Definición 1

La mecánica es una rama extensa de la física que estudia las leyes del cambio de posición cuerpos físicos en el espacio y el tiempo, así como postulados basados ​​en las leyes de Newton.

Figura 1. Ley básica de la dinámica. Author24 - intercambio en línea de trabajos de estudiantes

A menudo, esta dirección científica de la física se llama "mecánica newtoniana". La mecánica clásica actual se divide en las siguientes secciones:

  • estática - considera y describe el equilibrio de los cuerpos;
  • cinemática: estudia las características geométricas del movimiento sin considerar sus causas;
  • dinámica - se ocupa del estudio del movimiento de las sustancias materiales.

El movimiento mecánico es una de las formas más simples y al mismo tiempo más extendidas de la existencia de la materia viva. Por lo tanto, la mecánica clásica ocupa un lugar excepcionalmente significativo en las ciencias naturales y se considera la subsección principal de la física.

Leyes básicas de la mecánica clásica.

La mecánica clásica en sus postulados estudia el movimiento de los cuerpos de trabajo, con velocidades muy inferiores a la velocidad de la luz. Según la hipótesis especial de la relatividad, no existe un espacio y un tiempo absolutos para los elementos que se mueven a gran velocidad. Como resultado, la naturaleza de la interacción de las sustancias se vuelve más complicada, en particular, su masa comienza a depender de la velocidad del movimiento. Todo esto se ha convertido en objeto de consideración para las fórmulas de la mecánica relativista, para las cuales la constante de velocidad de la luz juega un papel fundamental.

La mecánica clásica se basa en las siguientes leyes fundamentales.

  1. Principio de relatividad de Galileo. De acuerdo con este principio, hay muchos marcos de referencia en los que cualquier cuerpo libre está en reposo o se mueve con una velocidad constante en la dirección. Estos conceptos en ciencia se llaman inerciales, y se mueven uno respecto del otro en línea recta y uniformemente.
  2. Las tres leyes de Newton. El primero establece la presencia obligatoria de la propiedad de inercia en los cuerpos físicos y postula la presencia de tales conceptos de referencia en los que el movimiento de la materia libre se produce a velocidad constante. El segundo postulado introduce el concepto de fuerza como principal medida de la interacción de los elementos activos y, sobre la base de hechos teóricos, postula la relación entre la aceleración de un cuerpo, su magnitud y la inercia. Tercera ley de Newton: por cada fuerza que actúa sobre el primer cuerpo, hay un factor que la contrarresta de igual magnitud y dirección opuesta.
  3. La ley de conservación de la energía interna es una consecuencia de las leyes de Newton para sistemas cerrados estables en los que sólo actúan fuerzas conservativas. La fuerza mecánica total de un sistema cerrado de cuerpos materiales, entre los cuales sólo energía térmica, permanece constante.

Reglas del paralelogramo en mecánica.

Ciertas consecuencias se derivan de las tres teorías fundamentales del movimiento del cuerpo de Newton, una de las cuales es la suma total elementos de acuerdo con la regla del paralelogramo. Según esta idea, la aceleración de cualquier sustancia física depende de las cantidades que caracterizan principalmente la acción de otros cuerpos, las cuales determinan las características del propio proceso. Acción mecánica sobre el objeto de estudio desde el lateral. ambiente externo, que cambia radicalmente la velocidad de movimiento de varios elementos a la vez, se llama fuerza. Puede ser multifacético.

En la mecánica clásica, que trata con velocidades mucho menores que la velocidad de la luz, la masa se considera una de las principales características del propio cuerpo, independientemente de si está en movimiento o en reposo. La masa de un cuerpo físico es independiente de la interacción de la materia con otras partes del sistema.

Observación 1

Así, la masa pasó gradualmente a entenderse como la cantidad de materia viva.

El establecimiento de los conceptos de masa y fuerza, así como del método para medirlos, permitió a Newton describir y formular la segunda ley de la mecánica clásica. Entonces, la masa es una de las características clave de la materia, que determina sus propiedades gravitatorias e inerciales.

La primera y segunda leyes de la mecánica se refieren, respectivamente, al movimiento sistemático de un solo cuerpo o punto material. En este caso, sólo se tiene en cuenta la acción de otros elementos en un determinado concepto. Sin embargo, cualquier acción física es una interacción.

La tercera ley de la mecánica ya fija esta afirmación y dice: una acción siempre corresponde a una reacción igual y de dirección opuesta. En la formulación de Newton, este postulado de la mecánica es válido sólo para el caso de una relación directa de fuerzas o en el caso de una súbita transferencia de la acción de un cuerpo material a otro. En el caso de movimiento durante un largo período de tiempo, la tercera ley se aplica cuando se puede despreciar el tiempo de transferencia de la acción.

En general, todas las leyes de la mecánica clásica son válidas para el funcionamiento de sistemas de referencia inerciales. En el caso de los conceptos no inerciales, la situación es completamente diferente. Con el movimiento acelerado de las coordenadas en relación con el propio marco de inercia, no se puede utilizar la primera ley de Newton: los cuerpos libres cambiarán su velocidad de movimiento con el tiempo y dependerán de la velocidad de movimiento y la energía de otras sustancias.

Límites de aplicabilidad de las leyes de la mecánica clásica

Figura 3. Límites de aplicabilidad de las leyes mecanica clasica. Author24 - intercambio en línea de trabajos de estudiantes

Como resultado del desarrollo bastante rápido de la física a principios del siglo XX, se formó un cierto ámbito de aplicación de la mecánica clásica: sus leyes y postulados son válidos para los movimientos de los cuerpos físicos, cuya velocidad es mucho menor que la velocidad de la luz. Se determinó que al aumentar la velocidad, la masa de cualquier sustancia aumentará automáticamente.

La discrepancia entre los principios de la mecánica clásica provino principalmente del hecho de que el futuro en en cierto sentido está completamente en el presente: esto determina la probabilidad de predecir con precisión el comportamiento del sistema en cualquier período de tiempo.

