Klassikalise mehaanika alused
Mehaanika– füüsika haru, mis uurib kehade mehaanilise liikumise seaduspärasusi.
Keha– käegakatsutav materiaalne objekt.
Mehaaniline liikumine- muuta sätted keha või selle osad ruumis aja jooksul.
Aristoteles kujutas seda tüüpi liikumist kui keha otsest muutumist oma asukohas teiste kehade suhtes, kuna tema füüsikas oli materiaalne maailm ruumiga lahutamatult seotud ja eksisteeris koos sellega. Ta pidas aega keha liikumise mõõdupuuks. Hilisemad muutused vaadetes liikumise olemusele tõid kaasa ruumi ja aja järkjärgulise eraldumise füüsilistest kehadest. Lõpuks absolutiseerimine Newtoni ruumi- ja ajakontseptsioon viis nad üldiselt võimaliku kogemuse piiridest kaugemale.
Selline lähenemine võimaldas aga 18. sajandi lõpuks ehitada terviklik süsteem mehaanika, nüüd kutsutakse klassikaline. Klassitsism Kas see on kõik:
1) kirjeldab enamikku mehaanilisi nähtusi makrokosmoses, kasutades väikest hulka algmääratlusi ja aksioome;
2) rangelt matemaatiliselt põhjendatud;
3) kasutatakse sageli spetsiifilisemates teadusvaldkondades.
Kogemus näitab seda kehtib klassikaline mehaanika kehade liikumise kirjeldusele kiirustega v<< с ≈ 3·10 8 м/с. Ее основные разделы:
1) staatika uurib kehade tasakaalutingimusi;
2) kinemaatika - kehade liikumine selle põhjuseid arvestamata;
3) dünaamika - kehade vastasmõju mõju nende liikumisele.
Põhiline mehaanika kontseptsioonid:
1) Mehaaniline süsteem on vaimselt tuvastatud kehade kogum, mis on antud ülesande täitmisel hädavajalikud.
2) Materiaalne punkt on keha, mille kuju ja mõõtmed võib selle ülesande raames tähelepanuta jätta. Keha saab kujutada materiaalsete punktide süsteemina.
3) Absoluutselt jäik keha on keha, mille kahe punkti vaheline kaugus antud ülesande tingimustes ei muutu.
4) Liikumise suhtelisus seisneb selles, et keha asukoha muutust ruumis saab tuvastada ainult mõne teise keha suhtes.
5) Võrdluskeha (RB) – absoluutselt jäik keha, mille suhtes antud ülesandes käsitletakse liikumist.
6) Võrdlusraam (FR) = (TO + SC + kell). Koordinaatsüsteemi (OS) alguspunkt on kombineeritud mõne TO-punktiga. Kellad mõõdavad ajaperioode.
Descartesian SK:
Joonis 5
positsioon kirjeldatakse materjali punkti M punkti raadiuse vektor, – selle projektsioonid koordinaattelgedel.
Kui määrate esialgse aja t 0 = 0, siis kirjeldatakse punkti M liikumist vektorfunktsioon või kolm skalaarfunktsiooni x(t),y(t), z(t).
Materiaalse punkti liikumise lineaarsed omadused:
1) trajektoor – materiaalse punkti liikumisjoon (geomeetriline kõver),
2) tee ( S) – seda läbitud vahemaa teatud aja jooksul,
3) kolimine,
4) kiirus,
5) kiirendus.
Jäiga keha mis tahes liikumist saab taandada kaheks peamiseks tüübiks - progressiivne Ja pöörlevümber fikseeritud telje.
Edasi liikumine- selline, kus keha mis tahes kahte punkti ühendav sirgjoon jääb paralleelseks algse asendiga. Siis liiguvad kõik punktid võrdselt ja saab kirjeldada kogu keha liikumist ühe punkti liikumine.
Pöörlemineümber fikseeritud telje - liikumine, mille käigus on kehaga jäigalt ühendatud sirgjoon, mille kõik punktid jäävad antud võrdlusraamis liikumatuks. Ülejäänud punktide trajektoorid on ringid, mille keskpunktid on sellel sirgel. Sel juhul on see mugav nurga omadused liigutused, mis on samad kõigi kehapunktide jaoks.
Materiaalse punkti liikumise nurkomadused:
1) pöördenurk (nurktee), mõõdetuna radiaanides [rad], kus r– punkti trajektoori raadius,
2) nurknihe, mille mooduliks on pöördenurk lühikese aja jooksul dt,
3) nurkkiirus,
4) nurkiirendus.
Joonis 6
Nurga- ja lineaaromaduste vaheline seos:
Dünaamika kasutused tugevuse mõiste, mõõdetuna njuutonites (H), kui ühe keha mõju mõõt teisele. See mõju on liikumise põhjus.
Jõudude superpositsiooni põhimõte– mitme keha mõjust tulenev mõju kehale on võrdne kõigi nende kehade mõjude summaga eraldi. Suurust nimetatakse resultantjõuks ja see iseloomustab samaväärset mõju kehale n tel.
Newtoni seadusedüldistada mehaanika eksperimentaalseid fakte.
Newtoni 1. seadus. On referentssüsteeme, mille suhtes materiaalne punkt säilitab puhkeseisundi või ühtlase sirgjoonelise liikumise ilma sellele mõjuva jõu puudumisel, s.t. kui siis .
Sellist liikumist nimetatakse liikumiseks inertsi teel või inertsiaalseks liikumiseks ja seetõttu nimetatakse tugiraame, milles on täidetud Newtoni 1. seadus. inertsiaalne(ISO).
Newtoni 2. seadus. , kus on materiaalse punkti impulss, m– selle mass, s.o. kui , siis ja järelikult ei ole liikumine enam inertsiaalne.
Newtoni 3. seadus. Kui kaks materiaalset punkti interakteeruvad, tekivad jõud ja neid rakendatakse mõlemale punktile ja .
Mehaanika on füüsika haru, mis uurib looduses üht lihtsaimat ja levinumat liikumisvormi, mida nimetatakse mehaaniliseks liikumiseks.
Mehaaniline liikumine seisneb kehade või nende osade asendi muutmises aja jooksul üksteise suhtes. Seega teostavad mehaanilist liikumist planeedid, mis tiirlevad suletud orbiitidel ümber Päikese; mitmesugused Maa pinnal liikuvad kehad; elektromagnetvälja mõjul liikuvad elektronid jne. Mehaaniline liikumine esineb teistes mateeria keerukamates vormides lahutamatu, kuid mitte ammendava osana.
Sõltuvalt uuritavate objektide olemusest jaguneb mehaanika materiaalse punkti mehaanikaks, tahke keha mehaanikaks ja pideva keskkonna mehaanikaks.
Mehaanika põhimõtted sõnastas esimesena I. Newton (1687) eksperimentaalse uuringu põhjal, mis käsitles makrokehade liikumist väikeste kiirustega võrreldes valguse kiirusega vaakumis (3·10 8 m/s).
Makrokehad nimetatakse tavalisteks meid ümbritsevateks kehadeks, st kehadeks, mis koosnevad tohutul hulgal molekulidest ja aatomitest.
Mehaanikat, mis uurib makrokehade liikumist kiirusel, mis on palju väiksem kui valguse kiirus vaakumis, nimetatakse klassikaliseks.
Klassikaline mehaanika põhineb Newtoni järgmistel ideedel ruumi ja aja omaduste kohta.
Igasugune füüsiline protsess toimub ruumis ja ajas. See ilmneb sellest, et kõigis füüsikaliste nähtuste valdkondades sisaldab iga seadus otseselt või kaudselt aegruumi suurusi – kaugusi ja ajavahemikke.
Ruum, millel on kolm mõõdet, järgib eukleidilist geomeetriat, see tähendab, et see on tasane.
Kaugusi mõõdetakse skaalade abil, mille põhiomadus on see, et kaks kord langevat skaalat jäävad alati üksteisega võrdseks, st kattuvad iga järgneva kattumisega.
Ajavahemikke mõõdetakse tundides ja viimaste rolli saab täita iga korduvat protsessi teostav süsteem.
