Klasik mekanik (Newton mekaniği). Klasik fizik

Klasik mekaniğin temelleri

Mekanik- cisimlerin mekanik hareket yasalarını inceleyen bir fizik dalı.

Vücut– somut bir maddi nesne.

Mekanik hareket- değiştirmek hükümler vücut veya parçaları zaman içinde uzayda kalır.

Aristoteles, bu tür bir hareketi, bir cismin diğer cisimlere göre yerinin doğrudan değişmesi olarak temsil ediyordu, çünkü onun fiziğinde maddi dünya, uzayla ayrılmaz bir şekilde bağlantılıydı ve onunla birlikte var oluyordu. Zamanın bir bedenin hareketinin ölçüsü olduğunu düşünüyordu. Hareketin doğasına ilişkin görüşlerde daha sonra meydana gelen değişiklikler, uzay ve zamanın fiziksel bedenlerden kademeli olarak ayrılmasına yol açtı. Nihayet, mutlaklaştırma Newton'un uzay ve zaman kavramı genellikle onları olası deneyim sınırlarının ötesine taşıyordu.

Ancak bu yaklaşım 18. yüzyılın sonuna doğru tam bir yapı inşa etmeyi mümkün kıldı. sistemşimdi mekanik denir klasik. Klasisizm bu mu:

1) az sayıda başlangıç ​​tanımı ve aksiyomu kullanarak makrokozmosta mekanik olayların çoğunu tanımlar;

2) kesinlikle matematiksel olarak gerekçelendirilmiş;

3) genellikle bilimin daha spesifik alanlarında kullanılır.

Tecrübe şunu gösteriyor klasik mekanik geçerlidir v hızlarına sahip cisimlerin hareketinin tanımına<< с ≈ 3·10 8 м/с. Ее основные разделы:

1) statik, cisimlerin denge koşullarını inceler;

2) kinematik - vücutların nedenleri dikkate alınmadan hareketi;

3) dinamik - bedenlerin etkileşiminin hareketleri üzerindeki etkisi.

Temel Mekanik kavramları:

1) Mekanik bir sistem, belirli bir görev için gerekli olan, zihinsel olarak tanımlanmış bir dizi vücuttur.

2) Maddi nokta, bu problem çerçevesinde şekli ve boyutları ihmal edilebilecek bir cisimdir. Bir cisim maddi noktalardan oluşan bir sistem olarak temsil edilebilir.

3) Kesinlikle katı bir cisim, belirli bir problemin koşulları altında herhangi iki nokta arasındaki mesafe değişmeyen bir cisimdir.

4) Hareketin göreliliği, bir cismin uzaydaki konumundaki değişikliğin ancak diğer bazı cisimlerle ilişkili olarak belirlenebileceği gerçeğinde yatmaktadır.

5) Referans cisim (RB) – bu problemde hareketin dikkate alındığı tamamen katı bir cisim.

6) Referans çerçevesi (FR) = (TO + SC + saat). Koordinat sisteminin (OS) orijini bazı TO noktalarıyla birleştirilir. Saatler zaman dilimlerini ölçer.

Kartezyen SK:

Şekil 5

Konum M malzeme noktası tanımlanır noktanın yarıçap vektörü, – koordinat eksenleri üzerindeki izdüşümleri.

Başlangıç ​​saatini ayarlarsanız T 0 = 0 ise M noktasının hareketi anlatılacaktır vektör işlevi veya üç skaler fonksiyon X(T),sen(T), z(T).

Maddi bir noktanın hareketinin doğrusal özellikleri:

1) yörünge – maddi bir noktanın hareket çizgisi (geometrik eğri),

2) yol ( S) – belirli bir süre içinde kat edilen mesafe,

3) hareket etmek,

4) hız,

5) hızlanma.

Katı bir cismin herhangi bir hareketi iki ana türe indirgenebilir: ilerici Ve rotasyonel Sabit bir eksen etrafında.

İleri hareket- Vücudun herhangi iki noktasını birleştiren düz çizginin orijinal konumuna paralel kaldığı nokta. O zaman tüm noktalar eşit şekilde hareket eder ve tüm vücudun hareketi tanımlanabilir. bir noktanın hareketi.

Döndürme sabit bir eksen etrafında - vücuda sıkı bir şekilde bağlanan düz bir çizginin bulunduğu ve tüm noktaları belirli bir referans çerçevesinde hareketsiz kalan bir hareket. Geriye kalan noktaların yörüngeleri, merkezleri bu çizgi üzerinde olan dairelerdir. Bu durumda uygundur açısal özellikler olan hareketler aynılar Vücudun tüm noktaları için.

Maddi bir noktanın hareketinin açısal özellikleri:

1) radyan [rad] cinsinden ölçülen dönme açısı (açısal yol), burada R– noktanın yörüngesinin yarıçapı,

2) modülü kısa bir süre boyunca dönme açısı olan açısal yer değiştirme dt,

3) açısal hız,

4) açısal ivme.

Şekil 6

Açısal ve doğrusal özellikler arasındaki ilişki:

Dinamik kullanımlar güç kavramı Bir cismin diğeri üzerindeki etkisinin ölçüsü olarak Newton (H) cinsinden ölçülür. Bu etki hareketin nedenidir.

Kuvvetlerin süperpozisyonu ilkesi- birden fazla cismin bir cisim üzerindeki etkisinin sonuçtaki etkisi, bu cisimlerin her birinin ayrı ayrı etkisinin etkilerinin toplamına eşittir. Bu miktara bileşke kuvvet denir ve vücut üzerindeki eşdeğer etkiyi karakterize eder. N tel.

Newton yasaları Mekaniğin deneysel gerçeklerini genelleştirir.

Newton'un 1. yasası. Maddi bir noktanın, kendisine etki eden kuvvetin yokluğunda dinlenme durumunu veya tekdüze doğrusal hareketi koruduğu referans sistemleri vardır; eğer öyleyse.

Böyle bir harekete eylemsizlik veya eylemsizlik hareketi denir ve bu nedenle Newton'un 1. yasasının karşılandığı referans çerçevelerine denir. eylemsizlik(ISO).

Newton'un 2. yasası. , maddi noktanın momentumu nerede, M– kütlesi, yani eğer , o zaman ve sonuç olarak hareket artık eylemsiz olmayacaktır.

Newton'un 3. yasası. İki maddi nokta etkileşime girdiğinde kuvvetler ortaya çıkar ve her iki noktaya da uygulanır.

Mekanik, mekanik hareket adı verilen, doğadaki en basit ve en yaygın hareket biçimlerinden birini inceleyen bir fizik dalıdır.

Mekanik hareket zamanla gövdelerin veya parçalarının birbirlerine göre konumunun değiştirilmesinden oluşur. Böylece mekanik hareket, Güneş çevresinde kapalı yörüngelerde dönen gezegenler tarafından gerçekleştirilir; Dünya yüzeyinde hareket eden çeşitli cisimler; elektromanyetik alanın etkisi altında hareket eden elektronlar vb. Mekanik hareket, maddenin diğer daha karmaşık biçimlerinde ayrılmaz bir parça olarak mevcuttur, ancak kapsamlı değildir.

İncelenen nesnelerin doğasına bağlı olarak mekanik, maddi bir noktanın mekaniği, katı bir cismin mekaniği ve sürekli bir ortamın mekaniği olarak ikiye ayrılır.

Mekaniğin ilkeleri ilk olarak I. Newton (1687) tarafından, ışığın boşluktaki hızına (3·10 8 m/s) kıyasla küçük hızlara sahip makro cisimlerin hareketinin deneysel bir çalışmasına dayanarak formüle edildi.

Makro cisimler bizi çevreleyen sıradan cisimlere, yani çok sayıda molekül ve atomdan oluşan cisimlere denir.

Makro cisimlerin boşluktaki ışık hızından çok daha düşük hızlardaki hareketini inceleyen mekaniğe klasik denir.

Klasik mekanik, Newton'un uzay ve zamanın özelliklerine ilişkin aşağıdaki fikirlerine dayanmaktadır.

Herhangi bir fiziksel süreç uzayda ve zamanda gerçekleşir. Bu, fiziksel olayların tüm alanlarında, her yasanın açıkça veya dolaylı olarak uzay-zaman miktarlarını - mesafeleri ve zaman aralıklarını - içermesi gerçeğinden açıkça anlaşılmaktadır.

Üç boyutlu olan uzay Öklid geometrisine uymaktadır, yani düzdür.

Mesafeler ölçeklerle ölçülür; bunun ana özelliği, bir zamanlar uzunlukları çakışan iki ölçeğin her zaman birbirine eşit kalması, yani sonraki her örtüşmeyle çakışmasıdır.