Observación 2

El método newtoniano se convirtió inmediatamente en la principal herramienta para comprender la esencia de la naturaleza y de toda la vida en el planeta. Las leyes de la mecánica y los métodos de análisis matemático pronto demostraron su eficacia y significado. El experimento físico, que se basó en la tecnología de medición, proporcionó a los científicos una precisión sin precedentes.

El conocimiento físico se convirtió cada vez más en la tecnología industrial central, lo que estimuló desarrollo general otras ciencias naturales importantes.

En física, toda la electricidad, la luz, el magnetismo y el calor previamente aislados se unieron y unificaron en la hipótesis electromagnética. Y aunque la naturaleza de la gravedad en sí seguía siendo incierta, sus efectos podían calcularse. Se aprobó e implementó el concepto del determinismo mecanicista de Laplace, que parte de la posibilidad de determinar con precisión el comportamiento de los cuerpos en cualquier momento, si inicialmente se determinan las condiciones iniciales.

La estructura de la mecánica como ciencia parecía bastante fiable y sólida, y también prácticamente completa. Como resultado, la impresión fue que el conocimiento de la física y sus leyes está cerca de su final: la base de la física clásica mostró una fuerza tan poderosa.

El surgimiento de la mecánica clásica fue el comienzo de la transformación de la física en una ciencia rigurosa, es decir, un sistema de conocimiento que afirma la verdad, objetividad, validez y verificabilidad tanto de sus principios iniciales como de sus conclusiones finales. Este hecho tuvo lugar en los siglos XVI-XVII y está asociado a los nombres Galileo Galilei, René Descartes e Isaac Newton. Fueron ellos quienes llevaron a cabo la "matematización" de la naturaleza y sentaron las bases para una visión matemático-experimental de la naturaleza. Presentaron la naturaleza como un conjunto de puntos "materiales" que tienen propiedades espaciales-geométricas (forma), cuantitativas-matemáticas (número, magnitud) y mecánicas (movimiento) y relaciones de causa y efecto relacionadas que pueden expresarse en ecuaciones matemáticas.

G. Galileo puso el comienzo de la transformación de la física en una ciencia rigurosa. Galileo formuló una serie de principios y leyes fundamentales de la mecánica. A saber:

- principio de inercia, según el cual, cuando un cuerpo se mueve a lo largo de un plano horizontal sin encontrar ninguna resistencia al movimiento, entonces su movimiento es uniforme y continuaría constantemente si el plano se extendiera en el espacio sin fin;

- principio de relatividad, según el cual en los sistemas inerciales todas las leyes de la mecánica son las mismas y no es posible, estando dentro, determinar si se mueve en línea recta y uniforme o está en reposo;

- principio de conservación de la velocidad y preservación de intervalos espaciales y temporales durante la transición de un sistema inercial a otro. Es famoso transformación galileana.

Una visión holística de lo lógico-matemático sistema organizado conceptos básicos, principios y leyes de la mecánica recibidos en las obras de Isaac Newton. En primer lugar, en el trabajo "Principios matemáticos de la filosofía natural" En este trabajo, Newton introduce los conceptos: peso, o la cantidad de materia, inercia, o la propiedad de un cuerpo para resistir un cambio en el estado de reposo o movimiento, el peso, como medida de masa, fuerza, o una acción realizada en un cuerpo para cambiar su estado.

Newton distinguió entre el espacio y el tiempo absolutos (verdaderos, matemáticos), que no dependen de los cuerpos en ellos y siempre son iguales a sí mismos, y el espacio y el tiempo relativos: partes móviles del espacio y duraciones mensurables del tiempo.

Un lugar especial en el concepto de Newton lo ocupa la doctrina de gravedad o la gravedad, en la que combina el movimiento de los cuerpos "celestiales" y terrenales. Esta enseñanza incluye las declaraciones:

La gravedad de un cuerpo es proporcional a la cantidad de materia o masa contenida en él;

La gravedad es proporcional a la masa;


Gravedad o gravedad y existe aquella fuerza que actúa entre la tierra y la luna en proporción inversa al cuadrado de la distancia entre ellas;

Esta fuerza gravitatoria actúa entre todos los cuerpos materiales a distancia.

En cuanto a la naturaleza de la fuerza de gravedad, Newton dijo: "Yo no invento hipótesis".

La mecánica de Galileo-Newton, desarrollada en las obras de D. Alambert, Lagrange, Laplace, Hamilton... acabó por adquirir una forma armoniosa que determinó la imagen física del mundo de aquella época. Esta imagen se basaba en los principios de la identidad propia del cuerpo físico; su independencia del espacio y el tiempo; el determinismo, es decir, una relación estricta e inequívoca de causa y efecto entre estados específicos de los cuerpos físicos; reversibilidad de todos los procesos físicos.

Termodinámica.

Los estudios del proceso de conversión del calor en trabajo y viceversa, realizados en el siglo XIX por S. Kalno, R. Mayer, D. Joule, G. Hemholtz, R. Clausius, W. Thomson (Lord Kelvin), llevaron a las conclusiones sobre las que escribió R. Mayer: "El movimiento, el calor ..., la electricidad son fenómenos que se miden entre sí y se transmiten entre sí de acuerdo con ciertas leyes". Gemholtz generaliza la declaración de Mayer en la conclusión: "La suma de las fuerzas tensas y vivas que existen en la naturaleza es constante". William Thomson refinó los conceptos de "fuerzas vivas e intensas" a los conceptos de energía potencial y cinética, definiendo la energía como la capacidad de realizar un trabajo. R. Clausius resumió estas ideas en la formulación: "La energía del mundo es constante". Así, por los esfuerzos conjuntos de la comunidad de físicos, un fundamental para todos los físicos conocimiento de la ley de conservación y transformación de la energía.