Klassikalise mehaanika ideede põhijooneks kehade suuruse ja ajavahemike kohta on nende absoluutsus: skaala on alati sama pikkusega, olenemata sellest, kuidas see vaatleja suhtes liigub; kaks kella, millel on sama kiirus ja mis on üks kord joonde viidud, näitavad sama aega olenemata nende liikumisest.
Ruumil ja ajal on märkimisväärsed omadused sümmeetria, millega seatakse piirangud neis teatud protsesside toimumisele. Need omadused on kindlaks tehtud eksperimentaalselt ja tunduvad esmapilgul nii ilmsed, et tundub, et pole vaja neid isoleerida ja nendega tegeleda. Samal ajal poleks ilma ruumilise ja ajalise sümmeetriata saanud tekkida ega areneda ükski füüsikateadus.
Selgub, et ruum homogeenselt Ja isotroopselt ja aeg - homogeenselt.
Ruumi homogeensus seisneb selles, et samad füüsikalised nähtused esinevad samadel tingimustel ruumi erinevates osades ühtemoodi. Kõik ruumipunktid on seega täiesti eristamatud, võrdsete õigustega ja ükskõik millist neist võib võtta koordinaatsüsteemi alguspunktiks. Ruumi homogeensus avaldub impulsi jäävuse seaduses.
Kosmosel on ka isotroopsus: samad omadused igas suunas. Ruumi isotroopia avaldub nurkimpulsi jäävuse seaduses.
Aja homogeensus seisneb selles, et kõik ajahetked on ka võrdsed, samaväärsed, st identsete nähtuste esinemine samades tingimustes on sama, sõltumata nende teostamise ja vaatlemise ajast.
Aja ühetaolisus avaldub energia jäävuse seaduses.
Ilma nende homogeensuse omadusteta oleks Minskis kehtestatud füüsikaseadus Moskvas ebaõiglane ja täna samas kohas avastatud seadus võib homme olla ebaõiglane.
Klassikaline mehaanika tunnustab Galileo-Newtoni inertsiseaduse kehtivust, mille kohaselt keha, mis ei allu teiste kehade mõjule, liigub sirgjooneliselt ja ühtlaselt. See seadus kinnitab inertsiaalsete tugiraamistike olemasolu, milles Newtoni seadused (nagu ka Galilei relatiivsusprintsiip) on täidetud. Galilei relatiivsusteooria põhimõte väidab et kõik inertsiaalsed tugisüsteemid on üksteisega mehaaniliselt samaväärsed, on kõik mehaanika seadused nendes võrdlusraamides ühesugused või teisisõnu on invariantsed Galilei teisendustes, mis väljendavad mis tahes sündmuse ajalis-ruumilist suhet erinevates inertsiaalsetes võrdlusraamides. Galilei teisendused näitavad, et mis tahes sündmuse koordinaadid on suhtelised, see tähendab, et neil on erinevates võrdlussüsteemides erinevad väärtused; sündmuse toimumise ajahetked on erinevates süsteemides samad. Viimane tähendab, et aeg voolab erinevates referentssüsteemides ühtemoodi. See asjaolu tundus nii ilmselge, et seda isegi ei öeldud erilise postulaadina.
Klassikalises mehaanikas järgitakse kaugtegevuse põhimõtet: kehade vastastikmõjud levivad koheselt, st lõpmata suure kiirusega.
Sõltuvalt kehade liikumiskiirusest ja kehade endi mõõtmetest jaotatakse mehaanika klassikaliseks, relativistlikuks ja kvantiks.
Nagu juba märgitud, seadused klassikaline mehaanika rakendatav ainult makrokehade liikumisele, mille mass on palju suurem kui aatomi mass, madalatel kiirustel võrreldes valguse kiirusega vaakumis.
Relativistlik mehaanika käsitleb makrokehade liikumist valguse kiirusele lähedasel kiirusel vaakumis.
Kvantmehaanika- vaakumis valguse kiirusest palju väiksema kiirusega liikuvate mikroosakeste mehaanika.
Relativistlik kvant mehaanika – vaakumis valguse kiirusele läheneva kiirusega liikuvate mikroosakeste mehaanika.
Et teha kindlaks, kas osake kuulub makroskoopiliste hulka ja kas selle jaoks on rakendatavad klassikalised valemid, peate kasutama Heisenbergi määramatuse printsiip. Kvantmehaanika järgi saab reaalseid osakesi asukoha ja impulsi järgi iseloomustada vaid teatud täpsusega. Selle täpsuse piir määratakse järgmiselt
Kus
ΔX - koordinaatide määramatus;
ΔP x - impulsi teljele projektsiooni määramatus;
h on Plancki konstant 1,05·10 -34 J·s;
"≥" – suurem kui suurusjärk, järjekord...
Asendades impulsi massi ja kiiruse korrutisega, saame kirjutada
Valemist selgub, et mida väiksem on osakese mass, seda ebakindlamaks muutuvad selle koordinaadid ja kiirus. Makroskoopiliste kehade puhul on klassikalise liikumise kirjeldamise meetodi praktiline rakendatavus väljaspool kahtlust. Oletame näiteks, et räägime 1 g massiga kuuli liikumisest.Tavaliselt saab kuuli asendit praktiliselt määrata kümnendiku või sajandikmillimeetri täpsusega. Igal juhul vaevalt on mõtet rääkida veast aatomi suurusest väiksema palli asukoha määramisel. Paneme seega ΔX=10 -10 m. Seejärel leiame määramatuse seosest
ΔX ja ΔV x väärtuste samaaegne väiksus on tõend klassikalise makrokehade liikumise kirjeldamise meetodi praktilisest kasutatavusest.
Vaatleme elektroni liikumist vesinikuaatomis. Elektroni mass on 9,1·10 -31 kg. Elektroni asukoha viga ΔX ei tohiks mingil juhul ületada aatomi suurust, see tähendab ΔX<10 -10 м. Но тогда из соотношения неопределенностей получаем
See väärtus on isegi suurem kui elektroni kiirus aatomis, mis on suurusjärgus 10 6 m/s. Selles olukorras kaotab klassikaline liikumispilt igasuguse tähenduse.
Mehaanika jaguneb kinemaatika, staatika ja dünaamika. Kinemaatika kirjeldab kehade liikumist, tundmata huvi põhjuste vastu, mis selle liikumise määrasid; staatika arvestab kehade tasakaalu tingimusi; dünaamika uurib kehade liikumist seoses nende põhjustega (kehadevahelised vastasmõjud), mis määravad selle või teise liikumise olemuse.
Kehade tegelikud liikumised on nii keerulised, et neid uurides tuleb abstraheerida detailidest, mis vaadeldava liikumise jaoks ebaolulised (muidu läheks probleem nii keeruliseks, et seda oleks praktiliselt võimatu lahendada). Selleks kasutatakse mõisteid (abstraktsioonid, idealisatsioonid), mille rakendatavus sõltub meid huvitava probleemi spetsiifikast, aga ka sellest, millise täpsusega soovime tulemust saada. Nende mõistete hulgas on oluline roll mõistetel materiaalne punkt, materiaalsete punktide süsteem, absoluutselt jäik keha.
Materiaalne punkt on füüsikaline mõiste, mille abil kirjeldatakse keha translatsioonilist liikumist, kui ainult selle lineaarmõõtmed on võrreldes teiste kehade lineaarmõõtmetega väikesed keha koordinaatide määramise antud täpsuse piires, ja sellele on määratud keha mass.
Looduses materiaalseid punkte ei eksisteeri. Ühte ja sama keha võib olenevalt tingimustest käsitleda kas materiaalse punktina või lõplike mõõtmetega kehana. Seega võib ümber Päikese liikuvat Maad pidada materiaalseks punktiks. Kuid uurides Maa pöörlemist ümber oma telje, ei saa seda enam pidada materiaalseks punktiks, kuna selle liikumise olemust mõjutavad oluliselt Maa kuju ja suurus ning tee, mida läbib mis tahes punkt maakeral. pind aja jooksul, mis on võrdne selle pöördeperioodiga ümber oma telje, on võrreldav maakera lineaarmõõtmetega. Lennukit võib pidada materiaalseks punktiks, kui uurime selle massikeskme liikumist. Aga kui on vaja arvestada keskkonna mõju või määrata jõude lennuki üksikutes osades, siis tuleb lennukit pidada absoluutselt jäigaks kehaks.