Zaman aralıkları saat cinsinden ölçülür ve ikincisinin rolü, tekrarlanan bir işlemi gerçekleştiren herhangi bir sistem tarafından gerçekleştirilebilir.

Klasik mekaniğin cisimlerin boyutları ve zaman aralıkları hakkındaki fikirlerinin temel özelliği onların mutlaklık: Ölçek, gözlemciye göre nasıl hareket ederse etsin her zaman aynı uzunluğa sahiptir; Hızları aynı olan ve bir kez aynı hizaya getirilen iki saat, nasıl hareket ederlerse etsinler aynı zamanı gösterirler.

Uzay ve zamanın dikkate değer özellikleri vardır simetri, içlerinde belirli süreçlerin ortaya çıkmasına kısıtlamalar getirmek. Bu özellikler deneysel olarak belirlenmiştir ve ilk bakışta o kadar açık görünmektedir ki, onları izole etmeye ve onlarla uğraşmaya gerek yokmuş gibi görünmektedir. Bu arada, uzaysal ve zamansal simetri olmadan hiçbir fizik bilimi ortaya çıkamaz veya gelişemezdi.

O alan ortaya çıktı homojen olarak Ve izotropik olarak ve zaman - homojen olarak.

Uzayın homojenliği, aynı fiziksel olayların, aynı koşullar altında, uzayın farklı kısımlarında aynı şekilde meydana gelmesinden oluşur. Uzaydaki tüm noktalar bu nedenle tamamen ayırt edilemez, hak bakımından eşittir ve bunlardan herhangi biri koordinat sisteminin kökeni olarak alınabilir. Uzayın homojenliği momentumun korunumu yasasında ortaya çıkar.

Uzayın da izotropisi vardır: her yönde aynı özellikler. Uzayın izotropisi açısal momentumun korunumu yasasında kendini gösterir..

Zamanın homojenliği, zamanın tüm anlarının da eşit, eşdeğer olması, yani aynı olayların aynı koşullarda ortaya çıkmasının, uygulanma ve gözlemlenme zamanına bakılmaksızın aynı olması gerçeğinde yatmaktadır.

Zamanın tekdüzeliği enerjinin korunumu yasasında kendini gösterir..

Bu homojenlik özellikleri olmasaydı, Minsk'te oluşturulan bir fizik kanunu Moskova'da adaletsiz olurdu ve bugün aynı yerde keşfedilen bir fizik kanunu yarın adaletsiz olabilir.

Klasik mekanik, diğer cisimlerin etkisine maruz kalmayan bir cismin doğrusal ve düzgün bir şekilde hareket ettiğini öne süren Galileo-Newton eylemsizlik yasasının geçerliliğini kabul eder. Bu yasa, Newton yasalarının (aynı zamanda Galileo'nun görelilik ilkesinin) karşılandığı eylemsiz referans çerçevelerinin varlığını ileri sürer. Galileo'nun görelilik ilkesi devletler tüm eylemsiz referans çerçevelerinin mekanik olarak birbirine eşdeğer olduğu, mekaniğin tüm yasaları bu referans çerçevelerinde aynıdır veya başka bir deyişle, farklı eylemsiz referans çerçevelerindeki herhangi bir olayın uzay-zamansal ilişkisini ifade eden Galilean dönüşümleri altında değişmezdir. Galile dönüşümleri, herhangi bir olayın koordinatlarının göreceli olduğunu, yani farklı referans sistemlerinde farklı değerlere sahip olduklarını gösterir; Olayın meydana geldiği anlar farklı sistemlerde aynıdır. İkincisi, farklı referans sistemlerinde zamanın aynı şekilde aktığı anlamına gelir. Bu durum o kadar açık görünüyordu ki, özel bir varsayım olarak bile dile getirilmemişti.

Klasik mekanikte uzun menzilli eylem ilkesi gözetilir: cisimlerin etkileşimleri anında, yani sonsuz yüksek bir hızla yayılır.

Cisimlerin hareket hızlarına ve cisimlerin boyutlarına bağlı olarak mekanik klasik, göreli ve kuantum olarak ikiye ayrılır.

Daha önce de belirttiğimiz gibi kanunlar klasik mekanik yalnızca kütlesi atomun kütlesinden çok daha büyük olan makro cisimlerin, ışığın boşluktaki hızına kıyasla düşük hızlardaki hareketi için geçerlidir.

Göreli mekanik Makro cisimlerin boşlukta ışık hızına yakın hızlardaki hareketini dikkate alır.

Kuantum mekaniği- boşluktaki ışık hızından çok daha düşük hızlarda hareket eden mikropartiküllerin mekaniği.

Göreli kuantum mekanik - boşlukta ışık hızına yaklaşan hızlarda hareket eden mikropartiküllerin mekaniği.

Bir parçacığın makroskobik olanlara ait olup olmadığını ve klasik formüllerin ona uygulanabilir olup olmadığını belirlemek için kullanmanız gerekir. Heisenberg'in belirsizlik ilkesi. Kuantum mekaniğine göre, gerçek parçacıklar konum ve momentum açısından ancak belirli bir doğrulukla karakterize edilebilir. Bu doğruluğun sınırı şu şekilde belirlenir:

Nerede
ΔX - koordinat belirsizliği;
ΔP x - momentum eksenine projeksiyonun belirsizliği;
h, 1,05·10 -34 J·s'ye eşit Planck sabitidir;
"≥" - büyüklükten büyük, sıra...

Momentumu kütle ve hızın çarpımı ile değiştirerek şunu yazabiliriz:

Formülden açıkça görülüyor ki parçacığın kütlesi ne kadar küçük olursa koordinatları ve hızı da o kadar az kesin olur. Makroskobik cisimler için, hareketi tanımlamaya yönelik klasik yöntemin pratikte uygulanabilirliği şüphe götürmez. Örneğin, kütlesi 1 g olan bir topun hareketinden bahsettiğimizi varsayalım. Genellikle topun konumu pratik olarak milimetrenin onda biri veya yüzde biri kadar bir doğrulukla belirlenebilir. Her halükarda atom boyutundan daha küçük bir topun konumunun belirlenmesinde bir hatadan bahsetmek pek mantıklı değil. Bu nedenle bulduğumuz belirsizlik ilişkisinden ΔX=10 -10 m koyalım.

ΔX ve ΔVx değerlerinin eşzamanlı küçüklüğü, makro cisimlerin hareketini açıklayan klasik yöntemin pratik uygulanabilirliğinin kanıtıdır.

Hidrojen atomundaki elektronun hareketini düşünelim. Elektronun kütlesi 9,1·10 -31 kg'dır. Elektronun ΔX pozisyonundaki hata her durumda atomun boyutunu, yani ΔX'i aşmamalıdır.<10 -10 м. Но тогда из соотношения неопределенностей получаем

Bu değer, bir atomdaki elektronun hızından bile daha büyüktür; bu, büyüklük sırası olarak 10 6 m/s'ye eşittir. Bu durumda hareketin klasik resmi tüm anlamını yitirir.

Mekanik ikiye ayrılır kinematik, statik ve dinamik. Kinematik, cisimlerin hareketini, bu hareketi belirleyen sebeplerle ilgilenmeden anlatır; Statik, cisimlerin denge koşullarını dikkate alır; Dinamik, hareketin şu veya bu doğasını belirleyen nedenlerle (bedenler arasındaki etkileşimler) bağlantılı olarak bedenlerin hareketini inceler.

Cisimlerin gerçek hareketleri o kadar karmaşıktır ki, onları incelerken, söz konusu hareket için önemsiz olan ayrıntılardan soyutlamak gerekir (aksi takdirde sorun o kadar karmaşık hale gelir ki çözülmesi pratik olarak imkansız olur). Bu amaçla, uygulanabilirliği ilgilendiğimiz problemin spesifik doğasına ve sonucu elde etmek istediğimiz doğruluk derecesine bağlı olan kavramlar (soyutlamalar, idealleştirmeler) kullanılır. Bu kavramlar arasında kavramlar önemli bir rol oynamaktadır. Maddi nokta, maddi noktalar sistemi, kesinlikle katı cisim.

Maddi bir nokta, bir cismin öteleme hareketinin, yalnızca doğrusal boyutları diğer cisimlerin doğrusal boyutlarıyla karşılaştırıldığında, cismin koordinatlarını belirlemenin verilen doğruluğu dahilinde küçük olması durumunda, yardımıyla tanımlandığı fiziksel bir kavramdır ve Vücudun kütlesi ona atfedilir.