Los estudios de los procesos de conservación y transformación de la energía llevaron al descubrimiento de otra ley: ley del aumento de entropía. "La transición de calor de un cuerpo más frío a uno más cálido", escribió Clausius, "no puede tener lugar sin compensación". La medida de la capacidad del calor para transformar a Clausius se llama entropía La esencia de la entropía se expresa en el hecho de que en cualquier sistema aislado, los procesos deben avanzar en la dirección de convertir todos los tipos de energía en calor mientras se igualan las diferencias de temperatura existentes en el sistema. Esto significa que los procesos físicos reales proceden irreversiblemente. El principio que afirma la tendencia de la entropía al máximo se denomina segunda ley de la termodinámica. La primera ley es la ley de conservación y transformación de la energía.

El principio de entropía creciente planteó una serie de problemas para el pensamiento físico: la relación entre la reversibilidad e irreversibilidad de los procesos físicos, las formalidades de la conservación de la energía, que no es capaz de trabajar con la homogeneidad de temperatura de los cuerpos. Todo esto requería una fundamentación más profunda de los principios de la termodinámica. En primer lugar, la naturaleza del calor.

Ludwig Boltzmann hizo un intento de tal justificación, quien, basándose en el concepto atómico-molecular de la naturaleza del calor, llegó a la conclusión de que estadístico la naturaleza de la segunda ley de la termodinámica, ya que debido a la gran cantidad de moléculas que componen los cuerpos macroscópicos, y la extrema velocidad y aleatoriedad de su movimiento, observamos solo valores promedio. La determinación de los valores medios es un problema de la teoría de la probabilidad. En el equilibrio de temperatura máxima, el caos del movimiento molecular también es máximo, en el que desaparece cualquier orden. Surge la pregunta: ¿puede y, de ser así, cómo, del caos puede surgir de nuevo el orden? La física podrá responder a esto solo en cien años, introduciendo el principio de simetría y el principio de sinergia.

Electrodinámica.

A mediados del siglo XIX, la física de los fenómenos eléctricos y magnéticos había alcanzado una cierta finalización. Algunas de las leyes más importantes de Coulomb, la ley de Ampère, la ley de inducción electromagnética, las leyes corriente continua etc. Todas estas leyes se basan en principio de largo alcance. La excepción fueron las opiniones de Faraday, quien creía que la acción eléctrica se transmite a través de un medio continuo, es decir, sobre la base de principio de corto alcance. Basado en las ideas de Faraday, el físico inglés J. Maxwell introduce el concepto campo electromagnetico y describe el estado de la materia "descubierto" por él en sus ecuaciones. "... Un campo electromagnético", escribe Maxwell, "es esa parte del espacio que contiene y rodea cuerpos que se encuentran en un estado eléctrico o magnético". Al combinar las ecuaciones del campo electromagnético, Maxwell obtiene la ecuación de onda, lo que implica la existencia ondas electromagnéticas , cuya velocidad de propagación en el aire es igual a la velocidad de la luz. La existencia de tales ondas electromagnéticas fue confirmada experimentalmente por el físico alemán Heinrich Hertz en 1888.

Para explicar la interacción de las ondas electromagnéticas con la materia, el físico alemán Hendrik Anton Lorenz planteó una hipótesis sobre la existencia electrón, es decir, una pequeña partícula cargada eléctricamente, que está presente en grandes cantidades en todos los cuerpos pesados. Esta hipótesis explicaba el fenómeno de división de líneas espectrales en un campo magnético descubierto en 1896 por el físico alemán Zeeman. En 1897, Thomson confirmó experimentalmente la presencia de la partícula o electrón con carga negativa más pequeño.

Así, en el marco de la física clásica, surgió una imagen bastante armoniosa y completa del mundo, que describe y explica el movimiento, la gravedad, el calor, la electricidad y el magnetismo, y la luz. Esto le dio a Lord Kelvin (Thomson) una razón para decir que el edificio de la física está prácticamente construido, solo faltan algunos detalles...

Primero, resultó que las ecuaciones de Maxwell no son invariantes bajo las transformaciones de Galileo. En segundo lugar, la teoría del éter, como un sistema de coordenadas absolutas, al que se "atan" las ecuaciones de Maxwell, no ha encontrado confirmación experimental. Experimento de Michelson-Morley mostró que no hay dependencia de la velocidad de la luz en la dirección en un sistema de coordenadas en movimiento No. Hendrik Lorentz, un partidario de la preservación de las ecuaciones de Maxwell, habiendo "unido" estas ecuaciones al éter como un marco de referencia absoluto, sacrificó el principio de relatividad de Galileo, sus transformaciones y formuló sus propias transformaciones. De las transformaciones de G. Lorentz se deduce que los intervalos espaciales y temporales no son invariantes en la transición de un marco de referencia inercial a otro. Todo estaría bien, pero la existencia de un medio absoluto, el éter, no se confirmó, como se señaló, experimentalmente. Esta es una crisis.

física no clásica. Teoría especial de la relatividad.

Al describir la lógica de la creación de la teoría especial de la relatividad, Albert Einstein escribe en un libro conjunto con L. Infeld: "Ahora juntemos aquellos hechos que han sido suficientemente verificados por la experiencia, sin preocuparnos más por el problema del éter:

1. La velocidad de la luz en el espacio vacío siempre es constante, independientemente del movimiento de la fuente de luz o del receptor.

2. En dos sistemas de coordenadas que se mueven rectilínea y uniformemente entre sí, todas las leyes de la naturaleza son estrictamente las mismas, y no hay forma de detectar un movimiento rectilíneo y uniforme absoluto...