Absoluutselt jäik keha on keha, mille deformatsioonid võib antud probleemi tingimustes tähelepanuta jätta.
Materiaalsete punktide süsteem on vaadeldavate kehade kogum, mis esindavad materiaalseid punkte.
Suvalise kehade süsteemi liikumise uurimine taandub vastastikku mõjutavate materiaalsete punktide süsteemi uurimisele. Seetõttu on loomulik alustada klassikalise mehaanika uurimist ühe materiaalse punkti mehaanikaga ja seejärel liikuda edasi materiaalsete punktide süsteemi uurimise juurde.
SISSEJUHATUS
Füüsika on loodusteadus, mis uurib materiaalse maailma kõige üldisemaid omadusi, aine kõige üldisemaid liikumisvorme, mis on kõigi loodusnähtuste aluseks. Füüsika kehtestab seadused, millele need nähtused alluvad.
Füüsika uurib ka materiaalsete kehade omadusi ja ehitust ning näitab füüsikaseaduste praktilise kasutamise viise tehnoloogias.
Vastavalt aine vormide ja selle liikumise mitmekesisusele jaguneb füüsika mitmeks osaks: mehaanika, termodünaamika, elektrodünaamika, vibratsiooni ja lainete füüsika, optika, aatomi, tuuma ja elementaarosakeste füüsika.
Füüsika ja teiste loodusteaduste ristumiskohas tekkisid uued teadused: astrofüüsika, biofüüsika, geofüüsika, füüsikaline keemia jne.
Füüsika on tehnoloogia teoreetiline alus. Füüsika areng oli aluseks selliste uute tehnoloogiaharude loomisele nagu kosmosetehnoloogia, tuumatehnoloogia, kvantelektroonika jne. Tehnikateaduste areng omakorda aitab kaasa täiesti uute füüsikaliste uurimismeetodite loomisele, määrata füüsika ja sellega seotud teaduste edenemist.
KLASSIKALISE MEHAANIKA FÜÜSIKALISED ALUSED
I. Mehaanika. Üldmõisted
Mehaanika on füüsika haru, mis uurib aine kõige lihtsamat liikumisvormi – mehaanilist liikumist.
Mehaanilise liikumise all mõistetakse uuritava keha asukoha muutumist ruumis ajas teatud eesmärgi või kehade süsteemi suhtes, mida tavapäraselt peetakse liikumatuks. Sellist kehade süsteemi koos kellaga, mille jaoks saab valida mis tahes perioodilise protsessi, nimetatakse võrdlussüsteem(S.O.). S.O. valitakse sageli mugavuse huvides.
Liikumise matemaatiliseks kirjelduseks koos S.O. Need seovad koordinaatsüsteemi, sageli ristkülikukujulise.
Lihtsaim keha mehaanikas on materiaalne punkt. See on keha, mille mõõtmed võib käesoleva probleemi tingimustes tähelepanuta jätta.
Iga keha, mille mõõtmeid ei saa tähelepanuta jätta, käsitletakse materiaalsete punktide süsteemina.
Mehaanika jaguneb kinemaatika, mis käsitleb liikumise geomeetrilist kirjeldust ilma selle põhjuseid uurimata, dünaamika, mis uurib kehade liikumisseadusi jõudude mõjul ja staatika, mis uurib kehade tasakaalutingimusi.
2. Punkti kinemaatika
Kinemaatika uurib kehade ajaruumilist liikumist. See töötab selliste mõistetega nagu nihe, tee, aeg t, kiirus, kiirendus.
Sirget, mida materiaalne punkt oma liikumise ajal kirjeldab, nimetatakse trajektooriks. Liikumistrajektooride kuju järgi jaotatakse need sirgjoonelisteks ja kõverjoonteks. Vektor , algse I ja viimase 2 punkti ühendamist nimetatakse liikumiseks (joonis I.I).
Igal ajahetkel t on oma raadiuse vektor:
Seega saab punkti liikumist kirjeldada vektorfunktsiooniga.
mille me määratleme vektor liikumise määramise viis või kolm skalaarfunktsiooni
x= x(t); y= y(t); z= z(t) , (1.2)
mida nimetatakse kinemaatilisteks võrranditeks. Nad määravad liikumisülesande koordineerida tee.
Punkti liikumine määratakse ka siis, kui iga ajahetke jaoks on kindlaks määratud punkti asukoht trajektooril, s.t. sõltuvus
See määrab liikumisülesande loomulik tee.
Kõik need valemid esindavad seadus punkti liikumine.
3. Kiirus
Kui ajahetk t 1 vastab raadiuse vektorile ja , siis saab keha intervalli jooksul nihke . Sel juhul keskmine kiirust on kogus
mis trajektoori suhtes tähistab punkte I ja 2 läbivat sekanti. Kiirus ajahetkel t nimetatakse vektoriks
Sellest definitsioonist järeldub, et kiirus trajektoori igas punktis on suunatud sellele tangentsiaalselt. (1.5) järeldub, et kiirusvektori projektsioonid ja suurus määratakse avaldiste abil:
Kui on antud liikumisseadus (1.3), siis määratakse kiirusvektori suurus järgmiselt:
Seega, teades liikumisseadust (I.I), (1.2), (1.3), saate arvutada kiiruse doktori vektori ja mooduli ning vastupidi, teades kiirust valemitest (1.6), (1.7) arvutada koordinaadid ja tee.
4. Kiirendus
Suvalise liikumise ajal muutub kiirusvektor pidevalt. Kiirusevektori muutumiskiirust iseloomustavat suurust nimetatakse kiirenduseks.
Kui sisse. ajahetk t 1 on punkti kiirus ja t 2 - , siis on kiiruse juurdekasv (joonis 1.2). Sel juhul keskmine kiirendus
ja hetkeline
Projektsiooni- ja kiirendusmooduli jaoks on meil: , (1.10)
Kui on antud loomulik liikumisviis, siis saabki niimoodi määrata kiirenduse. Kiirus muutub suurusjärgus ja suunas, kiiruse juurdekasv jagatakse kaheks suuruseks; - suunatud piki (kiiruse suurenemine suurusjärgus) ja - suunatud risti (kiiruse suurenemine suunas), s.o. = + (joonis I.З). Alates (1.9) saame:
Tangentsiaalne (tangentsiaalne) kiirendus iseloomustab suuruse muutumise kiirust (1,13)
normaalne (tsentripetaalne kiirendus) iseloomustab suunamuutuse kiirust. Arvutada a n kaaluma
OMN ja MPQ punkti väikese liikumise tingimustes piki trajektoori. Nende kolmnurkade sarnasusest leiame PQ:MP=MN:OM:
Sel juhul määratakse kogukiirendus järgmiselt:
5. Näited
I. Võrdselt muutuv sirgjooneline liikumine. See on liikumine pideva kiirendusega() . Alates (1.8) leiame
või kus v 0 - kiirus ajahetkel t 0 . Uskudes t 0 = 0, leiame , ja läbitud vahemaa S valemist (I.7):
Kus S 0 on algtingimuste põhjal määratud konstant.
2. Ühtlane liikumine ringis. Sel juhul muutub kiirus ainult suunas, see tähendab tsentripetaalset kiirendust.
I. Põhimõisted
Kehade liikumine ruumis on nende mehaanilise vastasmõju tulemus, mille tulemusena toimub kehade liikumise muutus või nende deformatsioon. Dünaamikas mehaanilise interaktsiooni mõõduna võetakse kasutusele suurus – jõud. Antud keha jaoks on jõud väline tegur ja liikumise iseloom sõltub keha enda omadustest – vastavusest sellele mõjuvatele välismõjudele või keha inertsusastmest. Keha inertsi mõõt on selle mass T, olenevalt kehamassi kogusest.