Doğada maddi noktalar yoktur. Bir ve aynı cisim, şartlara bağlı olarak ya maddi bir nokta olarak ya da sonlu boyutlarda bir cisim olarak düşünülebilir. Dolayısıyla Güneş'in etrafında dönen Dünya'nın maddi bir nokta olduğu düşünülebilir. Ancak Dünya'nın kendi ekseni etrafında dönüşünü incelerken artık maddi bir nokta olarak kabul edilemez, çünkü bu hareketin doğası Dünya'nın şekli ve boyutundan ve Dünya üzerindeki herhangi bir noktanın geçtiği yoldan önemli ölçüde etkilenir. Kendi ekseni etrafındaki dönüş periyoduna eşit bir sürede yüzey, dünyanın doğrusal boyutlarıyla karşılaştırılabilir. Kütle merkezinin hareketini incelersek, bir uçak maddi bir nokta olarak düşünülebilir. Ancak çevrenin etkisini hesaba katmak veya uçağın ayrı ayrı parçalarındaki kuvvetleri belirlemek gerekiyorsa, uçağı kesinlikle katı bir cisim olarak düşünmeliyiz.

Kesinlikle katı bir cisim, belirli bir problemin koşulları altında deformasyonları ihmal edilebilecek bir cisimdir.

Maddi noktalar sistemi, maddi noktaları temsil eden, incelenmekte olan cisimlerin bir koleksiyonudur.

Rastgele bir cisimler sisteminin hareketinin incelenmesi, etkileşim halindeki maddi noktalar sisteminin incelenmesine indirgenir. Bu nedenle, klasik mekaniğin incelenmesine bir maddi noktanın mekaniği ile başlamak ve daha sonra bir maddi noktalar sisteminin incelenmesine geçmek doğaldır.


GİRİİŞ

Fizik, maddi dünyanın en genel özelliklerini, tüm doğal olayların altında yatan maddenin en genel hareket biçimlerini inceleyen bir doğa bilimidir. Fizik bu olayların uyduğu yasaları belirler.

Fizik ayrıca maddi cisimlerin özelliklerini ve yapısını inceler ve fizik yasalarının teknolojide pratik kullanım yollarını gösterir.

Maddenin çeşitli biçimlerine ve hareketine uygun olarak fizik bir dizi bölüme ayrılmıştır: mekanik, termodinamik, elektrodinamik, titreşim ve dalga fiziği, optik, atom fiziği, çekirdek ve temel parçacıklar.

Fizik ve diğer doğa bilimlerinin kesiştiği noktada yeni bilimler ortaya çıktı: astrofizik, biyofizik, jeofizik, fiziksel kimya vb.

Fizik teknolojinin teorik temelidir. Fiziğin gelişimi, uzay teknolojisi, nükleer teknoloji, kuantum elektroniği vb. gibi yeni teknoloji dallarının yaratılmasının temelini oluşturdu. Buna karşılık, teknik bilimlerin gelişimi, tamamen yeni fiziksel araştırma yöntemlerinin yaratılmasına katkıda bulunuyor. Fizik ve ilgili bilimlerin gelişimini belirler.

KLASİK MEKANİĞİN FİZİKSEL TEMELLERİ

BEN. Mekanik. Genel kavramlar

Mekanik, maddenin en basit hareket biçimi olan mekanik hareketi inceleyen bir fizik dalıdır.

Mekanik hareket, belirli bir hedefe veya geleneksel olarak hareketsiz kabul edilen cisimler sistemine göre uzayda incelenen cismin pozisyonundaki değişiklik olarak anlaşılmaktadır. Herhangi bir periyodik sürecin seçilebildiği, saati olan cisimlerden oluşan böyle bir sisteme ne ad verilir? referans sistemi(BU YÜZDEN.). BU YÜZDEN. genellikle kolaylık sağlamak için seçilir.

S.O. ile hareketin matematiksel bir açıklaması için. Genellikle dikdörtgen olan bir koordinat sistemini ilişkilendirirler.

Mekanikteki en basit cisim maddi bir noktadır. Bu, mevcut problem koşullarında boyutları ihmal edilebilecek bir cisimdir.

Boyutları ihmal edilemeyecek herhangi bir cisim, maddi noktalar sistemi olarak kabul edilir.

Mekanik ikiye ayrılır kinematik Sebeplerini incelemeden hareketin geometrik tanımını ele alan, dinamik, kuvvetlerin etkisi altındaki cisimlerin hareket yasalarını inceleyen ve cisimlerin denge koşullarını inceleyen statik.

2. Bir noktanın kinematiği

Kinematik cisimlerin uzay-zamansal hareketini inceler. Yer değiştirme, yol, zaman t, hız, ivme gibi kavramlarla çalışır.

Maddi bir noktanın hareketi sırasında çizdiği çizgiye yörünge denir. Hareket yörüngelerinin şekline göre doğrusal ve eğrisel olarak ayrılırlar. Vektör , İlk I ve son 2 noktayı birleştirmeye hareket denir (Şekil I.I).

t zamanının her anının kendi yarıçap vektörü vardır:

Böylece bir noktanın hareketi bir vektör fonksiyonuyla açıklanabilir.

biz bunu tanımlıyoruz vektör hareketi belirtmenin yolu veya üç skaler fonksiyon

X= X(T); sen= sen(T); z= z(T) , (1.2)

kinematik denklemler denir. Hareket görevini belirlerler koordinat yol.

Bir noktanın hareketi, zamanın her anı için noktanın yörünge üzerindeki konumu belirlenirse de belirlenecektir; bağımlılık

Hareket görevini belirler doğal yol.

Bu formüllerin her biri temsil eder kanun noktanın hareketi.

3. Hız

Eğer t1 zamanının anı yarıçap vektörüne karşılık geliyorsa ve o zaman aralık boyunca vücut yer değiştirme alacaktır. Bu durumda ortalama hızt miktardır

bu, yörüngeye göre, I ve 2 noktalarından geçen bir keseni temsil eder. Hız t zamanında bir vektör denir

Bu tanımdan, yörüngenin her noktasındaki hızın ona teğetsel olarak yönlendirildiği anlaşılmaktadır. (1.5)'ten hız vektörünün projeksiyonları ve büyüklüğünün aşağıdaki ifadelerle belirlendiği sonucu çıkar:

Hareket kanunu (1.3) verilirse hız vektörünün büyüklüğü aşağıdaki gibi belirlenecektir:

Böylece, hareket yasasını (I.I), (1.2), (1.3) bilerek, hız doktorunun vektörünü ve modülünü hesaplayabilir ve tersine, (1.6), (1.7) formüllerinden hızı bilerek, şunları yapabilirsiniz: Koordinatları ve yolu hesaplayın.

4. Hızlanma

Keyfi hareket sırasında hız vektörü sürekli değişir. Hız vektörünün değişim oranını karakterize eden miktara ivme denir.

Eğer içerideyse. t 1 zamanının anı noktanın hızıdır ve t 2 - , o zaman hız artışı olacaktır (Şekil 1.2). Bu durumda ortalama ivme

ve anlık

Projeksiyon ve ivme modülü için elimizde: , (1.10)

Eğer doğal bir hareket yöntemi verilirse ivme bu şekilde belirlenebilir. Hızın büyüklüğü ve yönü değişir, hız artışı iki büyüklüğe bölünür; - birlikte yönlendirilmiş (hızın büyüklükte artması) ve - dik olarak yönlendirilmiş (hızın yönde artması), yani. = + (Şek. I.З). (1.9)'dan şunu elde ederiz:

Teğetsel (teğetsel) ivme, büyüklükteki değişim oranını karakterize eder (1.13)

normal (merkezcil ivme) yön değişiminin hızını karakterize eder. Hesaplamak A N dikkate almak

Noktanın yörünge boyunca küçük hareketi koşulu altında OMN ve MPQ. Bu üçgenlerin benzerliğinden PQ:MP=MN:OM'yi buluruz:

Bu durumda toplam ivme şu şekilde belirlenir:

5. Örnekler

I. Eşit değişken doğrusal hareket. Bu sabit ivmeli harekettir() . (1.8)’den buluyoruz

veya nerede v 0 - zamandaki hız T 0. İnanmak T 0 =0, buluruz , ve kat edilen mesafe S formül (I.7)'den:

Nerede S 0 başlangıç ​​koşullarından belirlenen bir sabittir.

2. Bir daire içinde düzgün hareket. Bu durumda hız yalnızca yönde yani merkezcil ivmede değişir.

I. Temel kavramlar

Cisimlerin uzaydaki hareketi, birbirleriyle mekanik etkileşimlerinin bir sonucudur, bunun sonucunda cisimlerin hareketinde bir değişiklik veya deformasyon meydana gelir. Dinamikte mekanik etkileşimin bir ölçüsü olarak bir miktar devreye girer: kuvvet. Belirli bir vücut için kuvvet, dış bir faktördür ve hareketin doğası, vücudun kendi özelliklerine bağlıdır - üzerine uygulanan dış etkilere uyum veya vücudun atalet derecesi. Bir cismin eylemsizlik ölçüsü kütlesidir T vücut maddesinin miktarına bağlı olarak.

