez , jest często dyskusyjny.

Współczesny wiek

Dwa główne współczesne osiągnięcia w mechanice to ogólna teoria względności Einsteina i mechanika kwantowa , oba opracowane w XX wieku w oparciu częściowo o wcześniejsze XIX-wieczne idee . Rozwój współczesnej mechaniki ośrodków ciągłych, szczególnie w obszarach sprężystości, plastyczności, dynamiki płynów, elektrodynamiki i termodynamiki ośrodków odkształcalnych, rozpoczął się w drugiej połowie XX wieku.

Rodzaje ciał mechanicznych

Często używany termin ciało musi oznaczać szeroki asortyment obiektów, w tym cząstki , pociski , statki kosmiczne , gwiazdy , części maszyn , części ciał stałych , części płynów ( gazów i cieczy ) itp.

Inne rozróżnienia między różnymi subdyscyplinami mechaniki dotyczą natury opisywanych ciał. Cząstki to ciała o mało znanej budowie wewnętrznej, traktowane w mechanice klasycznej jako punkty matematyczne. Sztywne ciała mają rozmiar i kształt, ale zachowują prostotę zbliżoną do cząstki, dodając tylko kilka tak zwanych stopni swobody , takich jak orientacja w przestrzeni.

W przeciwnym razie ciała mogą być półsztywne, tj. elastyczne , lub niesztywne, tj. płynne . Przedmioty te mają zarówno klasyczny, jak i kwantowy podział studiów.

Na przykład ruch statku kosmicznego, uwzględniający jego orbitę i położenie ( rotację ), opisuje relatywistyczna teoria mechaniki klasycznej, podczas gdy analogiczne ruchy jądra atomowego opisuje mechanika kwantowa.

Subdyscypliny

Poniżej znajdują się dwie listy różnych przedmiotów, które są studiowane w mechanice.

Zauważmy, że istnieje również „ teoria pól ”, która stanowi odrębną dyscyplinę fizyki, formalnie traktowaną jako odrębną od mechaniki, czy to pól klasycznych , czy pól kwantowych . Jednak w praktyce przedmioty należące do mechaniki i dziedzin są ze sobą ściśle powiązane. Na przykład siły działające na cząstki często pochodzą z pól ( elektromagnetycznych lub grawitacyjnych ), a cząstki generują pola, działając jako źródła. W rzeczywistości w mechanice kwantowej cząstki same w sobie są polami, jak to teoretycznie opisał funkcja falowa .

Klasyczny

Prof. Walter Lewin wyjaśnia prawo grawitacji Newtona na kursie MIT 8.01.

Następujące elementy są opisane jako tworzące mechanikę klasyczną:

Kwant

Następujące są klasyfikowane jako część mechaniki kwantowej :

Historycznie rzecz biorąc, mechanika klasyczna istniała przez prawie ćwierć tysiąclecia, zanim rozwinęła się mechanika kwantowa . Mechanika klasyczna wywodzi się z praw ruchu Izaaka Newtona w Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , rozwijanych w XVII wieku. Mechanika kwantowa rozwinęła się później, w XIX wieku, przyspieszona postulatem Plancka i wyjaśnieniem efektu fotoelektrycznego przez Alberta Einsteina . Powszechnie uważa się, że obie dziedziny stanowią najpewniejszą istniejącą wiedzę o naturze fizycznej.

Mechanika klasyczna była szczególnie często postrzegana jako model dla innych tzw. nauk ścisłych . Istotne w tym względzie jest szerokie wykorzystanie matematyki w teoriach, a także decydująca rola eksperymentu w ich generowaniu i testowaniu.