La primera posición expresa la constancia de la velocidad de la luz, la segunda generaliza el principio de relatividad de Galileo, formulado para los fenómenos mecánicos, a todo lo que sucede en la naturaleza.” Einstein señala que la aceptación de estos dos principios y el rechazo del principio de la Transformación galileana, ya que contradice la constancia de la velocidad de la luz, y pone el principio de la teoría especial de la relatividad. A los dos principios aceptados: la constancia de la velocidad de la luz y la equivalencia de todos los marcos de referencia inerciales, añade Einstein el principio de invariancia de todas las leyes de la naturaleza con respecto a las transformaciones de H. Lorentz. Por lo tanto, las mismas leyes son válidas en todos los marcos inerciales, y la transición de un sistema a otro está dada por las transformaciones de Lorentz, lo que significa que el ritmo de un reloj en movimiento y la longitud de las varillas en movimiento depende de la velocidad: la varilla se reducirá a cero si su velocidad alcanza la velocidad de la luz, y el ritmo del reloj en movimiento se ralentiza, el reloj se detendría por completo si pudiera moverse con sk resplandor de luz.

Así, el tiempo, el espacio y el movimiento absolutos newtonianos, que eran, por así decirlo, independientes de los cuerpos en movimiento y de su estado, fueron eliminados de la física.

Teoría general de la relatividad.

En el libro ya citado, Einstein se pregunta: "¿Podemos formular leyes físicas de tal manera que sean válidas para todos los sistemas de coordenadas, no sólo para sistemas que se mueven rectilínea y uniformemente, sino también para sistemas que se mueven de forma totalmente arbitraria entre sí? " . Y él responde: "Resulta posible".

Habiendo perdido su "independencia" de los cuerpos en movimiento y entre sí en la teoría especial de la relatividad, el espacio y el tiempo, por así decirlo, "se encontraron" uno al otro en un único continuo de cuatro dimensiones de espacio-tiempo. El autor del continuo, el matemático Hermann Minkowski, publicó en 1908 la obra "Fundamentos de la teoría de los procesos electromagnéticos", en la que defendía que en adelante el propio espacio y el propio tiempo debían reducirse al papel de sombras, y sólo una especie de sombra. de conexión de ambos aún debe preservar la independencia. A. La idea de Einstein era representar todas las leyes físicas como propiedades este continuo como métrico. Desde esta nueva posición, Einstein consideró la ley de la gravedad de Newton. En vez de fuerza gravitacional empezó a operar campo gravitacional. Los campos gravitatorios se incluyeron en el continuo espacio-tiempo como su "curvatura". La métrica continua se convirtió en una métrica "riemanniana" no euclidiana. La "curvatura" del continuo comenzó a considerarse como el resultado de la distribución de las masas que se movían en él. La nueva teoría explicó la trayectoria de la rotación de Mercurio alrededor del Sol, que no es consistente con la ley de la gravedad de Newton, así como la desviación de un haz de luz estelar que pasa cerca del Sol.

Así, el concepto de "sistema de coordenadas inercial" fue eliminado de la física y la declaración de la generalización principio de relatividad: cualquier sistema de coordenadas es igualmente adecuado para describir fenómenos naturales.

Mecánica cuántica.

El segundo, según Lord Kelvin (Thomson), el elemento que faltaba para completar la construcción de la física a finales del siglo XIX y XX era una seria discrepancia entre la teoría y la experimentación en el estudio de las leyes. Radiación termal cuerpo absolutamente negro. Según la teoría predominante, debe ser continuo, continuo. Sin embargo, esto llevó a conclusiones paradójicas, como el hecho de que la energía total emitida por un cuerpo negro a una temperatura dada es igual a infinito (fórmula de Rayleigh-Gene). Para resolver el problema, el físico alemán Max Planck planteó la hipótesis en 1900 de que la materia no puede emitir ni absorber energía excepto en porciones finitas (quanta) proporcionales a la frecuencia emitida (o absorbida). La energía de una porción (cuántica) E=hn, donde n es la frecuencia de radiación y h es una constante universal. Einstein utilizó la hipótesis de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico. Einstein introdujo el concepto de cuanto de luz o fotón. También sugirió que luz, según la fórmula de Planck, tiene propiedades tanto ondulatorias como cuánticas. En la comunidad de físicos se empezó a hablar de la dualidad onda-partícula, sobre todo desde que en 1923 se descubrió otro fenómeno que confirmaba la existencia de los fotones: el efecto Compton.

En 1924, Louis de Broglie extendió la idea de la naturaleza de onda corpuscular dual de la luz a todas las partículas de materia, introduciendo el concepto de ondas de materia. Por lo tanto, también se puede hablar de las propiedades ondulatorias del electrón, por ejemplo, de la difracción del electrón, que se establecieron experimentalmente. Sin embargo, los experimentos de R. Feynman con electrones "bombardeando" un escudo con dos agujeros demostraron que es imposible, por un lado, decir a través de qué agujero vuela un electrón, es decir, determinar con precisión su coordenada, y por otro lado , para no distorsionar el patrón de distribución de los electrones registrados, sin violar la naturaleza de la interferencia. Esto significa que podemos conocer la posición del electrón o el momento, pero no ambos.

Este experimento puso en duda el concepto mismo de partícula en el sentido clásico de localización precisa en el espacio y el tiempo.

La explicación del comportamiento "no clásico" de las micropartículas fue dada por primera vez por el físico alemán Werner Heisenberg. Este último formuló la ley del movimiento de una micropartícula, según la cual el conocimiento de la coordenada exacta de una partícula conduce a la completa incertidumbre de su momento, y viceversa, el conocimiento exacto del momento de la partícula conduce a la completa incertidumbre de su momento. coordenadas W. Heisenberg estableció la relación de incertidumbres en los valores de la coordenada y el momento de una micropartícula:

Dx * DP x ³ h, donde Dx es la incertidumbre en el valor de la coordenada; DP x - incertidumbre en el valor del impulso; h es la constante de Planck. Esta ley y la relación de incertidumbre se llama principio de incertidumbre Heisenberg.

Al analizar el principio de incertidumbre, el físico danés Niels Bohr demostró que, según el escenario del experimento, una micropartícula revela su naturaleza corpuscular o su naturaleza ondulatoria. pero no los dos a la vez. En consecuencia, estas dos naturalezas de micropartículas se excluyen mutuamente, y al mismo tiempo deben ser consideradas como complementarias, y su descripción basada en dos clases de situaciones experimentales (corpuscular y ondulatoria) - una descripción integral de la micropartícula. No existe una partícula “en sí misma”, sino un sistema “partícula - dispositivo”. Estas conclusiones de N. Bora se llamaron principio de complementariedad.