Böylece mekaniğin temel kavramları şunlardır: Hareketli madde, hareketli maddenin varoluş biçimleri olarak uzay ve zaman, cisimlerin eylemsizliğinin ölçüsü olarak kütle, cisimler arasındaki mekanik etkileşimin ölçüsü olarak kuvvet. kanunlar! Newton tarafından deneysel gerçeklerin genelleştirilmesi ve açıklanması olarak formüle edilen hareketler.

2. Mekaniğin kanunları

1. yasa. Her cisim, dış etkiler bu durumu değiştirmediği sürece bir dinlenme durumunu veya düzgün doğrusal hareket durumunu korur. Birinci yasa, eylemsizlik yasasını ve ayrıca kuvvetin, bedenin eylemsizlik durumunu ihlal eden bir neden olarak tanımını içerir. Bunu matematiksel olarak ifade etmek için Newton, bir cismin momentumu veya momentumu kavramını ortaya attı:

o zaman eğer

2. yasa. Momentumdaki değişim uygulanan kuvvetle orantılıdır ve bu kuvvetin etki yönünde meydana gelir. Ölçü birimlerinin seçilmesi M ve orantı katsayısı birliğe eşit olacak şekilde şunu elde ederiz:

Eğer hareket ederken M= yapı , O

Bu durumda 2. yasa şu şekilde formüle edilir: Kuvvet, cismin kütlesi ile ivmesinin çarpımına eşittir. Bu yasa dinamiğin temel yasasıdır ve verilen kuvvetlere ve başlangıç ​​koşullarına göre cisimlerin hareket yasasını bulmamızı sağlar. 3. yasa. İki cismin birbirine etki ettiği kuvvetler eşittir ve zıt yönlerdedir, yani (2.4)

Newton yasaları, cisme etki eden belirli kuvvetler belirtildikten sonra özel bir anlam kazanır. Örneğin, mekanikte sıklıkla cisimlerin hareketine bu tür kuvvetlerin etkisi neden olur: yerçekimi kuvveti, burada r, cisimler arasındaki mesafedir, yerçekimi sabitidir; yerçekimi - Dünya yüzeyine yakın yer çekimi kuvveti, P= mg; sürtünme kuvveti nerede k temeli klasik mekanik Newton yasaları yalan söylüyor. Kinematik çalışmaları...

  • Temel bilgiler kuantum mekanik ve kimya açısından önemi

    Özet >> Kimya

    Hem varoluş hem de elektromanyetik etkileşimlerle olur. fiziksel atomik-moleküler sistemlerin özellikleri, - zayıf... - başlangıç ​​bölümleri klasik teoriler ( mekanik ve termodinamik), temel yorumlamaya yönelik girişimlerde bulunuldu...

  • Kavramların uygulanması klasik mekanik ve termodinamik

    Test >> Fizik

    Esas fiziksel modern fizikte yüksek statüye sahip bir teori klasik mekanik, temel bilgiler... . Kanunlar klasik mekanik ve matematiksel analiz yöntemlerinin etkinliği kanıtlandı. Fiziksel deney...

  • Kuantumun temel fikirleri mekanik

    Özet >> Fizik

    Yatıyor temel Hamilton denklemlerine benzer şekilde mikrosistemlerin kuantum mekaniksel tanımı klasik mekanik. Kuantum fikrinde mekaniközetle şu: herkes fiziksel değerler klasik mekanik kuantumda mekanik"onlarınki"ne karşılık gelir...

    • Klasik mekanik (Newton mekaniği)

    Fiziğin bir bilim olarak doğuşu, G. Galileo ve I. Newton'un keşifleriyle ilişkilidir. Mekaniğin yasalarını matematik dilinde yazan I. Newton'un katkısı özellikle önemlidir. I. Newton, genellikle klasik mekanik olarak adlandırılan teorisini “Doğal Felsefenin Matematiksel İlkeleri” (1687) adlı çalışmasında özetledi.

    Klasik mekaniğin temelini uzay ve zamana ilişkin üç yasa ve iki hüküm oluşturur.

    I. Newton yasalarını ele almadan önce, bir referans sisteminin ve eylemsiz bir referans sisteminin ne olduğunu hatırlayalım, çünkü I. Newton yasaları tüm referans sistemlerinde karşılanmaz, yalnızca eylemsiz referans sistemlerinde sağlanır.

    Bir referans sistemi, geometrik olarak katı bir ortamın her noktasına yerleştirilmiş bir saat ile desteklenen, örneğin dikdörtgen Kartezyen koordinatlar gibi bir koordinat sistemidir. Geometrik olarak katı bir ortam, aralarındaki mesafelerin sabit olduğu sonsuz bir nokta kümesidir. I. Newton mekaniğinde saatin konumuna bakılmaksızın zamanın aktığı varsayılır. Saatler senkronize olduğundan zaman tüm referans çerçevelerinde aynı şekilde akar.

    Klasik mekanikte uzay Öklidyen kabul edilir ve zaman Öklid düz çizgisiyle temsil edilir. Başka bir deyişle, I. Newton uzayı mutlak olarak kabul ediyordu, yani. her yerde aynıdır. Bu, uzunlukları ölçmek için üzerlerinde bölmeler işaretlenmiş olan deforme olmayan çubukların kullanılabileceği anlamına gelir. Referans sistemler arasında, bir dizi özel dinamik özelliği hesaba katarak diğerlerinden farklı olan sistemleri ayırt edebiliriz.

    Cismin düzgün ve doğrusal olarak hareket ettiği referans sistemine atalet veya Galile sistemi denir.

    Atalet referans sistemlerinin varlığı gerçeği deneysel olarak doğrulanamaz, çünkü gerçek koşullarda maddenin bir kısmını izole etmek ve onu dünyanın geri kalanından izole etmek imkansızdır, böylece maddenin bu kısmının hareketi diğerlerinden etkilenmez. maddi nesneler. Her özel durumda referans sisteminin eylemsiz olarak alınıp alınamayacağını belirlemek için cismin hızının korunup korunmadığı kontrol edilir. Bu yaklaşımın derecesi problemin idealleştirilme derecesini belirler.

    Örneğin, astronomide, gök cisimlerinin hareketi incelenirken, Kartezyen ordinat sistemi genellikle kökeni bazı "sabit" yıldızların kütle merkezinde olan ve koordinat eksenleri yönlendirilen bir eylemsiz referans sistemi olarak alınır. diğer “sabit” yıldızlara. Aslında yıldızlar diğer gök cisimlerine göre yüksek hızlarda hareket ederler, dolayısıyla “sabit” yıldız kavramı görecelidir. Ancak yıldızlar arasındaki mesafelerin büyük olması nedeniyle verdiğimiz konum pratik amaçlar için yeterlidir.

    Örneğin, Güneş Sistemi için en iyi eylemsiz referans sistemi, gezegenimizin kütlesinin %99'undan fazlası olduğundan, kökeni Güneş Sisteminin kütle merkeziyle çakışan ve pratik olarak Güneş'in merkezinde bulunan sistem olacaktır. Sistem Güneş'te yoğunlaşmıştır. Referans sisteminin koordinat eksenleri, durağan olduğu düşünülen uzak yıldızlara yöneliktir. Böyle bir sisteme denir güneş merkezli.

    I. Newton, eylemsiz referans sistemlerinin varlığına ilişkin açıklamayı, Newton'un birinci yasası olarak adlandırılan eylemsizlik yasası biçiminde formüle etti. Bu yasa şunları belirtmektedir: Her cisim, diğer cisimlerin etkisi onu bu durumu değiştirmeye zorlayana kadar dinlenme veya düzgün doğrusal hareket halindedir.

    Newton'un birinci yasası hiçbir şekilde açık değildir. G. Galileo'dan önce bu etkinin hızdaki değişimi (ivmelenmeyi) değil, hızın kendisini belirlediğine inanılıyordu. Bu görüş, hareketinin yavaşlamaması için yatay, düz bir yol boyunca hareket eden bir arabayı sürekli itme ihtiyacı gibi günlük yaşamdan bilinen gerçeklere dayanıyordu. Artık bir arabayı iterek sürtünmenin ona uyguladığı kuvveti dengelediğimizi biliyoruz. Ancak bunu bilmeden, hareketin değişmeden kalması için etkinin gerekli olduğu sonucuna varmak kolaydır.

    Newton'un ikinci yasası şunu belirtir: parçacık momentumunun değişim hızı Parçacığa etki eden kuvvete eşit:

    Nerede T- ağırlık; T- zaman; A-hızlanma; v- hız vektörü; p = mv- dürtü; F- kuvvet.