Mechanika kwantowa ma szerszy zakres, ponieważ obejmuje mechanikę klasyczną jako subdyscyplinę, która ma zastosowanie w pewnych ograniczonych okolicznościach. Zgodnie z zasadą korespondencji nie ma sprzeczności ani konfliktu między tymi dwoma tematami, każdy po prostu odnosi się do konkretnych sytuacji. Zasada zgodności stwierdza, że ​​zachowanie układów opisanych przez teorie kwantowe odtwarza fizykę klasyczną w granicach dużych liczb kwantowych , tj. jeśli mechanika kwantowa zostanie zastosowana do dużych systemów (np. piłki baseballowej), wynik byłby prawie taki sam, gdyby zastosowano mechanikę klasyczną. Mechanika kwantowa zastąpiła mechanikę klasyczną na poziomie podstawowym i jest niezbędna do wyjaśniania i przewidywania procesów na poziomie molekularnym, atomowym i subatomowym. Jednak w przypadku procesów makroskopowych mechanika klasyczna jest w stanie rozwiązywać problemy, które w mechanice kwantowej są nie do opanowania trudne (głównie ze względu na ograniczenia obliczeniowe), a zatem pozostaje użyteczna i dobrze wykorzystywana. Współczesne opisy takiego zachowania rozpoczynają się od starannego zdefiniowania takich wielkości, jak przemieszczenie (przebyta odległość), czas, prędkość, przyspieszenie, masa i siła. Jednak aż do około 400 lat temu ruch był wyjaśniany z zupełnie innego punktu widzenia. Na przykład, kierując się pomysłami greckiego filozofa i naukowca Arystotelesa, naukowcy doszli do wniosku, że kula armatnia spada, ponieważ jej naturalne położenie znajduje się na Ziemi; słońce, księżyc i gwiazdy poruszają się po okręgach wokół ziemi, ponieważ naturą obiektów niebieskich jest poruszanie się po doskonałych kręgach.

Często cytowany jako ojciec współczesnej nauki, Galileusz zebrał idee innych wielkich myślicieli swoich czasów i zaczął obliczać ruch na podstawie odległości przebytej od pewnej pozycji początkowej i czasu, jaki mu to zajęło. Pokazał, że prędkość spadających obiektów stale wzrasta w czasie ich spadania. Przyspieszenie to jest takie samo dla ciężkich obiektów, jak i dla lekkich, pod warunkiem, że pominie się tarcie powietrza (opór powietrza). Angielski matematyk i fizyk Izaak Newton ulepszył tę analizę, definiując siłę i masę i odnosząc je do przyspieszenia. W przypadku obiektów poruszających się z prędkością bliską prędkości światła prawa Newtona zostały zastąpione teorią względności Alberta Einsteina . [Zdanie ilustrujące obliczeniową komplikację teorii względności Einsteina.] W przypadku cząstek atomowych i subatomowych prawa Newtona zostały zastąpione teorią kwantową . Jednak w przypadku zjawisk codziennych trzy prawa dynamiki Newtona pozostają kamieniem węgielnym dynamiki, która jest badaniem przyczyn ruchu.

relatywistyczny

Analogicznie do rozróżnienia między mechaniką kwantową i klasyczną, ogólna i szczególna teoria względności Alberta Einsteina rozszerzyła zakres formułowania mechaniki przez Newtona i Galileusza . Różnice między mechaniką relatywistyczną a newtonowską stają się znaczące, a nawet dominujące, gdy prędkość ciała zbliża się do prędkości światła . Na przykład w mechanice Newtona energia kinetyczna cząstki swobodnej wynosi E = 1 / 2 mv 2 , podczas gdy w mechanice relatywistycznej jest to E = ( γ − 1) mc 2 (gdzie γ jest współczynnikiem Lorentza ; wzór ten sprowadza się do wyrażenia newtonowskiego w dolnej granicy energii).

W przypadku procesów wysokoenergetycznych mechanika kwantowa musi zostać dostosowana do szczególnej teorii względności; doprowadziło to do rozwoju kwantowej teorii pola .

Profesjonalna organizacja

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Mechanics&oldid=1128707558 ”