Seega on mehaanika põhimõisted: liikuv aine, ruum ja aeg kui liikuva aine olemasolu vormid, mass kui kehade inertsi mõõt, jõud kui kehadevahelise mehaanilise vastastikmõju mõõt Nende mõistete vahelised seosed on määratud seadused! liikumised, mille Newton sõnastas eksperimentaalsete faktide üldistamise ja selgitamisena.
2. Mehaanika seadused
1. seadus. Iga keha säilitab puhkeseisundi või ühtlase sirgjoonelise liikumise seni, kuni välismõjud seda seisundit ei muuda. Esimene seadus sisaldab inertsiseadust, samuti jõu määratlust keha inertsiaalset seisundit rikkuva põhjusena. Selle matemaatiliseks väljendamiseks võttis Newton kasutusele keha impulsi või impulsi mõiste:
siis kui
2. seadus. Impulsi muutus on võrdeline rakendatava jõuga ja toimub selle jõu toimesuunas. Mõõtühikute valimine m ja nii et proportsionaalsuskoefitsient on võrdne ühtsusega, saame
Kui kolides m= konst , See
Sel juhul on 2. seadus sõnastatud järgmiselt: jõud võrdub keha massi ja selle kiirenduse korrutisega. See seadus on dünaamika põhiseadus ja võimaldab leida kehade liikumise seaduse antud jõudude ja algtingimuste alusel. 3. seadus. Jõud, millega kaks keha mõjutavad teineteist, on võrdsed ja suunatud vastassuunas, st (2.4)
Newtoni seadused omandavad konkreetse tähenduse pärast seda, kui on näidatud kehale mõjuvad konkreetsed jõud. Näiteks sageli on mehaanikas kehade liikumine põhjustatud selliste jõudude toimest: gravitatsioonijõud, kus r on kehade vaheline kaugus, on gravitatsioonikonstant; gravitatsioon - gravitatsioonijõud Maa pinna lähedal, P= mg; hõõrdejõud, kus k alusel klassikaline mehaanika Newtoni seadused valetavad. Kinemaatika õpingud...
Põhitõed kvant mehaanika ja selle tähtsust keemia jaoks
Abstraktne >> KeemiaJust elektromagnetiliste vastasmõjudega on nii olemasolu kui füüsiline aatom-molekulaarsete süsteemide omadused, - nõrk... - need algsed lõigud klassikaline teooriad ( mehaanika ja termodünaamika), edasi alus mida on püütud tõlgendada...
Mõistete rakendamine klassikaline mehaanika ja termodünaamika
Test >> FüüsikaFundamentaalne füüsiline teooria, millel on kaasaegses füüsikas kõrge staatus klassikaline Mehaanika, põhitõed... . Seadused klassikaline mehaanika ja matemaatilise analüüsi meetodid näitasid oma tõhusust. Füüsiline katse...
Kvantide põhiideed mehaanika
Abstraktne >> FüüsikaLamab sisse alus mikrosüsteemide kvantmehaaniline kirjeldus, mis sarnaneb Hamiltoni võrranditega aastal klassikaline mehaanika. Kvantide idees mehaanika taandub sellele: kõik füüsiline väärtused klassikaline mehaanika kvantis mehaanika vastavad "nende omadele"...
Klassikaline mehaanika (Newtoni mehaanika)
Füüsika kui teaduse sündi seostatakse G. Galileo ja I. Newtoni avastustega. Eriti märkimisväärne on I. Newtoni panus, kes pani kirja mehaanika seadused matemaatika keeles. I. Newton kirjeldas oma teooriat, mida sageli nimetatakse klassikaliseks mehaanikaks, oma teoses “Loodusfilosoofia matemaatilised põhimõtted” (1687).
Klassikalise mehaanika alus koosneb kolmest seadusest ja kahest ruumi ja aja sättest.
Enne I. Newtoni seaduste käsitlemist tuletagem meelde, mis on referentssüsteem ja inertsiaalne referentssüsteem, kuna I. Newtoni seadused ei ole täidetud kõigis referentssüsteemides, vaid ainult inertsiaalsetes referentssüsteemides.
Võrdlussüsteem on koordinaatide süsteem, näiteks ristkülikukujulised Descartes'i koordinaadid, millele on lisatud kell, mis asub geomeetriliselt tahke keskkonna igas punktis. Geomeetriliselt tahke meedium on lõpmatu hulk punkte, mille vahelised kaugused on fikseeritud. I. Newtoni mehaanikas eeldatakse, et aeg voolab sõltumata kella asendist, s.t. Kellad on sünkroniseeritud ja seetõttu voolab aeg kõigis võrdluskaadrites sama.
Klassikalises mehaanikas peetakse ruumi eukleidiliseks ja aega kujutab eukleidiline sirgjoon. Teisisõnu pidas I. Newton ruumi absoluutseks, s.t. see on igal pool sama. See tähendab, et pikkuste mõõtmiseks saab kasutada mittedeformeeruvaid vardaid, millele on märgitud vahejaotused. Võrdlussüsteemide hulgast saame eristada neid süsteeme, mis mitmete eriliste dünaamiliste omaduste arvessevõtmise tõttu erinevad teistest.
Võrdlussüsteemi, mille suhtes keha ühtlaselt ja sirgjooneliselt liigub, nimetatakse inertsiaalseks ehk Galileiaks.
Inertsiaalsete referentssüsteemide olemasolu ei saa katseliselt kontrollida, kuna reaalsetes tingimustes on võimatu eraldada osa ainest ja isoleerida seda muust maailmast nii, et selle aineosa liikumist ei mõjutaks muud materiaalsed objektid. Et igal konkreetsel juhul teha kindlaks, kas võrdlusraami saab võtta inertsiaalsena, kontrollitakse, kas keha kiirus säilib. Selle lähenduse aste määrab probleemi idealiseerimise astme.
Näiteks astronoomias võetakse taevakehade liikumist uurides sageli inertsiaalseks referentssüsteemiks Descartes'i ordinaatsüsteemi, mille alguspunkt on mõne “fikseeritud” tähe massikeskmes ja koordinaatide teljed on suunatud. teistele "fikseeritud" staaridele. Tegelikult liiguvad tähed teiste taevaobjektidega võrreldes suure kiirusega, nii et "fikseeritud" tähe mõiste on suhteline. Kuid tähtede suurte kauguste tõttu on meie antud asend praktilistel eesmärkidel piisav.
Näiteks on Päikesesüsteemi parim inertsiaalne võrdlussüsteem selline, mille päritolu langeb kokku Päikesesüsteemi massikeskmega, mis asub praktiliselt Päikese keskpunktis, kuna enam kui 99% meie planeedi massist süsteem on koondunud Päikesele. Võrdlussüsteemi koordinaatteljed on suunatud kaugetele tähtedele, mida peetakse paigalseisvateks. Sellist süsteemi nimetatakse heliotsentriline.
I. Newton sõnastas väite inertsiaalsete võrdlussüsteemide olemasolu kohta inertsiseaduse kujul, mida nimetatakse Newtoni esimeseks seaduseks. See seadus ütleb: Iga keha on puhkeseisundis või ühtlases sirgjoonelises liikumises seni, kuni teiste kehade mõju sunnib teda seda olekut muutma.
Newtoni esimene seadus pole sugugi ilmne. Enne G. Galileod usuti, et see efekt ei määra kiiruse (kiirenduse) muutumist, vaid kiirust ennast. See arvamus põhines igapäevaelust tuntud faktidel, nagu vajadus pidevalt lükata mööda horisontaalset tasast teed liikuvat vankrit, et selle liikumine ei aeglustuks. Nüüd teame, et käru lükates tasakaalustame sellele hõõrdumisel mõjuvat jõudu. Kuid seda teadmata on lihtne jõuda järeldusele, et löök on vajalik liikumise muutmiseks.
Newtoni teine seadus ütleb: osakeste impulsi muutumise kiirus võrdne osakesele mõjuva jõuga:
Kus T- kaal; t- aeg; A-kiirendus; v- kiirusvektor; p = mv- impulss; F- jõud.
