Механика (от др.-греч . μηχανική, mēkhanikḗ , букв. « машин ») [1] [2] — раздел физики, изучающий взаимоотношения между силой , материей и движением физических объектов . [3] Силы, приложенные к объектам, приводят к смещениям , то есть к изменению положения объекта относительно окружающей среды.
Теоретические изложения этой отрасли физики берут свое начало в Древней Греции , например, в трудах Аристотеля и Архимеда [4] [5] [6] (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 имеет дело с телами, которые либо покоятся, либо движутся со скоростями, значительно меньшими скорости света. Ее также можно определить как физическую науку, которая занимается движением и силами, действующими на тела, не находящиеся в квантовой сфере.
Древнегреческие философы были одними из первых, кто предположил, что абстрактные принципы управляют природой. Основной теорией механики в античности была механика Аристотеля , хотя альтернативная теория изложена в псевдо-Аристотелевских Механических проблемах , часто приписываемых одному из его последователей.
Существует еще одна традиция, которая восходит к древним грекам, где математика использовалась более широко для статического или динамического анализа тел , подход, который, возможно, был стимулирован предшествующими работами пифагорейца Архита . [7] Примерами этой традиции являются Псевдо- Евклид ( О весах ), Архимед ( О равновесии плоскостей , О плавающих телах ), Герон ( Механика ) и Папп ( Собрание , Книга VIII). [8] [9]
В средние века теории Аристотеля критиковались и модифицировались рядом деятелей, начиная с Иоанна Филопона в VI веке. Центральной проблемой было движение снаряда , которое обсуждалось Гиппархом и Филопоном.
Персидский исламский эрудит Ибн Сина опубликовал свою теорию движения в «Книге исцеления» (1020). Он сказал, что импульс сообщается снаряду метателем, и рассматривал его как постоянный, требующий внешних сил, таких как сопротивление воздуха , чтобы рассеять его. [10] [11] [12] Ибн Сина провел различие между «силой» и «наклоном» (называемым «майл») и утверждал, что объект приобретает майл, когда объект находится в противовес своему естественному движению. Поэтому он пришел к выводу, что продолжение движения приписывается наклону, который передается объекту, и что этот объект будет находиться в движении до тех пор, пока майл не будет израсходован. Он также утверждал, что снаряд в вакууме не остановится, если на него не воздействовать, в соответствии с первым законом движения Ньютона. [10]
По вопросу о теле, подверженном постоянной (равномерной) силе, еврейско-арабский ученый XII века Хибат Аллах Абу'л-Баракат аль-Багдади (урожденный Натанил, иракец, из Багдада) утверждал, что постоянная сила придает постоянное ускорение. По словам Шломо Пинеса , теория движения аль-Багдади была «старейшим отрицанием фундаментального динамического закона Аристотеля [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение], [и, таким образом, является] предвосхищением в смутной форме фундаментального закона классической механики [а именно, что сила, приложенная непрерывно, производит ускорение]». [13]
Под влиянием более ранних авторов, таких как Ибн Сина [12] и аль-Багдади [14] , французский священник 14-го века Жан Буридан разработал теорию импульса , которая позже развилась в современные теории инерции , скорости , ускорения и импульса . Эта работа и другие были разработаны в Англии 14-го века Оксфордскими вычислителями, такими как Томас Брэдуордин , который изучал и формулировал различные законы, касающиеся падающих тел. Концепция, что основными свойствами тела являются равномерно ускоренное движение (как падающих тел), была разработана Оксфордскими вычислителями 14-го века .
Две центральные фигуры в раннем современном веке — Галилео Галилей и Исаак Ньютон . Последнее заявление Галилея о его механике, в частности о падающих телах, — его «Две новые науки» (1638). «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» Ньютона 1687 года предоставили подробное математическое описание механики, используя недавно разработанную математику исчисления и заложив основу ньютоновской механики . [9]
Существует некоторый спор о приоритете различных идей: «Principia» Ньютона , безусловно, является основополагающей работой и оказала огромное влияние, и многие из математических результатов в ней не могли быть сформулированы ранее без развития исчисления. Однако многие идеи, особенно касающиеся инерции и падающих тел, были разработаны предшествующими учеными, такими как Христиан Гюйгенс и менее известные средневековые предшественники. Точная оценка иногда бывает затруднительной или спорной, поскольку научный язык и стандарты доказательств изменились, поэтому часто спорным является вопрос о том, эквивалентны ли средневековые утверждения современным утверждениям или достаточным доказательством, или же они похожи на современные утверждения и гипотезы .