    Zorla belirli bir cisim üzerindeki diğer cisimlerin etkisini karakterize eden vektör miktarı denir. Bu değerin modülü darbenin şiddetini belirler ve yönü, bu darbenin vücuda verdiği ivmenin yönü ile örtüşür.

    Ağırlık bir cismin eylemsizliğinin bir ölçüsüdür. Altında eylemsizlik Vücudun kuvvet eylemine karşı inatçılığını anlamak, yani. Bir cismin, bir kuvvetin etkisi altında hız değişimine direnme özelliği. Belirli bir cismin kütlesini sayı olarak ifade edebilmek için onu referans cismin birim olarak alınan kütlesiyle karşılaştırmak gerekir.

    Formül (3.1) parçacık hareketinin denklemi olarak adlandırılır. İfade (3.2), Newton'un ikinci yasasının ikinci formülasyonudur: Bir parçacığın kütlesi ile ivmesinin çarpımı, parçacığa etki eden kuvvete eşittir.

    Formül (3.2) öteleme yoluyla hareket etmeleri durumunda uzatılmış cisimler için de geçerlidir. Bir cisme birden fazla kuvvet etki ediyorsa bu kuvvetin etkisi altındadır. F formül (3.1) ve (3.2)'de bunların sonuçları ima edilmektedir; kuvvetlerin toplamı.

    (3.2)'den şu sonuç çıkıyor: f= 0 (yani vücut diğer cisimlerden etkilenmez) ivme A sıfıra eşit olduğundan vücut doğrusal ve düzgün bir şekilde hareket eder. Böylece Newton'un birinci yasası adeta özel durumu olarak ikinci yasanın içinde yer alıyor. Ancak Newton'un birinci yasası, doğadaki eylemsiz referans sistemlerinin varlığına ilişkin bir ifade içerdiğinden ikinciden bağımsız olarak oluşturulmuştur.

    Denklem (3.2), ancak tutarlı bir kuvvet, kütle ve ivme birimi seçimiyle bu kadar basit bir forma sahiptir. Bağımsız ölçü birimi seçimiyle Newton'un ikinci yasası şu şekilde yazılır:

    Nerede İle - orantılılık faktörü.

    Bedenlerin birbirleri üzerindeki etkisi her zaman etkileşim niteliğindedir. Vücudun olması durumunda A vücudu etkiler İÇİNDE kuvvetle Amazon Lojistik daha sonra vücut İÇİNDE vücudu etkiler Ve ile zorla FAB.

    Newton'un üçüncü yasası şunu belirtir: iki cismin etkileşime girdiği kuvvetler eşit büyüklükte ve zıt yöndedir; onlar.

    Bu nedenle kuvvetler her zaman çiftler halinde ortaya çıkar. Formül (3.4)'teki kuvvetlerin farklı cisimlere uygulandığını ve bu nedenle birbirlerini dengeleyemeyeceklerini unutmayın.

    Newton'un üçüncü yasası, ilk ikisi gibi, yalnızca eylemsiz referans çerçevelerinde karşılanır. Eylemsiz referans sistemlerinde geçerli değildir. Ayrıca ışık hızına yakın hızlarda hareket eden cisimlerde Newton'un üçüncü yasasından sapmalar gözlemlenecektir.

    Newton yasalarının üçünün de çok sayıda deney ve gözlemden elde edilen verilerin genelleştirilmesi sonucu ortaya çıktığını ve dolayısıyla ampirik yasalar olduğunu belirtmek gerekir.

    Newton mekaniğinde eylemsiz ve eylemsiz referans sistemleri birbirinden farklı olduğundan tüm referans sistemleri eşit değildir. Bu eşitsizlik klasik mekaniğin olgunluk eksikliğini gösterir. Öte yandan tüm eylemsiz referans sistemleri eşittir ve her birinde Newton yasaları aynıdır.

    1636'da G. Galileo, eylemsiz bir referans çerçevesinde, hiçbir mekanik deneyin hareketsiz mi yoksa düzgün ve doğrusal olarak mı hareket ettiğini belirleyemeyeceğini tespit etti.

    İki eylemsiz referans çerçevesini ele alalım N Ve N", ve sistem jV" sisteme göre hareket eder N eksen boyunca X sabit hızda v(Şekil 3.1).

    Pirinç. 3.1.

    Koordinatların orijini belirlendiği andan itibaren zamanı saymaya başlayacağız. O ve o" çakıştı. Bu durumda koordinatlar X Ve X" keyfi olarak alınan nokta M ifadeyle ilişkilendirilecek x = x" + vt. Koordinat ekseni seçimimizle y - y z~ Z- Newton mekaniğinde zamanın tüm referans sistemlerinde aynı şekilde aktığı varsayılır. t = t". Sonuç olarak dört denklemden oluşan bir set elde ettik:

    Denklemler (3.5) denir Galile dönüşümleri. Bir eylemsiz referans sisteminin koordinatlarından ve zamanından başka bir eylemsiz referans sisteminin koordinatlarına ve zamanına geçmeyi mümkün kılarlar. Bunu aklımızda tutarak, zamana/ilk denkleme (3.5) göre ayrım yapalım. t = t dolayısıyla türev T göre türev ile çakışacaktır G.Şunu elde ederiz:

    Türev parçacığın hızının izdüşümüdür Ve sistemde N

    eksen başına X bu sistemin türevi parçacık hızının izdüşümüdür O"sistemde N"eksen üzerinde X"bu sistemin. Bu nedenle şunu elde ederiz:

    Nerede v = v x =v X "- vektörün eksene izdüşümü X aynı vektörün eksene izdüşümüne denk gelir*".

    Şimdi ikinci ve üçüncü denklemlerin (3.5) türevini alırız ve şunu elde ederiz:

    Denklemler (3.6) ve (3.7) tek bir vektör denklemiyle değiştirilebilir

    Denklem (3.8), parçacık hızını sistemden dönüştürmek için bir formül olarak düşünülebilir. N" sisteme N, veya hızların toplamı kanunu olarak: Bir parçacığın Y sistemine göre hızı, parçacığın sisteme göre hızının toplamına eşittir N" ve sistem hızı N" sisteme göre N. Denklemin (3.8) zamana göre türevini alalım ve şunu elde edelim:

    bu nedenle sistemlere göre parçacık ivmeleri N ve UU aynıdır. Kuvvet F, N, kuvvete eşit F", sistemdeki bir parçacığa etki eden N", onlar.

    Kuvvet, belirli bir parçacık ile onunla etkileşime giren parçacıklar arasındaki mesafelere (ayrıca parçacıkların bağıl hızlarına) bağlı olduğundan ilişki (3.10) karşılanacaktır ve klasik mekanikte bu mesafeler (ve hızlar) varsayılır. tüm eylemsiz referans çerçevelerinde aynı olacaktır. Kütle ayrıca tüm eylemsiz referans sistemlerinde aynı sayısal değere sahiptir.

    Yukarıdaki mantıktan şu sonuç çıkar: eğer ilişki sağlanırsa ta = F, o zaman eşitlik sağlanacak ta = F". Referans sistemleri N Ve N" keyfi olarak alınmıştır, dolayısıyla sonuç şu anlama gelir: klasik mekaniğin yasaları tüm eylemsiz referans sistemleri için aynıdır. Bu ifadeye Galileo'nun görelilik ilkesi denir. Farklı da söyleyebiliriz: Newton'un mekanik yasaları Galileo'nun dönüşümlerine göre değişmez.

    Tüm referans sistemlerinde aynı sayısal değere sahip olan niceliklere değişmez denir (enlem. değişmezler- değişmez). Bu miktarlara örnek olarak elektrik yükü, kütle vb. verilebilir.

    Böyle bir geçiş sırasında formu değişmeyen denklemlere, bir eylemsiz referans sisteminden diğerine geçerken koordinatların ve zamanın dönüşümüne göre de değişmez denir. Bu denklemlere giren nicelikler bir referans sisteminden diğerine geçerken değişebilir ancak bu nicelikler arasındaki ilişkiyi ifade eden formüller değişmez. Bu tür denklemlerin örnekleri klasik mekaniğin yasalarıdır.

    • Parçacık derken maddi bir noktayı kastediyoruz; diğer cisimlere olan mesafeye kıyasla boyutları ihmal edilebilecek bir cisim.