Jõuga nimetatakse vektorsuuruseks, mis iseloomustab teiste kehade mõju antud kehale. Selle väärtuse moodul määrab löögi intensiivsuse ja suund langeb kokku selle löögiga kehale antud kiirenduse suunaga.
Kaal on keha inertsi mõõt. Under inerts mõistma keha juhitamatust jõu mõjule, s.t. keha omadus seista vastu kiiruse muutumisele jõu mõjul. Teatud keha massi arvuna väljendamiseks on vaja seda võrrelda ühikuna võetud võrdluskeha massiga.
Valemit (3.1) nimetatakse osakeste liikumise võrrandiks. Avaldis (3.2) on Newtoni teise seaduse teine sõnastus: osakese massi ja selle kiirenduse korrutis on võrdne osakesele mõjuva jõuga.
Valem (3.2) kehtib ka laiendatud kehade puhul, kui need liiguvad translatsiooniliselt. Kui kehale mõjub mitu jõudu, siis jõu all F valemites (3.1) ja (3.2) eeldatakse nende resultant, s.o. jõudude summa.
(3.2) järeldub, et millal F= 0 (st keha ei mõjuta teised kehad) kiirendus A on võrdne nulliga, seega liigub keha sirgjooneliselt ja ühtlaselt. Seega on Newtoni esimene seadus justkui selle erijuhuna teise seaduse sisse lülitatud. Kuid Newtoni esimene seadus moodustatakse teisest sõltumatult, kuna see sisaldab väidet inertsiaalsete võrdlussüsteemide olemasolu kohta looduses.
Võrrandil (3.2) on nii lihtne kuju ainult jõu, massi ja kiirenduse mõõtühikute järjepideva valiku korral. Mõõtühikute sõltumatu valiku korral on Newtoni teine seadus kirjutatud järgmiselt:
Kus Kellele - proportsionaalsustegur.
Kehade mõju üksteisele on alati interaktsiooni olemus. Juhul, kui keha A mõjutab keha IN jõuga FBA siis keha IN mõjutab keha Ja koos jõuga F AB .
Newtoni kolmas seadus ütleb seda jõud, millega kaks keha interakteeruvad, on suuruselt võrdsed ja vastassuunalised, need.
Seetõttu tekivad jõud alati paarikaupa. Pange tähele, et valemis (3.4) olevad jõud rakenduvad erinevatele kehadele ja seetõttu ei saa nad üksteist tasakaalustada.
Newtoni kolmas seadus, nagu ka kaks esimest, on täidetud ainult inertsiaalsetes tugisüsteemides. Mitteinertsiaalsetes võrdlussüsteemides see ei kehti. Lisaks täheldatakse kõrvalekaldeid Newtoni kolmandast seadusest kehadel, mis liiguvad valguse kiirusele lähedase kiirusega.
Tuleb märkida, et kõik kolm Newtoni seadust ilmnesid suure hulga katsete ja vaatluste andmete üldistamise tulemusena ning on seetõttu empiirilised seadused.
Newtoni mehaanikas ei ole kõik võrdlussüsteemid võrdsed, kuna inertsiaalsed ja mitteinertsiaalsed referentssüsteemid erinevad üksteisest. See ebavõrdsus näitab klassikalise mehaanika küpsuse puudumist. Teisest küljest on kõik inertsiaalsed tugisüsteemid võrdsed ja kõigis neist on Newtoni seadused samad.
G. Galileo tegi 1636. aastal kindlaks, et inertsiaalses tugiraamistikus ei saa ühegi mehaanilise katsega kindlaks teha, kas see on puhkeasendis või liigub ühtlaselt ja sirgjooneliselt.
Vaatleme kahte inertsiaalset tugiraamistikku N Ja N", ja süsteem jV" liigub süsteemi suhtes N piki telge Xühtlase kiirusega v(joonis 3.1).
Riis. 3.1.
Aega hakkame lugema hetkest, mil koordinaatide alguspunkt O ja o" langesid kokku. Sel juhul koordinaadid X Ja X" meelevaldselt võetud punkt M seostatakse väljendiga x = x" + vt. Meie koordinaattelgede valikuga y - y z~ Z- Newtoni mehaanikas eeldatakse, et aeg voolab kõigis referentssüsteemides ühtemoodi, s.t. t = t". Järelikult saime nelja võrrandi komplekti:
Nimetatakse võrrandeid (3.5). Galilei teisendused. Need võimaldavad liikuda ühe inertsiaalse tugisüsteemi koordinaatidelt ja kellaajalt teise inertsiaalse tugisüsteemi koordinaatidele ja ajale. Teeme vahet aja suhtes / esimene võrrand (3.5), pidades seda meeles t = t seega tuletis suhtes t langeb kokku tuletisega G. Saame:
Tuletis on osakese kiiruse projektsioon Ja süsteemis N
telje kohta X ja tuletis on osakese kiiruse projektsioon O"süsteemis N"teljel X"Sellest süsteemist. Seetõttu saame
Kus v = v x = v X "- vektori projektsioon teljele X langeb kokku sama vektori projektsiooniga teljele*".
Nüüd eristame teist ja kolmandat võrrandit (3.5) ja saame:
Võrrandid (3.6) ja (3.7) saab asendada ühe vektorvõrrandiga
Võrrandit (3.8) võib vaadelda kas osakeste kiiruse süsteemist teisendamise valemina N" süsteemi sisse N, või kiiruste liitmise seadusena: osakese kiirus süsteemi Y suhtes on võrdne osakese kiiruse summaga süsteemi suhtes N" ja süsteemi kiirus N" süsteemi suhtes N. Diferentseerime võrrandit (3.8) aja suhtes ja saame:
seetõttu osakeste kiirendused süsteemide suhtes N ja UU on samad. Jõud F, N, võrdne jõuga F", mis toimib süsteemis olevale osakesele N", need.
Seos (3.10) on täidetud, kuna jõud sõltub antud osakese ja sellega interakteeruvate osakeste vahelistest kaugustest (samuti osakeste suhtelistest kiirustest) ning need kaugused (ja kiirused) klassikalises mehaanikas eeldatakse olema sama kõigis inertsiaalsetes tugisüsteemides. Massil on ka kõigis inertsiaalsetes tugisüsteemides sama arvväärtus.
Ülaltoodud arutluskäigust järeldub, et kui seos on täidetud ta = F, siis on võrdsus täidetud ta = F". Võrdlussüsteemid N Ja N" võeti meelevaldselt, nii et tulemus tähendab seda klassikalise mehaanika seadused on kõigi inertsiaalsete tugisüsteemide jaoks ühesugused. Seda väidet nimetatakse Galilei relatiivsusprintsiibiks. Võime öelda teisiti: Newtoni mehaanikaseadused on Galileo teisenduste korral muutumatud.
Koguseid, millel on kõigis võrdlussüsteemides sama arvväärtus, nimetatakse muutumatuteks (alates lat. invariantis- muutumatu). Sellisteks suurusteks on näiteks elektrilaeng, mass jne.
Võrrandeid, mille vorm sellise ülemineku käigus ei muutu, nimetatakse ühest inertsiaalsest tugisüsteemist teise liikumisel koordinaatide ja aja teisenemise suhtes invariantseteks. Nendesse võrranditesse sisenevad suurused võivad ühest võrdlussüsteemist teise üleminekul muutuda, kuid nende suuruste vahelist seost väljendavad valemid jäävad muutumatuks. Selliste võrrandite näideteks on klassikalise mehaanika seadused.
- Osakese all peame silmas materiaalset punkti, s.t. keha, mille mõõtmed võib teiste kehade kaugusega võrreldes tähelepanuta jätta.