Два основных современных направления в механике — общая теория относительности Эйнштейна и квантовая механика , обе они были разработаны в 20 веке и частично основаны на более ранних идеях 19 века. Развитие современной механики сплошных сред, особенно в областях упругости, пластичности, гидродинамики, электродинамики и термодинамики деформируемых сред, началось во второй половине 20 века.
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 поддисциплинами 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 классические, так и квантовые разделы изучения.
Например, движение космического корабля относительно его орбиты и положения ( вращения ) описывается релятивистской теорией классической механики, в то время как аналогичные движения атомного ядра описываются квантовой механикой.
Ниже приведены три основных обозначения, включающие различные предметы, изучаемые в механике.
Обратите внимание, что существует также « теория полей », которая представляет собой 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 полям, тесно переплетены. Так, например, силы, которые действуют на частицы, часто выводятся из полей ( электромагнитных или гравитационных ), а частицы генерируют поля, выступая в качестве источников. Фактически, в квантовой механике сами частицы являются полями, что теоретически описывается волновой функцией .
Следующие элементы описываются как составляющие классической механики:
Следующие понятия относятся к квантовой механике:
Исторически классическая механика существовала почти четверть тысячелетия до того, как появилась квантовая механика. Классическая механика возникла из законов движения Исаака Ньютона в Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , разработанных в семнадцатом веке. Квантовая механика развивалась позже, в девятнадцатом веке, под влиянием постулата Планка и объяснения фотоэлектрического эффекта Альбертом Эйнштейном . Оба направления обычно считаются наиболее определенными из существующих знаний о физической природе.
Классическая механика особенно часто рассматривалась 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 широкий охват, поскольку она охватывает классическую механику как субдисциплину, которая применяется при определенных ограниченных обстоятельствах. Согласно принципу соответствия , между двумя предметами нет противоречия или конфликта, каждый просто относится к определенным 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, бейсбольному мячу), результат был бы почти таким же, если бы применялась классическая механика. Квантовая механика вытеснила классическую механику на фундаментальном уровне и незаменима для объяснения и прогнозирования процессов на молекулярном, атомном и субатомном уровнях. Однако для макроскопических процессов классическая механика способна решать проблемы, которые являются неуправляемо сложными (в основном из-за вычислительных ограничений) в квантовой механике, и поэтому 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 иной точки зрения. Например, следуя идеям греческого философа и ученого Аристотеля, ученые рассуждали, что пушечное ядро падает, потому что его естественное положение находится на Земле; Солнце, Луна и звезды движутся по кругам вокруг Земли, потому что природа небесных тел — двигаться по идеальным кругам.
Часто упоминаемый как отец современной науки, Галилей объединил идеи других великих мыслителей своего времени и начал рассчитывать движение в терминах пройденного расстояния от некоторой исходной позиции и времени, которое это заняло. Он показал, что скорость падающих объектов неуклонно увеличивается во время их падения. Это ускорение одинаково для тяжелых объектов и для легких, при условии, что трение воздуха (сопротивление воздуха) не учитывается. Английский математик и физик Исаак Ньютон улучшил этот анализ, определив силу и массу и связав их с ускорением. Для объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, законы Ньютона были заменены теорией относительности Альберта Эйнштейна . [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, которая является изучением того, что вызывает движение.
Подобно различию между квантовой и классической механикой, общая и специальная теории относительности Альберта Эйнштейна расширили сферу применения формулировки механики Ньютона и Галилея . Различия между релятивистской и ньютоновской механикой становятся значительными и даже доминирующими, когда скорость тела приближается к скорости света . Например, в ньютоновской механике кинетическая энергия свободной частицы равна E = 1/2 mv 2 , тогда как в релятивистской механике это E = ( γ − 1) mc 2 (где γ — фактор Лоренца ; эта формула сводится к ньютоновскому выражению в пределе низкой энергии). [17]
Для высокоэнергетических процессов квантовая механика должна быть скорректирована с учетом специальной теории относительности; это привело к развитию квантовой теории поля . [18]
