Формирование механической картины Мира и ее характеристика.

Физика и классическая механика

Первая научная физическая теория была создана в XVII в.В ее создании участвовало много великих умов человечества, однако ее создателями считаются Галилей и Ньютон. Созданная ими физическая теория называется механикой Галилея — Ньютона. Дальнейшее развитие этой механики называется классической механикой.

Классическую механику называют теорией макромира или макротел, т. е. разделом физики, изучающим физические события, явления в мире материальных тел и систем материальных тел, физические параметры которых достаточно велики (движение молекул, тел, состоящих из молекул и т.д.). Методы и технические средства исследования классической механики не оказывают существенного влияния на физические параметры исследуемых объектов. Измеряя температуру жидкости в сосуде спомощью термометра, исследователь знает, что температура самого термометра существенно не изменит температуру измеряемой жидкости. Иначе обстоит дело, когда исследователь работает сэлектронным микроскопом. Здесь происходит воздействие прибора на изучаемый объект и оно существенно.

Раздел механики, вкотором изучается движение материального тела во времени без учета причин, вызывающих это движение, называется кинематикой. Динамика— это раздел механики, в котором изучаются законы механического движения материальных тел с учетом причин, вызывающих эти движения.

Под причинойв механике понимается сила, воздействие которой приводит к изменению состояния механического движения материального тела. В механике для определения изменения состояния движения материального тела используетсяпонятие «система отсчета».Это произвольно выбранная система материальных тел (отдельное тело или материальная точка как обозначение материального тела), с которой связана система прямоугольных координат. Система координат позволяет определить положение тел в пространстве иизменение их положения относительно других тел в этом пространстве в результате их механического движения.

Классическая механика постулирует (принимает без доказательства), что в механическом движении тела, системы тел их внутренние физическое свойства ивнешние физические параметры не изменяются. Масса тела (систем тел) остается постоянной, температура, плотность и другие показатели остаются также неизменными. Следовательно, любое материальное тело можно представить как материальную точку или как систему, состоящую из множества материальных

точек. Такой подход позволяет исследовать механическое движение частиц,

составляющих тела, в различных агрегатных состояниях: твердое тело, жидкость, газ, фазовые переходымежду агрегатными состояниями. В твердом теле частицы находятся вблизи, на коротких расстояниях, в жидкости — на больших расстояниях и т. п.

В механике рассматриваются замкнутые и незамкнутые системытел. Замкнутые системы — это взаимодействие тел без учета воздействия на них внешних сил. Сам источник возникновения движения в материальном мире тел в механике как физической теории не рассматривается. Обсуждение этого вопроса возникает в механической картине мира. Незамкнутые системы — это взаимодействия тел с учетом действия на них внешних сил или окружающей среды.

Механика Галилея

Во времена молодости Галилея признанным авторитетом в науке считался Аристотель. Поэтому от Галилея требовали соответствия его физических идей принципам физики, учению Аристотеля о природе. Галилей первым использовал новый метод исследования природы, получивший название мысленного эксперимента.Так, рассуждая над принципом Аристотеля (ускорение движения тела к центру Земли пропорционально его весу), Галилей сформулировал мысленную ситуацию, когда падение тела к поверхности является свободным (идеальным, без препятствий воздуха, веса, размера, плотности и т. д.). В этой ситуации свободное падение тела можно рассматривать абстрактно как движение тела по наклонной плоскости под углом 90" к поверхности. Специально сконструированный Галилеем эксперимент движения тел по наклонной плоскости подтверждал принцип, согласно которому все тела падают на поверхность Земли с одним и тем же ускорением (среднее — 9,8 м/с2), т. е. независимо от материала, из которого они созданы. Свое учение о движении Галилей изложил в форме принципов.

Принцип инерции.Если на тело не действуют никакие силы, то оно покоится или движется равномерно и прямолинейно. Инерция(лат. inertia) означает неподвижность и бездеятельность. Строго говоря, обычный опыт не позволяет обосновать этот принцип. В мире все находится в движении. Однако в нем выражена существенная черта движения вне действия внешних сил, причин изменения движения любого материального тел без физического взаимо-действия нет движения.

Принцип относительности.Во всех инерциальных системах отсчета законы движения, удовлетворяющие принципу инерции, выглядят или протекают одинаковым образом. Этот принцип равносилен утверждению о том, что все инерциальные системы отсчета эквивалентны, т. е. ни одной из них нельзя отдать предпочтение перед другой. В этом принципе выражена глубокая мысль об универсальном характере физических законов, хотя речь в нем идет только о законах механического движения. Галилей выразил принцип эквивалентности, равноправия всех инерциальных систем отсчета в так называемом методе преобразования координат, т. е. правил описания одного и того же физического события в разных системах отсчета.