Klassikalise mehaanika tekkimine oli algus füüsika muutumisele rangeks teaduseks, st teadmiste süsteemiks, mis kinnitab nii oma esialgsete põhimõtete kui ka lõppjärelduste tõesust, objektiivsust, kehtivust ja kontrollitavust. See tekkimine leidis aset 16.–17. sajandil ja seda seostatakse Galileo Galilei, Rene Descartes’i ja Isaac Newtoni nimedega. Just nemad viisid läbi looduse “matematiseerimise” ja panid aluse eksperimentaal-matemaatilisele loodusvaatele. Nad esitlesid loodust kui "materiaalsete" punktide kogumit, millel on ruumigeomeetrilised (kuju), kvantitatiivsed-matemaatilised (arv, suurusjärk) ja mehaanilised (liikumine) omadused ning mida ühendavad põhjus-tagajärg seosed, mida saab väljendada matemaatiliste võrranditega. .
Füüsika rangeks teaduseks muutumise alguse pani G. Galileo. Galileo sõnastas rea mehaanika aluspõhimõtteid ja seadusi. Nimelt:
- inertsi põhimõte, mille kohaselt kui keha liigub piki horisontaaltasapinda, ilma et ta kohtaks liikumistakistust, on tema liikumine ühtlane ja jätkuks pidevalt, kui tasapind ulatuks ruumis lõputult;
- relatiivsuspõhimõte, mille järgi inertsiaalsüsteemides on kõik mehaanika seadused ühesugused ja sees olles pole kuidagi võimalik kindlaks teha, kas see liigub sirgjooneliselt ja ühtlaselt või on puhkeasendis;
- kiiruse säilitamise põhimõte ning ruumiliste ja ajavahemike säilitamine üleminekul ühest inertsiaalsüsteemist teise. See on kuulus Galilei transformatsioon.
Mehaanika sai Isaac Newtoni teostes tervikliku ülevaate loogiliselt ja matemaatiliselt organiseeritud põhimõistete, põhimõtete ja seaduste süsteemist. Esiteks, töös “Loodusfilosoofia matemaatilised põhimõtted” Selles töös tutvustab Newton mõisteid: kaal, või aine kogus, inerts või keha omadus seista vastu muutustele puhkeseisundis või liikumises, kaal, kui massi mõõt, jõudu või kehaga tehtud toiming selle seisundi muutmiseks.
Newton eristas absoluutset (tõelist, matemaatilist) ruumi ja aega, mis ei sõltu neis olevatest kehadest ja on alati iseendaga võrdsed, ning suhtelist ruumi ja aega - ruumi liikuvaid osi ja aja mõõdetavaid kestusi.
Newtoni kontseptsioonis on eriline koht doktriinil gravitatsiooni või gravitatsiooni, milles ta ühendab "taevakehade" ja maakehade liikumise. See õpetus sisaldab väiteid:
Keha gravitatsioon on võrdeline selles sisalduva aine või massi hulgaga;
Gravitatsioon on võrdeline massiga;
Gravitatsioon või gravitatsiooni ja on see jõud, mis mõjub Maa ja Kuu vahel pöördvõrdeliselt nendevahelise kauguse ruuduga;
See gravitatsioonijõud mõjub kõigi materiaalsete kehade vahel vahemaa tagant.
Gravitatsiooni olemuse kohta ütles Newton: "Ma ei leiu hüpoteese."
D. Alemberti, Lagrange'i, Laplace'i, Hamiltoni... töödes välja töötatud Galileo-Newtoni mehaanika sai lõpuks harmoonilise vormi, mis määras tolleaegse maailma füüsilise pildi. See pilt põhines füüsilise keha eneseidentiteedi põhimõtetel; selle sõltumatus ruumist ja ajast; määratlus, see tähendab range ühemõtteline põhjus-tagajärg seos füüsiliste kehade konkreetsete seisundite vahel; kõigi füüsikaliste protsesside pöörduvus.
Termodünaamika.
19. sajandil S. Kalno, R. Mayeri, D. Joule'i, G. Hemholtzi, R. Clausius'e, W. Thomsoni (lord Kelvin) poolt 19. sajandil läbi viidud uuringud soojuse tööks ja tagasi muundamise protsessist viisid selleni, et järeldused, mille kohta R. Mayer kirjutas: “Liikumine, soojus..., elekter on nähtused, mida üksteisega mõõdetakse ja mis muunduvad teatud seaduste järgi üksteiseks.” Hemholtz üldistab selle Mayeri väite järelduseks: "Looduses eksisteerivate pingeliste ja elavate jõudude summa on konstantne." William Thomson selgitas "intensiivsete ja elavate jõudude" mõistet potentsiaalse ja kineetilise energia mõisteteni, defineerides energiat kui võimet teha tööd. R. Clausius võttis need ideed kokku sõnastuses: "Maailma energia on pidev." Seega on füüsika kogukonna ühiste jõupingutuste kaudu kõigi füüsiliste asjade aluspõhimõte teadmised energia jäävuse ja muundamise seadusest.
Energia säilimise ja muundamise protsesside uurimine viis teise seaduse avastamiseni - entroopia suurenemise seadus. "Soojuse üleminek külmemalt kehalt soojemale ei saa toimuda ilma kompensatsioonita," kirjutas Clausius. Clausius nimetas soojuse muundumisvõime mõõtmiseks entroopia. Entroopia olemus väljendub selles, et igas isoleeritud süsteemis peavad protsessid kulgema selles suunas, et kõik energialiigid muundatakse soojuseks, võrdsustades samal ajal süsteemis esinevaid temperatuuride erinevusi. See tähendab, et reaalsed füüsikalised protsessid kulgevad pöördumatult. Põhimõtet, mis kinnitab entroopia tendentsi maksimumini, nimetatakse termodünaamika teiseks seaduseks. Esimene põhimõte on energia jäävuse ja muundamise seadus.
Entroopia suurendamise põhimõte tekitas füüsikalisele mõtlemisele mitmeid probleeme: füüsikaliste protsesside pöörduvuse ja pöördumatuse vaheline seos, energia jäävuse formaalsus, mis ei ole võimeline töötama, kui kehade temperatuur on homogeenne. Kõik see nõudis termodünaamika põhimõtete sügavamat põhjendamist. Esiteks soojuse olemus.
Sellise põhjenduse tegi katse Ludwig Boltzmann, kes, tuginedes soojuse olemuse molekulaar-aatomi ideele, jõudis järeldusele, et statistiline termodünaamika teise seaduse olemus, kuna makroskoopilisi kehasid moodustavate molekulide tohutu arvu ning nende liikumise äärmusliku kiiruse ja juhuslikkuse tõttu jälgime ainult keskmised väärtused. Keskmiste väärtuste määramine on tõenäosusteooria ülesanne. Maksimaalse temperatuuritasakaalu korral on maksimaalne ka molekulide liikumise kaos, mille korral kaob igasugune kord. Tekib küsimus: kas ja kui jah, siis kuidas saab kord kaosest uuesti esile kerkida? Füüsika suudab sellele vastata alles saja aasta pärast, võttes kasutusele sümmeetria- ja sünergiaprintsiibi.
Elektrodünaamika.
19. sajandi keskpaigaks oli elektri- ja magnetnähtuste füüsika jõudnud teatud lõpuni. Avastati mitmeid olulisimaid Coulombi seadusi, Ampere'i seadust, elektromagnetilise induktsiooni seadust, alalisvoolu seadusi jne. Kõik need seadused põhinesid pikamaa põhimõte. Erandiks olid Faraday seisukohad, kes uskusid, et elektriline toime edastatakse pideva keskkonna kaudu, see tähendab lühikese ulatuse põhimõte. Faraday ideedele tuginedes tutvustab kontseptsiooni inglise füüsik J. Maxwell elektromagnetväli ja kirjeldab tema poolt oma võrrandites “avastatud” aine olekut. "... Elektromagnetväli," kirjutab Maxwell, "on see osa ruumist, mis sisaldab ja ümbritseb elektrilises või magnetilises olekus olevaid kehasid." Elektromagnetvälja võrrandeid kombineerides saab Maxwell lainevõrrandi, millest elektromagnetlained, mille levimiskiirus õhus on võrdne valguse kiirusega. Selliste elektromagnetlainete olemasolu kinnitas eksperimentaalselt Saksa füüsik Heinrich Hertz 1888. aastal.