En el marco de este enfoque, la incertidumbre y la complementariedad resultan no ser una medida de nuestra ignorancia, sino propiedades objetivas de las micropartículas, el microcosmos como un todo. De esto se sigue que las leyes probabilísticas estadísticas se encuentran en las profundidades de la realidad física, y las leyes dinámicas de la dependencia causal inequívoca son solo un caso particular e idealizado de expresión de regularidades estadísticas.

Mecánica cuántica relativista.

En 1927, el físico inglés Paul Dirac llamó la atención sobre el hecho de que para describir el movimiento de las micropartículas descubiertas en esa época: electrón, protón y fotón, ya que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz, se requiere la aplicación de la relatividad especial. . Dirac compiló una ecuación que describía el movimiento de un electrón, teniendo en cuenta las leyes y mecánica cuántica y la teoría de la relatividad de Einstein. Esta ecuación se cumplió con dos soluciones: una solución dio un electrón conocido con energía positiva, la otra, un electrón gemelo desconocido, pero con energía negativa. Así surgió el concepto de partículas y antipartículas simétricas a ellas. Esto dio lugar a la pregunta: ¿está vacío el vacío? Después de la "expulsión" del éter de Einstein, parecía indudablemente vacío.

Las ideas modernas y bien probadas dicen que el vacío está "vacío" solo en promedio. Nace y desaparece constantemente. gran cantidad partículas virtuales y antipartículas. Esto no contradice el principio de incertidumbre, que también tiene la expresión DE * Dt ³ h. Vacío en Teoría cuántica El campo se define como el estado de energía más bajo de un campo cuántico, cuya energía es cero solo en promedio. Así que el vacío es "algo" llamado "nada".

En camino a la construcción de una teoría del campo unificado.

En 1918, Emmy Noether demostró que si un sistema es invariable bajo alguna transformación global, entonces tiene cierto valor de conservación. De esto se sigue que la ley de la conservación (de la energía) es una consecuencia de simetrías existentes en el espacio-tiempo real.

La simetría como concepto filosófico significa el proceso de existencia y formación de momentos idénticos entre estados diferentes y opuestos de los fenómenos del mundo. Esto significa que, al estudiar la simetría de cualquier sistema, es necesario considerar su comportamiento bajo varias transformaciones y destacar en todo el conjunto de transformaciones aquellas que dejan inmutable, invariable algunas funciones correspondientes a los sistemas considerados.

EN física moderna se usa el concepto simetría de calibre. Los trabajadores ferroviarios entienden la transición de una vía estrecha a una ancha mediante la calibración. En física, la calibración también se entendía originalmente como un cambio de nivel o escala. En relatividad especial, las leyes de la física no cambian con respecto a la traslación o cambio en la calibración de distancia. En la simetría de calibre, el requisito de invariancia da lugar a un tipo específico de interacción. Por tanto, la invariancia de gauge permite responder a la pregunta: "¿Por qué y para qué existen tales interacciones en la naturaleza?". En la actualidad se determina en la física la existencia de cuatro tipos interacciones físicas: gravitacional, fuerte, electromagnético y débil. Todos ellos tienen naturaleza de calibre y están descritos por simetrías de calibre, que son diferentes representaciones de grupos de Lie. Esto sugiere la existencia de una primaria campo supersimétrico, que aún no distingue entre tipos de interacciones. Las diferencias, los tipos de interacción son el resultado de la violación espontánea y espontánea de la simetría del vacío original. La evolución del universo aparece entonces como proceso sinérgico de autoorganización: en el proceso de expansión desde el estado supersimétrico del vacío, el Universo se calentó hasta el "big bang". El curso posterior de su historia pasó por puntos críticos: puntos de bifurcación, en los que ocurrieron violaciones espontáneas de la simetría del vacío inicial. Declaración sistemas de autoorganización a través de ruptura espontánea del tipo original de simetría en los puntos de bifurcación y come principio de sinergia.

La elección de la dirección de la autoorganización en los puntos de bifurcación, es decir, en los puntos de violación espontánea de la simetría inicial, no es casual. Se define como si ya estuviera presente en el nivel de la supersimetría del vacío por el "proyecto" de una persona, es decir, el "proyecto" de una criatura que pregunta por qué el mundo es así. Este es principio antrópico, que fue formulado en física en 1962 por D. Dicke.

Los principios de relatividad, incertidumbre, complementariedad, simetría, sinergia, el principio antrópico, así como la afirmación de la naturaleza básica profunda de las dependencias causales probabilísticas en relación con las dependencias causales dinámicas e inequívocas, constituyen la estructura categórica-conceptual de la teoría moderna. gestalt, la imagen de la realidad física.

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La mecánica es una rama de la física que estudia una de las formas más simples y generales de movimiento en la naturaleza, llamada movimiento mecánico.

movimiento mecanico consiste en cambiar la posición de los cuerpos o de sus partes entre sí a lo largo del tiempo. Entonces, el movimiento mecánico lo hacen los planetas que circulan en órbitas cerradas alrededor del Sol; varios cuerpos moviéndose sobre la superficie de la Tierra; electrones moviéndose bajo la influencia de un campo electromagnético, etc. El movimiento mecánico está presente en otros más formas complejas materia como parte integrante pero no exhaustiva.

Dependiendo de la naturaleza de los objetos que se estudian, la mecánica se subdivide en mecánica de un punto material, mecánica de un cuerpo sólido y mecánica de un continuo.

Los principios de la mecánica fueron formulados por primera vez por I. Newton (1687) sobre la base de un estudio experimental del movimiento de macrocuerpos con velocidades pequeñas comparadas con la velocidad de la luz en el vacío (3·10 8 m/s).

macrocuerpos llamados cuerpos ordinarios que nos rodean, es decir, cuerpos formados por una enorme cantidad de moléculas y átomos.