Эти преобразования называются преобразованиями Галилея. Согласно этим преобразованиям течение времени, его ритм во всех инерциальных системах отсчета происходит одинаково: t(01) = t(02), где t(01) — время в системе отсчета 01, и t(02) — в системе 02.

Правило сложения скоростей в преобразованиях Галилея не допускает

существования конечной, предельной скорости движения: у него С + V и С — V,

где С — скорость света, имеют разные величины.

Неизменными в преобразованиях Галилея остаются размеры движущего тела и его массы в разных системах отсчета. Принцип эквивалентности инерциальных систем отсчета Галилея не позволяет ответить на вопрос: данная система покоится или движется прямолинейно и равномерно? Это решение вызвало дискуссию, существует ли в мире абсолютная система отсчета. Наличие подобной системы отсчета позволило бы ответить на вопрос: вращается Земля вокруг своей оси или вращается небесная сфера со звездами относительно неподвижной Земли?

Птолемей —автор геоцентрической системы мира — отрицал вращение Земли,

ссылаясь на эффекты действия центробежной силы, возникающей при вращении,

в результате которых Земля должна разлететься на части.

Н. Коперник, напротив, считал, что Земля вращается вокруг собственной оси, а центробежные эффекты относятся к небу (там огромные расстояния).

Галилейв трактате «Диалог о двух системах мира: птолемеевской и коперниковской» (1632) предложил метод определения вращения Земли. Если с башни высотой в 100 м, расположенной на экваторе Земли, сбросить металлический шар определенного веса, то из-за разности угловой скорости на высоте башни и ее основания этот шар должен упасть на расстоянии 2,5 см от основания башни в направлении на восток (Земля вращается с запада на восток). Поскольку этот эксперимент трудно было осуществить, то среди многих мыслителей того времени бытовало убеждение, что Земля не вращается. Человеческий организм не ощущает вращения Земли. В 1851 г. Л. Фуко (1819—1869) предложил метод определения вращения Земли с помощью колеблющегося маятника, получившего название маятник Фуко.

С поиском абсолютной системы отсчета связан еще один физический вопрос: количество движения в мире (на современном языке — энергии) остается постоянным или нет? Французский философ, математик, физик Р. Декарт, который разработал систему прямоугольных координат и сформулировал свою теорию механического движения, в третьем своем законе механического движения утверждал, что количество движения в созданном Богом мире является постоянным и неизменным.

Из философии Р. Декарта следовало, что в мире нет пустоты, поэтому все силы физического взаимодействия не могут быть силами дальнодействия, а только силами близкодействия, т. е. через соприкосновение и передачу воздействия через физическую среду. С физической теорией Р. Декарта связано понятие флюидов (текущие) как потока частиц, обеспечивающих процесс передачи тепла, электричества и магнитных сил. Поиски абсолютной системы отсчета сохранились вплоть до конца XIX в.

Физическая теория И. Ньютона

Ньютон (1646—1727) родился в год смерти Галилея. Его научная деятельность была тесно связана с Лондонским Королевским обществом, сообществом талантливых людей, объединенных общим интересом к познанию природы. Среди них был Р. Гук, который за 80 лет до рождения Ламарка (1744—1829) высказал идеи, схожие с биологическими идеями последнего. Р. Гук интересовался многими проблемами. С открытием нидерландским ученым X. Гюйгенсом (1629—1625) центробежного ускорения многие в Лондонском Королевском обществе заинтересовались вопросом о силе, управляющей движением небесных тел. Имеются сведения, что Р. Гук понял суть принципа квадрата расстояний при взаимодействии материальных тел, но отложил его оформление на будущее. Трактат «О движении» Ньютона, основа будущей его работы «Математические начала натуральной философии» (1687), поверг Р. Гука в шок. В кофейне, где члены Лондонского Королевского общества обсуждали трактат Ньютона «О движении», Р. Гук назвал Ньютона плагиатором, так как в своем приглашении на заседание общества, которое он направил Ньютону, он изложил собственные соображения о законе обратных квадратов.

В «Математических началах натуральной философии» Ньютон представил стройную систему понятий и принципов описания механического движения. Его заслуга состояла в том, что он первым в математической форме выразил общие идеи и мысли о механическом движении всех своих предшественников и современников.