Elektromagnetlainete ja aine vastasmõju selgitamiseks püstitas saksa füüsik Hendrik Anton Lorenz hüpoteesi nende olemasolu kohta. elektron st väike elektriliselt laetud osake, mida leidub tohututes kogustes kõigis kaalukates kehades. See hüpotees selgitas spektrijoonte lõhenemist magnetväljas, mille avastas 1896. aastal saksa füüsik Zeeman. 1897. aastal kinnitas Thomson eksperimentaalselt väikseima negatiivselt laetud osakese ehk elektroni olemasolu.
Nii tekkis klassikalise füüsika raames maailmast üsna harmooniline ja terviklik pilt, mis kirjeldab ja selgitab liikumist, gravitatsiooni, soojust, elektrit ja magnetismi ning valgust. See pani lord Kelvini (Thomson) väitma, et füüsika ehitis oli peaaegu valmis, puudu olid vaid mõned detailid...
Esiteks selgus, et Maxwelli võrrandid on Galilei teisenduste korral muutumatud. Teiseks ei ole teooria eetrist kui absoluutsest koordinaatsüsteemist, millega Maxwelli võrrandid on "seotud", eksperimentaalset kinnitust leidnud. Michelson-Morley eksperiment näitas, et liikuvas koordinaatsüsteemis valguse kiirus ei sõltu suunast Ei. Maxwelli võrrandite säilimise pooldaja Hendrik Lorentz “sidus” need võrrandid eetri kui absoluutse tugiraamistiku külge, ohverdas Galilei relatiivsusprintsiibi, selle teisendused ja sõnastas oma teisendused. G. Lorentzi teisendustest järeldub, et ruumi- ja ajaintervallid on ühest inertsiaalsest referentssüsteemist teise liikudes muutumatud. Kõik oleks hästi, kuid absoluutse meediumi - eetri - olemasolu ei leidnud eksperimentaalselt kinnitust, nagu märgitud. See on kriis.
Mitteklassikaline füüsika. Erirelatiivsusteooria.
Kirjeldades erirelatiivsusteooria loomise loogikat, kirjutab Albert Einstein ühises raamatus L. Infeldiga: „Kogugem nüüd kokku need faktid, mida on kogemusega piisavalt kontrollitud, muretsemata enam selle probleemi pärast. eeter:
1. Valguse kiirus tühjas ruumis on alati konstantne, olenemata valguse allika või vastuvõtja liikumisest.
2. Kahes üksteise suhtes sirgjooneliselt ja ühtlaselt liikuvas koordinaatsüsteemis on kõik loodusseadused rangelt ühesugused ning absoluutse sirgjoonelise ja ühtlase liikumise tuvastamiseks pole vahendeid...
Esimene positsioon väljendab valguse kiiruse püsivust, teine üldistab Galilei relatiivsusprintsiipi, mis on sõnastatud mehaaniliste nähtuste jaoks, kõigele, mis toimub looduses." Einstein märgib, et nende kahe printsiibi aktsepteerimine ja selle põhimõtte tagasilükkamine. Galilei teisendus, kuna see on vastuolus valguse kiiruse püsivusega, pani aluse erirelatiivsusteooriale.Aktsepteeritud kahele põhimõttele: valguse kiiruse püsivusele ja kõigi inertsiaalsete tugisüsteemide samaväärsusele, pani Einstein. lisab G. Lorentzi teisenduste suhtes kõikide loodusseaduste muutumatuse printsiibi.Seetõttu kehtivad samad seadused kõigis inertsiaalsetes raamides ning ülemineku ühest süsteemist teise annavad Lorentzi teisendused.See tähendab, et liikuva kella rütm ja liikuvate varraste pikkus sõltuvad kiirusest: varras kahaneb nullini, kui selle kiirus jõuab valguse kiiruseni ja liikuva kella rütm aeglustub, kell seiskuks täielikult, kui see võiks liikuda valguse kiirusel.
Seega jäeti füüsikast välja newtoni absoluutne aeg, ruum, liikumine, mis olid justkui sõltumatud liikuvatest kehadest ja nende olekust.
Üldrelatiivsusteooria.
Juba viidatud raamatus küsib Einstein: „Kas me saame füüsikaseadusi sõnastada nii, et need kehtiksid kõikide koordinaatsüsteemide jaoks, mitte ainult sirgjooneliselt ja ühtlaselt liikuvate, vaid ka üksteise suhtes täiesti meelevaldselt liikuvate süsteemide jaoks? ” . Ja ta vastab: "See osutub võimalikuks."
Olles erirelatiivsusteoorias kaotanud oma “sõltumatuse” liikuvatest kehadest ja üksteisest, tundusid ruum ja aeg teineteist “leidvat” ühtses aegruumis neljamõõtmelises kontiinumis. Kontiinumi autor, matemaatik Hermann Minkowski avaldas 1908. aastal teose "Elektromagnetiliste protsesside teooria alused", milles ta väitis, et nüüdsest tuleks ruum ise ja aeg ise taandata varjude rolli ja ainult iseseisvus peaks ka edaspidi säilima mingisugune mõlema seos. A. Einsteini idee oli esindavad kõiki füüsikaseadusi omadustena sellest kontiinumist, nagu see on meetriline. Sellest uuest positsioonist lähtudes käsitles Einstein Newtoni gravitatsiooniseadust. Selle asemel gravitatsiooni hakkas ta opereerima gravitatsiooniväli. Gravitatsiooniväljad kaasati aegruumi kontiinumisse selle "kõverusena". Kontiinuummeetriast sai mitteeukleidiline, "Riemanni" mõõdik. Kontiinumi "kõverust" hakati käsitlema selles liikuvate masside jaotumise tulemusena. Uus teooria selgitas Merkuuri pöörlemise trajektoori ümber Päikese, mis ei ole kooskõlas Newtoni gravitatsiooniseadusega, samuti Päikese lähedalt mööduva tähevalguse kiire kõrvalekaldumist.
Seega jäeti füüsikast välja "inertsiaalse koordinaatsüsteemi" mõiste ja üldistatud lause. relatiivsuspõhimõte: loodusnähtuste kirjeldamiseks sobib ühtviisi iga koordinaatsüsteem.
Kvantmehaanika.
Teine, Lord Kelvini (Thomsoni) sõnul oli 19. ja 20. sajandi vahetusel füüsikahoone lõpuleviimiseks puuduv element tõsine lahknevus teooria ja katse vahel absoluutselt musta värvi soojuskiirguse seaduste uurimisel. keha. Valitseva teooria kohaselt peaks see olema pidev, pidev. See aga viis paradoksaalsete järeldusteni, nagu näiteks tõsiasi, et musta keha poolt antud temperatuuril kiirgav koguenergia on võrdne lõpmatusega (Rayleigh-Jeani valem). Probleemi lahendamiseks esitas saksa füüsik Max Planck 1900. aastal hüpoteesi, et aine ei saa kiirata ega neelata energiat, välja arvatud piiratud osades (kvantides), mis on proportsionaalsed emiteeritud (või neeldunud) sagedusega. Ühe osa (kvanti) energia E=hn, kus n on kiirguse sagedus ja h on universaalne konstant. Plancki hüpoteesi kasutas Einstein fotoelektrilise efekti selgitamiseks. Einstein tutvustas valguskvanti ehk footoni mõistet. Ta soovitas seda ka valgus, vastavalt Plancki valemile, omab nii laine- kui ka kvantomadusi. Füüsikutes hakati rääkima laine-osakeste duaalsusest, seda enam, et 1923. aastal avastati veel üks footonite olemasolu kinnitav nähtus – Comptoni efekt.
Aastal 1924 laiendas Louis de Broglie valguse kahekordse korpuskulaarlaine olemuse ideed kõigile aineosakestele, tutvustades idee aine lained. Siit saab rääkida elektroni laineomadustest, näiteks elektronide difraktsioonist, mis tehti kindlaks eksperimentaalselt. Kuid R. Feynmani katsed elektronide "koorimisega" kahe auguga kilbil näitasid, et ühelt poolt on võimatu öelda, millisest august elektron lendab, st täpselt määrata selle koordinaati, ja teiselt poolt. teisest küljest mitte moonutada tuvastatud elektronide jaotusmustrit, häirimata seejuures häirete olemust. See tähendab, et me saame teada kas elektroni koordinaate või impulsi, kuid mitte mõlemat.