La mecánica que estudia el movimiento de macrocuerpos con velocidades muy inferiores a la velocidad de la luz en el vacío se denomina clásica.

La mecánica clásica se basa en las siguientes ideas de Newton sobre las propiedades del espacio y el tiempo.

Ninguna proceso fisico procede en el espacio y el tiempo. Esto se puede ver al menos por el hecho de que en todas las áreas de los fenómenos físicos, cada ley contiene explícita o implícitamente cantidades de espacio-tiempo: distancias e intervalos de tiempo.

Un espacio que tiene tres dimensiones obedece a la geometría euclidiana, es decir, es plano.

Las distancias se miden mediante escalas, cuya propiedad principal es que dos escalas que una vez coincidieron en longitud siempre permanecen iguales entre sí, es decir, coinciden con cada superposición posterior.

Los intervalos de tiempo se miden por horas, y el papel de este último puede ser desempeñado por cualquier sistema que realice un proceso repetitivo.

La principal característica de las ideas de la mecánica clásica sobre el tamaño de los cuerpos y los intervalos de tiempo es su totalidad: la escala siempre tiene la misma longitud, independientemente de cómo se mueva con respecto al observador; dos relojes que tienen el mismo ritmo y una vez alineados muestran la misma hora, sin importar cómo se muevan.

El espacio y el tiempo tienen propiedades notables. simetría que imponen restricciones al flujo de ciertos procesos en ellos. Estas propiedades han sido establecidas por la experiencia y parecen tan obvias a primera vista que parece que no hay necesidad de señalarlas y tratarlas. Mientras tanto, si no hubiera simetría espacial y temporal, no ciencia física no podría surgir ni desarrollarse.

Resulta que el espacio uniformemente y isotrópicamente, y el tiempo es uniformemente.

La homogeneidad del espacio radica en el hecho de que el mismo fenomeno fisico en las mismas condiciones se llevan a cabo de la misma manera varias partes espacio. Todos los puntos del espacio, por lo tanto, son completamente indistinguibles, iguales en derechos, y cualquiera de ellos puede tomarse como el origen del sistema de coordenadas. La homogeneidad del espacio se manifiesta en la ley de conservación del momento.

El espacio también tiene isotropía: las mismas propiedades en todas las direcciones. La isotropía del espacio se manifiesta en la ley de conservación del momento angular..

La homogeneidad del tiempo radica en el hecho de que todos los momentos del tiempo son también iguales, equivalentes, es decir, el curso de fenómenos idénticos en las mismas condiciones es el mismo, independientemente del momento de su realización y observación.

La homogeneidad del tiempo se manifiesta en la ley de conservación de la energía..

Si no fuera por estas propiedades de homogeneidad, instalado en Minsk ley física sería injusto en Moscú, y abrir hoy en el mismo lugar podría ser injusto mañana.

En la mecánica clásica se reconoce la validez de la ley de inercia de Galileo-Newton, según la cual un cuerpo que no está sujeto a la acción de otros cuerpos se mueve en línea recta y uniformemente. Esta ley afirma la existencia de marcos de referencia inerciales en los que se cumplen las leyes de Newton (así como el principio de relatividad de Galileo). El principio de relatividad de Galileo establece, que todos los marcos de referencia inerciales son mecánicamente equivalentes entre sí, todas las leyes de la mecánica son iguales en estos marcos de referencia, es decir, son invariantes con respecto a las transformaciones galileanas que expresan la conexión espacio-temporal de cualquier evento en diferentes marcos de referencia inerciales. Las transformaciones de Galileo muestran que las coordenadas de cualquier evento son relativas, es decir, tienen diferentes significados en diferentes sistemas referencia; los instantes de tiempo en que ocurrió el evento son los mismos en diferentes sistemas. Esto último significa que el tiempo fluye de la misma manera en diferentes marcos de referencia. Esta circunstancia parecía tan obvia que ni siquiera se mencionó como un postulado especial.

En la mecánica clásica, se observa el principio de acción de largo alcance: las interacciones de los cuerpos se propagan instantáneamente, es decir, a una velocidad infinitamente alta.

Según la velocidad con la que se mueven los cuerpos y cuáles son los tamaños de los propios cuerpos, la mecánica se divide en clásica, relativista y cuántica.

Como ya se mencionó, las leyes mecanica clasica son aplicables solo al movimiento de macrocuerpos, cuya masa es mucho mayor que la masa de un átomo, a velocidades bajas en comparación con la velocidad de la luz en el vacío.

Mecánica relativista considera el movimiento de macrocuerpos con velocidades cercanas a la velocidad de la luz en el vacío.

Mecánica cuántica- mecánica de las micropartículas que se mueven a velocidades mucho más bajas que la velocidad de la luz en el vacío.

Cuántico relativista mecánica: la mecánica de las micropartículas que se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de la luz en el vacío.

Para determinar si una partícula pertenece a las macroscópicas, si las fórmulas clásicas son aplicables a ella, se debe usar Principio de incertidumbre de Heisenberg. De acuerdo con la mecánica cuántica, las partículas reales solo se pueden caracterizar en términos de posición y momento con cierta precisión. El límite de esta precisión se define de la siguiente manera

donde
ΔX - incertidumbre de coordenadas;
ΔP x - incertidumbre de la proyección en el eje de momento;
h - constante de Planck, igual a 1,05·10 -34 J·s;
"≥" - más que un valor, del orden de...

