История классической механики - History of classical mechanics

Часть серии по
Классическая механика

Эта статья посвящена история классическая механика.


Предшественники классической механики

Античность

Основная статья: Аристотелевская физика
Законы движения Аристотеля. В Физика он утверждает, что объекты падают со скоростью, пропорциональной их весу и обратно пропорциональной плотности жидкости, в которую они погружены. Это правильное приближение для объектов в земной шар Гравитационное поле движется в воздухе или воде.[1]

Древний Греческие философы, Аристотель в частности, были одними из первых, кто предположил, что абстрактные принципы управляют природой. Аристотель утверждал, что в На небесах, что земные тела поднимаются или опускаются на свое «естественное место» и утверждали в качестве закона правильное приближение, согласно которому скорость падения объекта пропорциональна его весу и обратно пропорциональна плотности жидкости, через которую он падает.[1]

Аристотель верил в логику и наблюдения, но это было более чем за 1800 лет до того, как Френсис Бэкон сначала разработал научный метод экспериментов, который он назвал раздражение природы.[2]

Аристотель видел различие между «естественным движением» и «вынужденным движением» и считал, что «в пустоте», т.е.вакуум, тело в покое останется в покое [3] и движущееся тело продолжит движение.[4] Таким образом, Аристотель был первым, кто подошел к чему-то похожему на закон инерции. Однако он считал, что вакуум будет невозможен, потому что окружающий воздух хлынет, чтобы немедленно заполнить его. Он также считал, что объект перестанет двигаться в неестественном направлении после того, как будут устранены приложенные силы. Позднее аристотелиане разработали подробное объяснение того, почему стрела продолжает лететь по воздуху после того, как она покинула лук, предположив, что стрела создает вакуум на своем пути, в который воздух устремляется, толкая ее сзади. На убеждения Аристотеля повлияло учение Платона о совершенстве круговых равномерных движений небес. В результате он задумал естественный порядок, в котором движения небес были обязательно совершенными, в отличие от земного мира изменяющихся элементов, в котором люди появляются и исчезают.

Галилео позже наблюдал, что «сопротивление воздуха проявляется двумя способами: во-первых, предлагая большее сопротивление менее плотным, чем очень плотным телам, и, во-вторых, оказывая большее сопротивление телу в быстром движении, чем тому же телу в медленном движении». .[5]

Средневековая мысль

Персидский исламский эрудит Ибн Сина опубликовал свою теорию движения в Книга исцеления (1020). Он сказал, что метатель дает снаряду импульс, и считал его постоянным, требующим внешних сил, таких как сопротивление воздуха рассеять это.[6][7][8] Ибн Сина проводил различие между «силой» и «наклоном» (называемым «майл») и утверждал, что полученный объект может быть достигнут, когда объект находится в оппозиции своему естественному движению. Поэтому он пришел к выводу, что продолжение движения связано с наклоном, передаваемым объекту, и этот объект будет находиться в движении до тех пор, пока не будет израсходована майла. Он также утверждал, что снаряд в вакууме не остановится, если на него не воздействовать. Эта концепция движения согласуется с первым законом движения Ньютона - инерцией. Это говорит о том, что движущийся объект будет продолжать движение, если на него не действует внешняя сила.[9] Эта идея, расходившаяся с аристотелевской точкой зрения, была позже описана как «импульс». Джон Буридан, находившийся под влиянием Ибн Сины Книга исцеления.[10]

В 12 веке Хибат Аллах Абу'л-Баракат аль-Багдади принял и модифицировал теорию Авиценны о движение снаряда. В его Китаб аль-Мутабар, Абу'л-Баракат заявил, что движущийся придает склонность к насилию (Майл Касри) на перемещаемом, и это уменьшается по мере того, как движущийся объект удаляется от движущегося.[11] В соответствии с Шломо Пайнс, теория аль-Багдади движение было "старейшим отрицанием Аристотель фундаментальный динамический закон [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение], [и, таким образом,] неопределенное предвосхищение фундаментального закона классическая механика [а именно, что сила, приложенная непрерывно, вызывает ускорение] ".[12] Того же века, Ибн Баджах предположил, что для каждой силы всегда есть сила реакции. Хотя он не уточнил, что эти силы равны, это все еще ранняя версия третьего закона движения, который гласит, что для каждого действия существует равное и противоположное противодействие.[13]

В 14 веке французский священник Жан Буридан разработал теория импульса под влиянием Ибн Сины[10] и аль-Багдаадхи.[11] Альберт, Епископ Хальберштадтский, развил теорию дальше.