    Klasik mekaniğin ortaya çıkışı, fiziğin katı bir bilime, yani hem başlangıç ​​ilkelerinin hem de nihai sonuçlarının doğruluğunu, nesnelliğini, geçerliliğini ve doğrulanabilirliğini ileri süren bir bilgi sistemine dönüşmesinin başlangıcıydı. Bu ortaya çıkış 16-17. yüzyıllarda gerçekleşti ve Galileo Galilei, Rene Descartes ve Isaac Newton'un isimleriyle ilişkilendirildi. Doğanın “matematikleştirilmesini” gerçekleştirenler ve deneysel-matematiksel doğa görüşünün temellerini atanlar onlardı. Doğayı, uzaysal-geometrik (şekil), niceliksel-matematiksel (sayı, büyüklük) ve mekanik (hareket) özelliklere sahip olan ve matematiksel denklemlerle ifade edilebilecek neden-sonuç ilişkileriyle birbirine bağlanan bir dizi “maddi” nokta olarak sundular. .

    Fiziğin katı bir bilime dönüşmesinin başlangıcı G. Galileo tarafından atıldı. Galileo mekaniğin bir dizi temel ilkesini ve yasasını formüle etti. Yani:

    - eylemsizlik ilkesi, buna göre, bir cisim yatay bir düzlem boyunca harekete karşı herhangi bir dirençle karşılaşmadan hareket ettiğinde, hareketi tekdüzedir ve eğer düzlem uzayda sonsuz bir şekilde uzanıyorsa sürekli olarak devam eder;

    - görelilik ilkesi eylemsizlik sistemlerinde tüm mekaniğin yasalarının aynı olduğu ve içerideyken doğrusal ve düzgün bir şekilde hareket edip etmediğini veya hareketsiz olup olmadığını belirlemenin hiçbir yolu olmadığı;

    - hızların korunumu ilkesi ve bir eylemsiz sistemden diğerine geçiş sırasında mekansal ve zaman aralıklarının korunması. Bu ünlü Galile dönüşümü.

    Mekanik, Isaac Newton'un eserlerinde mantıksal ve matematiksel olarak organize edilmiş temel kavramlar, ilkeler ve kanunlar sistemine bütünsel bir bakış açısı kazandırdı. Öncelikle “Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri” adlı çalışmasında Newton bu çalışmada şu kavramları tanıtıyor: ağırlık veya madde miktarı, eylemsizlik veya bir cismin dinlenme veya hareket durumundaki değişikliklere direnme özelliği, ağırlık kütle ölçüsü olarak, kuvvet veya bir cismin durumunu değiştirmek için üzerinde gerçekleştirilen bir eylem.

    Newton, içindeki cisimlere bağlı olmayan ve her zaman kendilerine eşit olan mutlak (gerçek, matematiksel) uzay ve zaman ile uzayın hareketli parçaları ve ölçülebilir zaman süreleri olan göreceli uzay ve zaman arasında ayrım yaptı.

    Newton'un kavramında özel bir yer doktrini tarafından işgal edilmiştir. yer çekimi veya "göksel" ve karasal cisimlerin hareketini birleştirdiği yerçekimi. Bu öğreti şu ifadeleri içerir:

    Bir cismin yerçekimi, onun içerdiği madde veya kütle miktarıyla orantılıdır;

    Yerçekimi kütleyle orantılıdır;


    Yerçekimi veya yer çekimi ve Dünya ile Ay arasında, aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı olarak etki eden kuvvettir;

    Bu yerçekimi kuvveti, belirli bir mesafedeki tüm maddi cisimler arasında etki eder.

    Yer çekiminin doğasıyla ilgili olarak Newton şunları söyledi: "Hiçbir hipotez icat etmiyorum."

    D. Alembert, Lagrange, Laplace, Hamilton'un çalışmalarında geliştirilen Galileo-Newton mekaniği... sonunda o zamanın dünyasının fiziksel resmini belirleyen uyumlu bir biçim aldı. Bu resim, fiziksel bedenin öz-kimliği ilkelerine dayanıyordu; uzay ve zamandan bağımsızlığı; belirlilik, yani fiziksel bedenlerin belirli durumları arasında katı ve kesin bir neden-sonuç ilişkisi; Tüm fiziksel süreçlerin tersine çevrilebilirliği.

    Termodinamik.

    19. yüzyılda S. Kalno, R. Mayer, D. Joule, G. Hemholtz, R. Clausius, W. Thomson (Lord Kelvin) tarafından ısının işe ve geriye dönüştürülmesi süreci üzerine yapılan çalışmalar, R. Mayer'in yazdığı sonuçlar: "Hareket, ısı..., elektrik birbiriyle ölçülen ve belirli yasalara göre birbirine dönüşen olgulardır." Hemholtz, Mayer'in bu açıklamasını şu sonuca genelleştiriyor: "Doğada var olan gerilim ve canlı güçlerin toplamı sabittir." William Thomson, enerjiyi iş yapabilme yeteneği olarak tanımlayarak, potansiyel ve kinetik enerji kavramlarına “yoğun ve canlı kuvvetler” kavramlarını açıklığa kavuşturdu. R. Clausius bu fikirleri formülasyonda özetledi: "Dünyanın enerjisi sabittir." Böylece, fizikçiler topluluğunun ortak çabaları sayesinde, tüm fiziksel çalışmalar için temel bir ilke ortaya çıktı. Enerjinin korunumu ve dönüşümü kanunu bilgisi.

    Enerjinin korunumu ve dönüşümü süreçleri üzerine yapılan araştırmalar başka bir yasanın keşfedilmesine yol açtı: artan entropi kanunu. Clausius, "Isının daha soğuk bir cisimden daha sıcak bir cisme geçişi telafi edilmeden gerçekleşemez" diye yazmıştı. Clausius, ısının dönüşme yeteneğinin ölçüsünü aradı entropi. Entropinin özü, herhangi bir izole sistemdeki süreçlerin, her türlü enerjinin ısıya dönüştürülmesi yönünde ilerlemesi ve aynı zamanda sistemde mevcut sıcaklık farklarının eşitlenmesi gerektiği gerçeğinde ifade edilir. Bu, gerçek fiziksel süreçlerin geri döndürülemez şekilde ilerlediği anlamına gelir. Entropinin maksimuma doğru yöneldiğini belirten ilkeye termodinamiğin ikinci yasası denir. İlk prensip enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasıdır.

    Artan entropi ilkesi, fiziksel düşünceye bir takım sorunlar getirdi: fiziksel süreçlerin tersinirliği ve tersinmezliği arasındaki ilişki, cisimlerin sıcaklığı eşit olduğunda iş yapamayan enerjinin korunumunun formalitesi. Bütün bunlar termodinamiğin ilkelerinin daha derin bir şekilde gerekçelendirilmesini gerektiriyordu. Her şeyden önce, ısının doğası.

    Böyle bir kanıtlama girişimi, ısının doğasına ilişkin moleküler-atomik düşünceye dayanarak şu sonuca varan Ludwig Boltzmann tarafından yapıldı: istatistiksel termodinamiğin ikinci yasasının doğası, çünkü makroskobik cisimleri oluşturan çok sayıda molekül ve bunların hareketlerinin aşırı hızı ve rastgeleliği nedeniyle yalnızca gözlemliyoruz ortalama değerler. Ortalama değerleri belirlemek olasılık teorisinde bir görevdir. Maksimum sıcaklık dengesinde, moleküler hareketin kaosu da maksimumdur ve tüm düzen ortadan kalkar. Şu soru ortaya çıkıyor: Düzen kaostan yeniden ortaya çıkabilir mi ve eğer öyleyse nasıl ortaya çıkabilir? Fizik, simetri ilkesini ve sinerji ilkesini tanıtarak buna ancak yüz yıl içinde cevap verebilecektir.

    Elektrodinamik.

    19. yüzyılın ortalarına gelindiğinde elektrik ve manyetik olayların fiziği belli bir tamamlanma noktasına ulaşmıştı. Coulomb'un en önemli yasalarından bazıları, Ampere yasası, elektromanyetik indüksiyon yasası, doğru akım yasaları vb. keşfedildi. Bütün bu kanunlar buna dayanıyordu. uzun menzilli prensip. Bunun istisnası, elektriksel eylemin sürekli bir ortam aracılığıyla iletildiğine inanan Faraday'ın görüşleriydi. kısa menzil prensibi. İngiliz fizikçi J. Maxwell, Faraday'ın fikirlerine dayanarak bu kavramı tanıtıyor. elektromanyetik alan denklemlerinde maddenin “keşfettiği” durumu anlatmaktadır. Maxwell şöyle yazıyor: "... Elektromanyetik alan, elektrik veya manyetik durumdaki cisimleri içeren ve çevreleyen uzayın parçasıdır." Maxwell, elektromanyetik alan denklemlerini birleştirerek dalga denklemini elde eder; elektromanyetik dalgalar havada yayılma hızı ışık hızına eşit olan cisim. Bu tür elektromanyetik dalgaların varlığı, 1888'de Alman fizikçi Heinrich Hertz tarafından deneysel olarak doğrulandı.