Reemplazando el momento con el producto de la masa por la velocidad, podemos escribir

Se puede ver a partir de la fórmula que cuanto menor es la masa de una partícula, menos seguras se vuelven sus coordenadas y velocidad. Para cuerpos macroscópicos aplicabilidad práctica forma clásica La descripción del movimiento no está en duda. Supongamos, por ejemplo, que estamos hablando sobre el movimiento de una pelota con una masa de 1 G. Por lo general, la posición de una pelota se puede determinar prácticamente con una precisión de una décima o una centésima de milímetro. En cualquier caso, apenas tiene sentido hablar de un error en la determinación de la posición de la bola, que es más pequeña que las dimensiones del átomo. Sea por lo tanto ΔX=10 -10 m Entonces de la relación de incertidumbre encontramos

La pequeñez simultánea de los valores ΔX y ΔV x es la prueba de la aplicabilidad práctica del método clásico para describir el movimiento de los macrocuerpos.

Considere el movimiento de un electrón en un átomo de hidrógeno. La masa de un electrón es 9.1 10 -31 kg. El error en la posición del electrón ΔX en cualquier caso no debe exceder las dimensiones del átomo, es decir, ΔX<10 -10 м. Но тогда из соотношения неопределенностей получаем

Este valor es incluso mayor que la velocidad de un electrón en un átomo, que es igual en orden de magnitud a 10 6 m/s. En esta situación, la imagen clásica del movimiento pierde todo sentido.

La mecánica se divide en cinemática, estática y dinámica. La cinemática describe el movimiento de los cuerpos sin interesarse por las causas que provocaron ese movimiento; la estática considera las condiciones para el equilibrio de los cuerpos; la dinámica estudia el movimiento de los cuerpos en relación con aquellas causas (interacciones entre cuerpos) que determinan uno u otro carácter del movimiento.

Los movimientos reales de los cuerpos son tan complejos que, al estudiarlos, es necesario abstraerse de detalles que no son esenciales para el movimiento considerado (de lo contrario, el problema se complicaría tanto que sería prácticamente imposible resolverlo). Para ello se utilizan conceptos (abstracciones, idealizaciones) cuya aplicabilidad depende de la especificidad del problema que nos interese, así como del grado de precisión con el que queramos obtener el resultado. Entre estos conceptos, los más importantes son los conceptos punto material, sistema de puntos materiales, cuerpo absolutamente rígido.

Un punto material es un concepto físico que describe el movimiento de traslación de un cuerpo, si solo sus dimensiones lineales son pequeñas en comparación con las dimensiones lineales de otros cuerpos dentro de la precisión dada para determinar la coordenada del cuerpo, además, la masa del cuerpo se atribuye a eso.

En la naturaleza, los puntos materiales no existen. Un mismo cuerpo, según las condiciones, puede ser considerado como un punto material o como un cuerpo de dimensiones finitas. Así, la Tierra que se mueve alrededor del Sol puede considerarse un punto material. Pero al estudiar la rotación de la Tierra alrededor de su eje, ya no se puede considerar un punto material, ya que la naturaleza de este movimiento está significativamente influenciada por la forma y el tamaño de la Tierra, y la trayectoria recorrida por cualquier punto de la Tierra. superficie en un tiempo igual al período de su revolución alrededor de su eje, lo comparamos con las dimensiones lineales del globo. Un avión puede ser considerado como un punto material si estudiamos el movimiento de su centro de masa. Pero si es necesario tener en cuenta la influencia del entorno o determinar las fuerzas en partes individuales de la aeronave, entonces debemos considerar la aeronave como un cuerpo absolutamente rígido.

Un cuerpo absolutamente rígido es un cuerpo cuyas deformaciones pueden despreciarse bajo las condiciones de un problema dado.

El sistema de puntos materiales es un conjunto de cuerpos en consideración, que son puntos materiales.

El estudio del movimiento de un sistema arbitrario de cuerpos se reduce al estudio de un sistema de puntos materiales que interactúan. Es natural, por lo tanto, comenzar el estudio de la mecánica clásica con la mecánica de un punto material y luego proceder al estudio de un sistema de puntos materiales.

Fundamentos de la mecánica clásica.

Mecánica- una rama de la física que estudia las leyes del movimiento mecánico de los cuerpos.

Cuerpo- objeto material.

movimiento mecanico- cambio provisiones cuerpo o sus partes en el espacio a lo largo del tiempo.

Aristóteles imaginó este tipo de movimiento como un cambio directo por parte del cuerpo de su lugar con respecto a otros cuerpos, ya que en su física el mundo material estaba indisolublemente ligado al espacio, existía junto con él. El tiempo lo consideraba una medida del movimiento del cuerpo. Los cambios posteriores en las opiniones sobre la naturaleza del movimiento condujeron a la separación gradual del espacio y el tiempo de los cuerpos físicos. Por fin, absolutización el espacio y el tiempo de Newton generalmente los condujo más allá de los límites de la experiencia posible.

Sin embargo, este enfoque hizo posible a fines del siglo XVIII construir un completo sistema mecánica, ahora llamada clásico. clásico es que ella:

1) describe la mayoría de los fenómenos mecánicos del macromundo, utilizando un pequeño número de definiciones y axiomas iniciales;

2) estrictamente justificado matemáticamente;

3) se usa a menudo en áreas más específicas de la ciencia.

La experiencia demuestra que la mecánica clásica es aplicable a la descripción del movimiento de cuerpos con velocidades υ<< с ≈ 3·10 8 м/с. Ее основные разделы:

1) la estática estudia las condiciones de equilibrio de los cuerpos;

2) cinemática: el movimiento de cuerpos sin tener en cuenta sus causas;

3) dinámica: la influencia de la interacción de los cuerpos en su movimiento.

Principal conceptos de mecanica:

1) Un sistema mecánico es un conjunto de órganos seleccionados mentalmente que son esenciales en una tarea determinada.

2) Un punto material es un cuerpo cuya forma y dimensiones pueden despreciarse en el marco de esta tarea. El cuerpo puede representarse como un sistema de puntos materiales.

3) Un cuerpo absolutamente rígido es un cuerpo cuya distancia entre dos puntos cualesquiera no cambia bajo las condiciones de un problema dado.

4) La relatividad del movimiento radica en el hecho de que un cambio en la posición de un cuerpo en el espacio solo puede establecerse en relación con algunos otros cuerpos.