Первый закон Ньютона. Тело движется в одном и том же направлении с неизменной быстротой, если на него не действует сила. Следовательно, если на тело не действует сила, то оно сколько угодно долго пребывает в состоянии покоя.

Первый закон Ньютона является обобщением принципа инерции Галилея. Ньютон использует понятие быстроты, т. е. ускорение, изменение скорости, по которому можно заметить действие силы на материальное тело. Далее, этот закон утверждает избирательное, важное значение инерциальных систем отсчета для изучения движения тел, следуя методологическому принципу «от простого к сложному».

Второй закон Ньютона. Ускорение, сообщаемое телу, прямо пропорционально величине силы, действующей на тело, и обрат-

но пропорционально его инертной массе: а = F/m, где а — ускорение, F— сила,

т — инертная масса. Ньютон определил массу тела как количество вещества, содержащееся в теле. Из опыта известно, что всякое тело «противится» изменению состояния своего движения и одинаковые силы, приложенные к различным телам, сообщают им разные ускорения. Следовательно, есть общее физическое свойство всех материальных тел, а именно способность материальных тел препятствовать изменению состояния их движения или покоя. Это свойство получило название инертной массы тела.

Третий закон Ньютона.Силы взаимодействия тел равны по величине и противоположны по направлению: F (AB) = -F(BA), где AB — тела, F (АВ) — сила, с которой А действует на В, и -F(BA) — сила, с которой тело В действует на тело А.

Третий закон Ньютона говорит о характере физического взаимодействия между материальными телами. В механическом взаимодействии силы возникают попарно, т. е. действию соответствует противодействие. Все эти три закона Ньютона лежат в основе классической механики.

Размышляя над проблемой свободного падения тел, установленного Галилеем, Ньютон попытался ответить на вопрос, какая сила заставляет материальные тела падать к поверхности Земли и не является ли эта сила той же физической природы, которая заставляет двигаться планеты вокруг Солнца по законам И. Кеплера (по эллипсам, а не по окружностям). Рассуждая чисто дедуктивно, он сформулировал закон всемирного тяготения: Земля имеет массу, яблоко тоже. По второму закону Ньютона сила прямо пропорциональна массе тела (F= та). В случае свободного падения яблока на Землю имеет место взаимодействие двух масс (яблока и Земли), следовательно, сила F должна быть пропорциональна произведению масс (т1т2), участвующих в физическом взаимодействии, названном свободным падением. Отсюда естественным является вопрос, будет ли меняться величина силы при увеличении расстояния между телами с массами т1 и т2.

Сравнивая ускорение свободного падения тела на Луне с ускорением свободного падения на Земле, Ньютон пришел к выводу, что в случае свободного падения Луна и Земля ведут себя как тела, масса которых сконцентрирована в их центре. Такое явление, как считал Ньютон, возможно лишь в случае, когда величина силы между взаимодействующими телами обратно пропорциональна

квадрату расстояния между ними: F= G (т1т2 /R2), где G гравитационная постоянная, вычисленная опытным путем т1 и т2 — массы тела, R — расстояние между телами. При т1 = 1 кг, т2 - 1 кг и R = 1 м величинаG = 6,67 • 10-11 Нм/кг, (где Н — сила (ньютон), которая, будучи приложенная к телу в 1 кг (массу),сообщает ему ускорение а, равное 1 м/с2). Величина гравитационной постояннойзависит от выбора системы отсчета.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит о наличии в природе универсальной силы физического взаимодействия между материальными телами, которая является объективной и независимой от настроений и желаний людей. Выраженная в этой математической формуле зависимость между значениями входящих в нее величин позволяет предсказывать действие этой силы взаимодействия во времени. Эту силу взаимодействия стали называть силой тяготения, гравитационным физическим взаимодействием между материальными телами.

Сила тяготения— это исторически первая сила физического взаимодействия, которая была открыта естествознанием. В формулировке закона всемирного тяготения Ньютон использовал понятие тяжелой массытела. Тяжелая масса тела зависит от массы тела, находящегося с ним в гравитационном взаимодействии. Он полагал, что отношение между инертной и тяжелой массойтел является одинаковым и не зависит от природы материала, из которого тела созданы (железо, дерево и т. д.). Это предположение вызвало оживленную дискуссию о физической природе этого отношения. А. Эйнштейн предложил решение этого вопроса в общей теории относительности.