    Alman fizikçi Hendrik Anton Lorenz, elektromanyetik dalgaların maddeyle etkileşimini açıklamak için varlığın hipotezini öne sürdü. elektron yani tüm ağır cisimlerde büyük miktarlarda bulunan, elektrik yüklü küçük bir parçacık. Bu hipotez, 1896'da Alman fizikçi Zeeman tarafından keşfedilen manyetik alanda spektral çizgilerin bölünmesi olgusunu açıkladı. 1897'de Thomson deneysel olarak en küçük negatif yüklü parçacığın veya elektronun varlığını doğruladı.

    Böylece, klasik fizik çerçevesinde, hareketi, yerçekimini, ısıyı, elektriği, manyetizmayı ve ışığı tanımlayan ve açıklayan oldukça uyumlu ve eksiksiz bir dünya resmi ortaya çıktı. Bu, Lord Kelvin'in (Thomson) fizik yapısının neredeyse tamamlandığını, yalnızca birkaç ayrıntının eksik olduğunu söylemesine yol açtı...

    İlk olarak Maxwell denklemlerinin Galilean dönüşümleri altında değişmez olmadığı ortaya çıktı. İkinci olarak, Maxwell denklemlerinin "bağlı" olduğu mutlak bir koordinat sistemi olarak eter teorisi deneysel olarak doğrulanmadı. Michelson-Morley deneyi, hareketli bir koordinat sisteminde ışık hızının yöne bağlı olmadığını gösterdi HAYIR. Maxwell denklemlerinin korunmasını destekleyen Hendrik Lorentz, bu denklemleri mutlak bir referans çerçevesi olarak etere "bağladı", Galileo'nun görelilik ilkesini ve onun dönüşümlerini feda etti ve kendi dönüşümlerini formüle etti. G. Lorentz'in dönüşümlerinden, bir eylemsiz referans sisteminden diğerine geçerken uzaysal ve zaman aralıklarının değişmez olmadığı sonucu çıktı. Her şey yoluna girecekti, ancak mutlak bir ortamın - eterin - varlığı, belirtildiği gibi deneysel olarak doğrulanmadı. Bu bir kriz.

    Klasik olmayan fizik. Özel görelilik teorisi.

    Özel görelilik teorisinin yaratılışının mantığını anlatan Albert Einstein, L. Infeld'le birlikte yazdığı ortak kitapta şöyle yazıyor: “Şimdi, deneyimlerle yeterince doğrulanan gerçekleri, daha fazla sorun hakkında endişelenmeden bir araya toplayalım. eter:

    1. Işığın kaynağının veya alıcısının hareketinden bağımsız olarak ışığın boş uzaydaki hızı her zaman sabittir.

    2. Birbirlerine göre doğrusal ve düzgün hareket eden iki koordinat sisteminde, tüm doğa yasaları kesinlikle aynıdır ve mutlak doğrusal ve düzgün hareketi tespit etmenin hiçbir yolu yoktur...

    İlk konum ışık hızının sabitliğini ifade eder, ikincisi ise Galileo'nun mekanik olaylar için formüle ettiği görelilik ilkesini doğada meydana gelen her şeye genelleştirir." Einstein, bu iki ilkenin kabul edildiğini ve kuvvet ilkesinin reddedildiğini belirtir. Galile dönüşümü, ışık hızının sabitliğiyle çeliştiği için özel görelilik teorisinin temelini attı. Kabul edilen iki ilkeye göre: Işık hızının sabitliği ve tüm eylemsiz referans çerçevelerinin eşitliği, Einstein. G. Lorentz'in dönüşümlerine göre tüm doğa yasalarının değişmezliği ilkesini ekler. Dolayısıyla tüm eylemsiz çerçevelerde aynı yasalar geçerlidir ve bir sistemden diğerine geçiş Lorentz dönüşümleri ile sağlanır. Hareketli bir saatin ritmi ve hareketli çubukların uzunluğu hıza bağlıdır: Hızı ışık hızına ulaşırsa çubuk sıfıra iner, hareket eden saatin ritmi ise yavaşlar ve saat tamamen durur; ışık hızında hareket edebilir.

    Böylece, hareket eden cisimlerden ve onların durumlarından bağımsız olan Newtoncu mutlak zaman, uzay ve hareket fizikten çıkarıldı.

    Genel görelilik teorisi.

    Daha önce alıntı yapılan kitapta Einstein şunu soruyor: "Fizik yasalarını, yalnızca doğrusal ve tek biçimli hareket eden sistemler için değil, aynı zamanda birbirlerine göre tamamen keyfi hareket eden sistemler için de olmak üzere tüm koordinat sistemleri için geçerli olacak şekilde formüle edebilir miyiz? ” . O da şu cevabı veriyor: "Mümkün görünüyor."

    Özel görelilik teorisinde hareket eden cisimlerden ve birbirlerinden "bağımsızlıklarını" kaybeden uzay ve zaman, dört boyutlu tek bir uzay-zaman sürekliliğinde birbirini "bulmuş" gibi görünüyordu. Sürekliliğin yazarı matematikçi Hermann Minkowski, 1908'de "Elektromanyetik Süreçler Teorisinin Temelleri" adlı çalışmasını yayınladı; burada bundan sonra uzayın ve zamanın kendisinin gölge rolüne düşürülmesi gerektiğini ve yalnızca Her ikisinin de bir tür bağlantısı bağımsızlığın korunmasına devam etmelidir. A. Einstein'ın fikri şuydu: tüm fiziksel yasaları özellikler olarak temsil eder bu sürekliliğin olduğu gibi metrik. Bu yeni konumdan hareketle Einstein, Newton'un çekim yasasını değerlendirdi. Yerine yer çekimi operasyona başladı yerçekimi alanı. Yerçekimi alanları uzay-zaman sürekliliğine onun “eğrisi” olarak dahil edildi. Süreklilik metriği Öklid dışı, "Riemann" metriği haline geldi. Sürekliliğin "eğrisi", içinde hareket eden kütlelerin dağılımının bir sonucu olarak değerlendirilmeye başlandı. Yeni teori, Merkür'ün Güneş etrafındaki dönüşünün Newton'un yerçekimi yasasıyla tutarlı olmayan yörüngesini ve ayrıca Güneş'in yakınından geçen bir yıldız ışığı ışınının sapmasını açıkladı.

    Böylece “eylemsizlik koordinat sistemi” kavramı fizikten çıkarıldı ve genelleştirilmiş bir görelilik ilkesi: herhangi bir koordinat sistemi doğal olayları tanımlamak için eşit derecede uygundur.

    Kuantum mekaniği.

    İkincisi, Lord Kelvin'e (Thomson) göre, 19. ve 20. yüzyılların başında fizik yapısını tamamlayan eksik unsur, tamamen siyah bir cismin termal radyasyon yasalarının incelenmesinde teori ve deney arasında ciddi bir tutarsızlıktı. vücut. Geçerli teoriye göre sürekli olmalı, sürekli. Ancak bu, belirli bir sıcaklıkta siyah bir cisim tarafından yayılan toplam enerjinin sonsuza eşit olması (Rayleigh-Jean formülü) gibi paradoksal sonuçlara yol açtı. Sorunu çözmek için Alman fizikçi Max Planck, 1900 yılında, maddenin yayılan (veya emilen) frekansla orantılı sonlu kısımlar (kuanta) dışında enerji yayamayacağı veya ememeyeceği hipotezini öne sürdü. Bir kısmın (kuantum) enerjisi E=hn, burada n radyasyonun frekansıdır ve h evrensel bir sabittir. Planck'ın hipotezi Einstein tarafından fotoelektrik etkiyi açıklamak için kullanıldı. Einstein ışık veya foton kuantumu kavramını ortaya attı. Ayrıca şunu da önerdi ışık Planck formülüne göre hem dalga hem de kuantum özelliklerine sahiptir. Fizik topluluğu, özellikle 1923'te fotonların varlığını doğrulayan başka bir olgunun keşfedilmesinden bu yana dalga-parçacık ikiliği hakkında konuşmaya başladı: Compton etkisi.

    1924'te Louis de Broglie, ışığın ikili parçacık-dalga doğası fikrini maddenin tüm parçacıklarına genişletti ve şu fikrini ortaya attı: madde dalgaları. Buradan elektronun dalga özelliklerinden, örneğin deneysel olarak belirlenen elektron kırınımından bahsedebiliriz. Bununla birlikte, R. Feynman'ın iki delikli bir kalkana "ateş eden" elektronlarla yaptığı deneyler, bir yandan elektronun hangi delikten uçtuğunu söylemenin, yani koordinatını doğru bir şekilde belirlemenin, diğer yandan da imkansız olduğunu gösterdi. girişimin doğasını bozmadan, tespit edilen elektronların dağılım modelini bozmamak. Bu, elektronun koordinatlarını veya momentumunu bilebileceğimiz, ancak ikisini birden bilemeyeceğimiz anlamına gelir.