See katse seadis kahtluse alla osakese kontseptsiooni klassikalises mõttes täpse lokaliseerimise kohta ruumis ja ajas.
Esimesena andis mikroosakeste "mitteklassikalise" käitumise selgituse saksa füüsik Werner Heisenberg. Viimane sõnastas mikroosakese liikumisseaduse, mille kohaselt osakese täpse koordinaadi tundmine viib selle impulsi täieliku määramatuseni ja vastupidi, osakese impulsi täpne teadmine viib selle koordinaatide täieliku määramatuseni. W. Heisenberg tegi kindlaks seose mikroosakese koordinaatide ja impulsi määramatuste vahel:
Dx * DP x ³ h, kus Dx on koordinaatväärtuse määramatus; DP x - impulsi väärtuse määramatus; h on Plancki konstant. Seda seadust ja määramatuse seost nimetatakse määramatuse põhimõte Heisenberg.
Määramatuse printsiipi analüüsides näitas Taani füüsik Niels Bohr, et olenevalt katse seadistusest näitab mikroosake kas oma korpuskulaarset või lainelist olemust. aga mitte mõlemat korraga. Järelikult on need kaks mikroosakeste olemust üksteist välistavad ja samal ajal tuleks neid pidada üksteist täiendavateks ning nende kirjeldus, mis põhineb kahel katseolukorra klassil (korpuskulaarne ja laineline), peaks olema mikroosakese terviklik kirjeldus. Pole olemas osakest "iseeneses", vaid süsteemne "osake - seade". Neid N. Bohri järeldusi nimetatakse täiendavuse põhimõte.
Selle lähenemisviisi raames ei osutu ebakindlus ja täiendavus mitte meie teadmatuse mõõdupuuks, vaid mikroosakeste objektiivsed omadused, mikromaailm tervikuna. Sellest järeldub, et statistilised tõenäosusseadused peituvad füüsilise reaalsuse sügavustes ning üheselt mõistetava põhjuse-tagajärje sõltuvuse dünaamilised seadused on vaid mõni konkreetne ja idealiseeritud juhtum statistiliste seaduste väljendamiseks.
Relativistlik kvantmehaanika.
1927. aastal juhtis inglise füüsik Paul Dirac tähelepanu asjaolule, et selleks ajaks avastatud mikroosakeste – elektronide, prootonite ja footoni – liikumise kirjeldamiseks, kuna need liiguvad valguse kiirusele lähedasel kiirusel, tuleb rakendada spetsiaalset teooriat. relatiivsusteooria on vajalik. Dirac koostas võrrandi, mis kirjeldas elektroni liikumist, võttes arvesse nii kvantmehaanika kui ka Einsteini relatiivsusteooria seadusi. Sellel võrrandil oli kaks lahendust: üks lahendus andis teadaoleva positiivse energiaga elektroni, teine andis tundmatu, kuid negatiivse energiaga kaksikelektroni. Nii tekkiski mõte osakestest ja nende suhtes sümmeetrilistest antiosakestest. See tõstatas küsimuse: kas vaakum on tühi? Pärast Einsteini eetri "väljaheitmist" tundus see kahtlemata tühi.
Kaasaegsed hästi tõestatud ideed ütlevad, et vaakum on "tühi" ainult keskmiselt. Selles sünnib ja kaob pidevalt tohutul hulgal virtuaalseid osakesi ja antiosakesi. See ei ole vastuolus määramatuse põhimõttega, millel on ka väljend DE * Dt ³ h. Vaakum on kvantväljateoorias määratletud kui kvantvälja madalaima energiaga olek, mille energia on null ainult keskmiselt. Nii et vaakum on "midagi", mida nimetatakse "mitte millekski".
Teel ühtse väljateooria konstrueerimise poole.
1918. aastal tõestas Emmy Noether, et kui teatud süsteem on mingi globaalse teisenduse korral muutumatu, siis on sellel teatud looduskaitseväärtus. Sellest järeldub, et (energia) jäävuse seadus on tagajärg sümmeetriad, mis eksisteerivad reaalses aegruumis.
Sümmeetria kui filosoofiline mõiste tähendab maailma nähtuste erinevate ja vastandlike olekute vahel eksisteerimise ja identsete momentide kujunemise protsessi. See tähendab, et mis tahes süsteemide sümmeetria uurimisel on vaja arvestada nende käitumist erinevate teisenduste korral ja tuvastada kogu teisenduste komplektis need, mis lahkuvad. muutumatu, muutumatu mõned vaadeldavatele süsteemidele vastavad funktsioonid.
Kaasaegses füüsikas kasutatakse seda mõistet mõõdiku sümmeetria. Kalibreerimise all peavad raudteelased silmas üleminekut kitsarööpmelt laiale. Füüsikas mõisteti kalibreerimise all algselt ka taseme või skaala muutust. Erirelatiivsusteoorias ei muutu füüsikaseadused kauguse kalibreerimisel translatsiooni ega nihke suhtes. Mõõdikute sümmeetrias põhjustab invariantsi nõue teatud spetsiifilist vastastikmõju. Järelikult võimaldab mõõdiku muutumatus vastata küsimusele: "Miks ja miks sellised vastasmõjud looduses eksisteerivad?" Praegu määratleb füüsika nelja tüüpi füüsikaliste vastasmõjude olemasolu: gravitatsiooniline, tugev, elektromagnetiline ja nõrk. Kõigil neil on gabariidi iseloom ja neid kirjeldatakse gabariidi sümmeetriate abil, mis on Lie rühmade erinevad esitused. See viitab primaarse olemasolule supersümmeetriline väli, milles interaktsioonitüüpide vahel pole ikka veel vahet. Erinevused ja interaktsiooni tüübid on algse vaakumi sümmeetria spontaanse spontaanse rikkumise tulemus. Universumi evolutsioon ilmneb siis kui sünergiline iseorganiseeruv protsess: Vaakum-supersümmeetrilisest olekust paisumise käigus kuumenes universum üles "suure pauguni". Selle ajaloo edasine käik kulges läbi kriitiliste punktide - bifurkatsioonipunktide, kus tekkisid spontaansed esialgse vaakumi sümmeetria rikkumised. avaldus süsteemide iseorganiseerumine läbi algse sümmeetriatüübi spontaanne rikkumine bifurkatsioonipunktides ja seal on sünergia põhimõte.
Iseorganiseerumise suuna valik bifurkatsioonipunktides, st algse sümmeetria spontaanse rikkumise kohtades, ei ole juhuslik. Seda määratletakse nii, nagu oleks see vaakumi supersümmeetria tasemel juba olemas inimese “projektiga”, st olendi “projektiga”, mis küsib, miks maailm on selline. See antroopiline põhimõte, mille sõnastas füüsikas 1962. aastal D. Dicke.
Relatiivsusteooria, määramatuse, komplementaarsuse, sümmeetria, sünergia, antroopse printsiibi põhimõtted, aga ka tõenäosuslike põhjus-tagajärg sõltuvuste sügava põhiolemuse kinnitus seoses dünaamiliste, ühemõtteliste põhjus-tagajärg sõltuvustega moodustavad kaasaegse geštalti kategoorilis-kontseptuaalne struktuur, kujutlus füüsilisest reaalsusest.
Kirjandus
1. Akhiezer A.I., Rekalo M.P. Moodne füüsiline maailmapilt. M., 1980.
2. Bohr N. Aatomifüüsika ja inimese tunnetus. M., 1961.
3. Bohr N. Põhjuslikkus ja komplementaarsus // Bohr N. Valitud teadustööd 2 köites T.2. M., 1971.
4. Sündis M. Füüsika minu põlvkonna elus, M., 1061.
5. Broglie L. De. Revolutsioon füüsikas. M., 1963
6. Heisenberg V. Füüsika ja filosoofia. Osa ja tervik. M. 1989.
8. Einstein A., Infeld L. Füüsika evolutsioon. M., 1965.