Становление классической механики

Только когда Галилео Галилей Благодаря развитию телескопа и его наблюдениям стало ясно, что небеса не созданы из совершенной, неизменной субстанции. Принятие Коперник Согласно гелиоцентрической гипотезе, Галилей считал, что Земля такая же, как и другие планеты. Галилей, возможно, провел знаменитый эксперимент по сбрасыванию двух пушечных ядер с Пизанская башня. (Теория и практика показали, что они оба ударились о землю одновременно.) Хотя реальность этого эксперимента оспаривается, он действительно проводил количественные эксперименты, катая шары по наклонная плоскость; его правильная теория ускоренного движения, по-видимому, была выведена из результатов экспериментов. Галилей также обнаружил, что тело, упавшее вертикально, ударяется о землю одновременно с телом, проецируемым горизонтально, поэтому при равномерном вращении Земли объекты все равно падают на землю под действием силы тяжести. Что еще более важно, он утверждал, что равномерное движение неотличимый от остальных, и таким образом составляет основу теории относительности.

Сэр Исаак Ньютон был первым, кто объединил три закона движения (закон инерции, его второй закон, упомянутый выше, и закон действия и противодействия), и доказал, что эти законы управляют как земными, так и небесными объектами. Ньютон и большинство его современников, за заметным исключением Кристиан Гюйгенс, надеялся, что классическая механика сможет объяснить все сущности, включая (в форме геометрической оптики) свет. Собственное объяснение Ньютона Кольца Ньютона избегал волновых принципов и предполагал, что световые частицы изменяются или возбуждаются стеклом и резонируют.

Ньютон также разработал исчисление что необходимо для выполнения математических расчетов, используемых в классической механике. Однако это было Готфрид Лейбниц который независимо от Ньютона разработал исчисление с обозначением производная и интеграл которые используются по сей день. Классическая механика сохраняет точечную нотацию Ньютона для производных по времени.

Леонард Эйлер расширил законы движения Ньютона от частиц до твердые тела с двумя дополнительными законы. Работа с твердыми материалами под действием сил приводит к деформации это можно определить количественно. Идею сформулировал Эйлер (1727 г.), а в 1782 г. Джордано Риккати начал определять эластичность некоторых материалов, а затем Томас Янг. Симеон Пуассон расширенное исследование до третьего измерения с коэффициент Пуассона. Габриэль Ламе обратился к исследованию обеспечения устойчивости конструкций и представил Параметры Ламе.[14] Эти коэффициенты установлены линейная эластичность теории и положил начало области механика сплошной среды.

После Ньютона новые формулировки постепенно позволяли решать гораздо большее количество проблем. Первый был построен в 1788 г. Жозеф Луи Лагранж, Итальянский -Французский математик. В Лагранжева механика решение использует путь наименьшего действие и следует за вариационное исчисление. Уильям Роуэн Гамильтон переформулировал лагранжеву механику в 1833 году. Гамильтонова механика заключалось в том, что его структура позволяет более глубоко взглянуть на основные принципы. Большинство рамок гамильтоновой механики можно увидеть в квантовая механика однако точное значение терминов различается из-за квантовых эффектов.

Хотя классическая механика во многом совместима с другими "классическая физика "теории, такие как классические электродинамика и термодинамика, в конце 19 века были обнаружены некоторые трудности, которые могли быть разрешены только более современной физикой. В сочетании с классической термодинамикой классическая механика приводит к Парадокс гиббса в котором энтропия не является точно определенной величиной. Когда эксперименты достигли атомного уровня, классическая механика не смогла объяснить даже приблизительно такие основные вещи, как уровни энергии и размеры атомов. Попытки решить эти проблемы привели к развитию квантовой механики. Точно так же разное поведение классических электромагнетизм и классическая механика при преобразованиях скорости привела к теория относительности.