    Bu deney, klasik anlamda, uzay ve zamandaki kesin lokalizasyon anlamındaki parçacık kavramının sorgulanmasına neden oldu.

    Mikropartiküllerin "klasik olmayan" davranışının açıklaması ilk kez Alman fizikçi Werner Heisenberg tarafından yapılmıştır. İkincisi, bir mikropartikülün hareket yasasını formüle etti; buna göre, bir parçacığın kesin koordinatına ilişkin bilgi, momentumunun tamamen belirsizliğine yol açar ve bunun tersi de, bir parçacığın momentumunun tam bilgisi, koordinatlarının tamamen belirsizliğine yol açar. W. Heisenberg, bir mikropartikülün koordinat belirsizlikleri ile momentumu arasındaki ilişkiyi kurdu:

    Dx * DP x ³ h, burada Dx koordinat değerindeki belirsizliktir; DP x - dürtü değerindeki belirsizlik; h Planck sabitidir. Bu yasa ve belirsizlik ilişkisine denir belirsizlik ilkesi Heisenberg.

    Belirsizlik ilkesini analiz eden Danimarkalı fizikçi Niels Bohr, deneyin kurulumuna bağlı olarak bir mikropartikülün ya parçacık yapısını ya da dalga doğasını ortaya çıkardığını gösterdi. ama ikisi aynı anda değil. Sonuç olarak, mikropartiküllerin bu iki doğası birbirini dışlar ve aynı zamanda birbirini tamamlayıcı olarak düşünülmelidir ve bunların iki sınıf deneysel duruma (parçacık ve dalga) dayalı açıklamaları, mikropartikülün bütünsel bir açıklaması olmalıdır. “Kendinde” bir parçacık değil, bir “parçacık - cihaz” sistemi vardır. N. Bohr'un bu sonuçlarına denir tamamlayıcılık ilkesi.

    Bu yaklaşım çerçevesinde belirsizlik ve ekliğin bilgisizliğimizin bir ölçüsü olmadığı, aksine mikropartiküllerin objektif özellikleri, bir bütün olarak mikro dünya. Bundan, istatistiksel, olasılıksal yasaların fiziksel gerçekliğin derinliklerinde yattığı ve kesin neden-sonuç bağımlılığının dinamik yasalarının, istatistiksel yasaları ifade etmenin yalnızca bazı özel ve idealleştirilmiş durumları olduğu sonucu çıkar.

    Göreli kuantum mekaniği.

    1927'de İngiliz fizikçi Paul Dirac, o zamana kadar keşfedilen mikropartiküllerin hareketini tanımlamak için özel bir teorinin uygulanmasıyla elektron, proton ve fotonların ışık hızına yakın hızlarda hareket ettiklerine dikkat çekti. görelilik gereklidir. Dirac, hem kuantum mekaniğinin hem de Einstein'ın görelilik teorisinin yasalarını dikkate alarak bir elektronun hareketini tanımlayan bir denklem oluşturdu. Bu denklemin iki çözümü vardı: Bir çözüm pozitif enerjili bilinen bir elektronu veriyordu, diğeri ise negatif enerjili bilinmeyen bir ikiz elektronu veriyordu. Onlara simetrik olan parçacıklar ve antiparçacıklar fikri bu şekilde ortaya çıktı. Bu şu soruyu gündeme getirdi: Vakum boş mu? Einstein'ın esiri "kovmasından" sonra, şüphesiz boş görünüyordu.

    Modern, kanıtlanmış kavramlar, boşluğun yalnızca ortalama olarak "boş" olduğunu söylüyor. İçinde sürekli olarak çok sayıda sanal parçacık ve antipartikül doğuyor ve kayboluyor. Bu durum DE * Dt ³ h ifadesine de sahip olan belirsizlik ilkesine aykırı değildir. Kuantum alan teorisinde vakum, enerjisi yalnızca ortalama olarak sıfır olan bir kuantum alanının en düşük enerji durumu olarak tanımlanır. Yani boşluk, "hiçlik" denilen "bir şeydir".

    Birleşik alan teorisi oluşturma yolunda.

    1918'de Emmy Noether, eğer belirli bir sistem küresel bir dönüşüm altında değişmezse, o zaman onun için belirli bir koruma değeri bulunduğunu kanıtladı. Bundan, (enerjinin) korunumu yasasının bir sonuç olduğu sonucu çıkar. simetriler, gerçek uzay-zamanda var olan.

    Felsefi bir kavram olarak simetri, dünyadaki fenomenlerin farklı ve zıt durumları arasındaki özdeş anların varoluş ve oluşum süreci anlamına gelir. Bu, herhangi bir sistemin simetrisini incelerken, çeşitli dönüşümler altındaki davranışlarını dikkate almanın ve dönüşümlerin tamamında geride kalanları tanımlamanın gerekli olduğu anlamına gelir. değişmez, değişmez söz konusu sistemlere karşılık gelen bazı işlevler.

    Modern fizikte bu kavram kullanılır ölçü simetrisi. Kalibrasyonla demiryolu işçileri dar hatlardan geniş hatlara geçişi kastediyor. Fizikte kalibrasyon başlangıçta seviye veya ölçekteki bir değişiklik olarak da anlaşıldı. Özel görelilikte fizik yasaları, mesafeyi kalibre ederken öteleme veya kaymaya göre değişmez. Ayar simetrisinde değişmezlik gerekliliği belirli bir spesifik etkileşim türüne yol açar. Sonuç olarak, gösterge değişmezliği şu soruyu yanıtlamamızı sağlar: "Doğada bu tür etkileşimler neden ve neden var?" Şu anda fizik dört tür fiziksel etkileşimin varlığını tanımlamaktadır: yerçekimi, güçlü, elektromanyetik ve zayıf. Hepsinin bir ayar doğası vardır ve Lie gruplarının farklı temsilleri olan ayar simetrileri ile tanımlanırlar. Bu, bir birincil varlığın varlığını göstermektedir. süpersimetrik alan, burada etkileşim türleri arasında hala bir ayrım yoktur. Farklılıklar ve etkileşim türleri, orijinal vakumun simetrisinin kendiliğinden, kendiliğinden ihlalinin sonucudur. O halde Evrenin evrimi şöyle görünür: sinerjik kendi kendini organize etme süreci: Boşluk süpersimetrik durumundan genişleme süreci sırasında Evren “büyük patlamaya” kadar ısındı. Tarihinin ilerleyişi, orijinal boşluğun simetrisinin kendiliğinden ihlallerinin meydana geldiği kritik noktalardan - çatallanma noktalarından geçti. İfade sistemlerin kendi kendini organize etmesi başından sonuna kadar çatallanma noktalarında orijinal simetri tipinin kendiliğinden ihlali ve var sinerji ilkesi.

    Çatallanma noktalarında, yani orijinal simetrinin kendiliğinden ihlal edildiği noktalarda kendi kendine örgütlenme yönünün seçimi tesadüfi değildir. Sanki boşluk süpersimetrisi seviyesinde bir insanın “projesi” yani dünyanın neden böyle olduğunu soran bir varlığın “projesi” ile zaten mevcutmuş gibi tanımlanır. Bu antropik prensip 1962 yılında D. Dicke tarafından fizikte formüle edilmiştir.

    Görelilik, belirsizlik, tamamlayıcılık, simetri, sinerji, antropik prensip ilkelerinin yanı sıra dinamik, kesin neden-sonuç bağımlılıklarıyla ilişkili olasılıksal neden-sonuç bağımlılıklarının derin temel doğasının doğrulanması, modern gestaltın kategorik-kavramsal yapısı, fiziksel gerçekliğin imgesi.

    Edebiyat

    1. Akhiezer A.I., Rekalo M.P. Dünyanın modern fiziksel resmi. M., 1980.

    2. Bohr N. Atom fiziği ve insan bilişi. M., 1961.

    3. Bohr N. Nedensellik ve tamamlayıcılık // Bohr N. 2 ciltte seçilmiş bilimsel çalışmalar T.2. M., 1971.

    4. Benim neslimin hayatında M. Fizik doğdu, M., 1061.

    5. Broglie L. De. Fizikte devrim. M., 1963

    6. Heisenberg V. Fizik ve Felsefe. Parça ve bütün. M.1989.

    8. Einstein A., Infeld L. Fiziğin evrimi. M., 1965.