Классическая механика в современную эпоху

К концу ХХ века классическая механика в физика больше не была независимой теорией. Наряду с классической электромагнетизм, это стало частью релятивистская квантовая механика или же квантовая теория поля[1]. Он определяет нерелятивистский, неквантово-механический предел для массивных частиц.

Классическая механика также была источником вдохновения для математиков. Осознание того, что фазовое пространство в классической механике допускает естественное описание как симплектическое многообразие (действительно котангенсный пучок в большинстве случаев, представляющих физический интерес), и симплектическая топология, которую можно рассматривать как исследование глобальных проблем гамильтоновой механики, с 1980-х годов была плодотворной областью математических исследований.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ а б Ровелли, Карло (2015). «Физика Аристотеля: взгляд физика». Журнал Американской философской ассоциации. 1 (1): 23–40. arXiv:1312.4057. Дои:10.1017 / apa.2014.11.
  2. ^ Питер Пешич (март 1999 г.). «Борьба с Протеем: Фрэнсис Бэкон и« пытки »природы». Исида. Издательство Чикагского университета от имени Общества истории науки. 90 (1): 81–94. Дои:10.1086/384242. JSTOR  237475.
  3. ^ Аристотель: На небесах (де Caelo), книга 13, раздел 295a
  4. ^ Аристотель: Книга 4 по физике О движении в пустоте
  5. ^ Галилео Галилей, Диалоги о двух новых науках Галилео Галилея. Перевод с итальянского и латинского на английский Генри Крю и Альфонсо де Сальвио. С введением Антонио Фаваро (Нью-Йорк: Макмиллан, 1914). Глава: Движение снарядов
  6. ^ Эспиноза, Фернандо (2005). «Анализ исторического развития идей о движении и его значение для обучения». Физическое образование. 40 (2): 141. Bibcode:2005PhyEd..40..139E. Дои:10.1088/0031-9120/40/2/002.
  7. ^ Сейед Хоссейн Наср И Мехди Амин Разави (1996). Исламская интеллектуальная традиция в Персии. Рутледж. п. 72. ISBN  978-0-7007-0314-2.
  8. ^ Айдын Сайили (1987). «Ибн Сина и Буридан о движении снаряда». Летопись Нью-Йоркской академии наук. 500 (1): 477–482. Bibcode:1987НЯСА.500..477С. Дои:10.1111 / j.1749-6632.1987.tb37219.x.
  9. ^ Эспиноза, Фернандо. «Анализ исторического развития представлений о движении и его значение для обучения». Физическое образование. Vol. 40 (2).
  10. ^ а б Сайили, Айдын. «Ибн Сина и Буридан о движении снаряда». Анналы Нью-Йоркской академии наук, т. 500 (1). с.477-482.
  11. ^ а б Гутман, Оливер (2003). Псевдо-Авиценна, Liber Celi Et Mundi: Критическое издание. Brill Publishers. п. 193. ISBN  90-04-13228-7.
  12. ^ Сосны, Шломо (1970). «Абу'л-Баракат аль-Багдади, Хибат Аллах». Словарь научной биографии. 1. Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера. С. 26–28. ISBN  0-684-10114-9.
    (ср. Абель Б. Франко (октябрь 2003 г.). "Avempace, Projectile Motion, and Impetus Theory", Журнал истории идей 64 (4), стр. 521-546 [528].)
  13. ^ Франко, Абель Б. "Avempace, движение снаряда и теория толчка". Журнал истории идей. Vol. 64 (4): 543.
  14. ^ Габриэль Ламе (1852) Leçons sur la théorie mathématique de l'élasticité des corps solides (Башелье)

Рекомендации

  • Трусделл, К. (1968). Очерки истории механики. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. ISBN  9783642866470.
  • Мэддокс, Рене Дугас; предисловие Луи де Бройля; переведен на английский Дж. Р. (1988). История механики (Дуврский ред.). Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN  0-486-65632-2.
  • Buchwald, Jed Z .; Фокс, Роберт, ред. (2013). Оксфордский справочник по истории физики (Первое изд.). Оксфорд: Oxford University Press. С. 358–405. ISBN  9780199696253.