5) El cuerpo de referencia (RT) es un cuerpo absolutamente rígido, con respecto al cual se considera el movimiento en este problema.

6) Sistema de referencia (SO) = (TO + SC + horas). El origen del sistema de coordenadas (SC) está alineado con algún punto TO. Los relojes miden períodos de tiempo.

SC cartesiano:

Figura 5

Posición se describe el punto material M radio-vector de un punto, son sus proyecciones sobre los ejes de coordenadas.

Si fijamos el tiempo inicial t 0 = 0, entonces se describirá el movimiento del punto M función vectorial o tres funciones escalares X(t),y(t), z(t).

Características lineales del movimiento de un punto material:

1) trayectoria - la línea de movimiento de un punto material (curva geométrica),

2) camino ( S) es la distancia recorrida a lo largo de él en el intervalo de tiempo ,

3) en movimiento,

4) velocidad,

5) aceleración.

Cualquier movimiento de un cuerpo rígido se puede reducir a dos tipos principales: progresivo y rotacional alrededor de un eje fijo.

movimiento de traslación- tal que la línea que conecta dos puntos cualquiera del cuerpo permanece paralela a su posición original. Entonces todos los puntos se mueven de la misma manera, y el movimiento de todo el cuerpo se puede describir movimiento de un punto.

Rotación alrededor de un eje fijo: un movimiento en el que hay una línea recta, rígidamente conectada con el cuerpo, cuyos puntos permanecen fijos en un FR dado. Las trayectorias de los puntos restantes son círculos centrados en esta línea. En este caso, conveniente características angulares movimientos que son lo mismo para todos los puntos del cuerpo.

Características angulares del movimiento de un punto material:

1) ángulo de rotación (recorrido angular), medido en radianes [rad], donde r es el radio de la trayectoria del punto,

2) desplazamiento angular, cuyo módulo es el ángulo de rotación en un pequeño período de tiempo dt,

3) velocidad angular,

4) aceleración angular.

Figura 6

Relación entre características angulares y lineales:

Usos de la dinámica concepto de poder, medida en newtons (H), como medida del impacto de un cuerpo sobre otro. Este impacto es la causa del movimiento.

El principio de superposición de fuerzas.- el efecto resultante del impacto sobre el cuerpo de varios cuerpos es igual a la suma de los efectos de los impactos de cada uno de estos cuerpos por separado. El valor se denomina fuerza resultante y caracteriza el efecto equivalente sobre el cuerpo. norte teléfono

leyes de newton resumir los hechos experimentales de la mecánica.

1ra ley de newton. Hay sistemas de referencia, en relación con los cuales un punto material mantiene un estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme en ausencia de un efecto de fuerza sobre él, es decir. si, entonces.

Tal movimiento se denomina movimiento inercial o movimiento inercial y, por lo tanto, los marcos de referencia en los que se cumple la primera ley de Newton se denominan inercial(YO ASI).

segunda ley de newton. , donde es el momento del punto material, metro es su masa, es decir si , entonces y, por lo tanto, el movimiento ya no será inercial.

tercera ley de newton. Cuando dos puntos materiales interactúan, surgen fuerzas y se aplican a ambos puntos, y .

La mecánica es el estudio del equilibrio y movimiento de los cuerpos (o sus partes) en el espacio y el tiempo. El movimiento mecánico es la forma más simple y al mismo tiempo (para los humanos) más común de la existencia de la materia. Por lo tanto, la mecánica ocupa un lugar excepcionalmente importante en las ciencias naturales y es la subsección principal de la física. Históricamente surgió y se formó como ciencia antes que otras subsecciones de las ciencias naturales.

La mecánica incluye estática, cinemática y dinámica. En estática, se estudian las condiciones para el equilibrio de los cuerpos, en cinemática: los movimientos de los cuerpos desde un punto de vista geométrico, es decir. sin tener en cuenta la acción de las fuerzas, sino en dinámica, teniendo en cuenta estas fuerzas. La estática y la cinemática a menudo se consideran una introducción a la dinámica, aunque también tienen un significado independiente.

Hasta ahora, por mecánica nos hemos referido a la mecánica clásica, cuya construcción se completó a principios del siglo XX. En el marco de la física moderna, hay dos mecánicas más: cuántica y relativista. Pero con más detalle consideraremos la mecánica clásica.

La mecánica clásica considera el movimiento de los cuerpos con velocidades mucho menores que la velocidad de la luz. De acuerdo con la teoría especial de la relatividad, para los cuerpos que se mueven a altas velocidades cercanas a la velocidad de la luz, no existe un tiempo absoluto ni un espacio absoluto. Por lo tanto, la naturaleza de la interacción de los cuerpos se vuelve más complicada, en particular, resulta que la masa del cuerpo depende de la velocidad de su movimiento. Todo esto fue objeto de consideración de la mecánica relativista, para la cual la constante de la velocidad de la luz juega un papel fundamental.

La mecánica clásica se basa en las siguientes leyes fundamentales.

Principio de relatividad de Galileo

De acuerdo con este principio, existen infinitos marcos de referencia en los que un cuerpo libre está en reposo o se mueve con una velocidad constante en valor absoluto y dirección. Estos marcos de referencia se denominan inerciales y se mueven entre sí de manera uniforme y rectilínea. Este principio también puede formularse como la ausencia de sistemas de referencia absolutos, es decir, sistemas de referencia que de alguna manera se distinguen en relación con otros.

Las tres leyes de Newton son la base de la mecánica clásica.

  • 1. Todo cuerpo material mantiene un estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme hasta que el impacto de otros cuerpos le hace cambiar de estado. El deseo del cuerpo de mantener un estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme se llama inercia. Por lo tanto, la primera ley también se llama la ley de la inercia.
  • 2. La aceleración adquirida por el cuerpo es directamente proporcional a la fuerza que actúa sobre el cuerpo e inversamente proporcional a la masa del cuerpo.
  • 3. Las fuerzas con las que los cuerpos que interactúan actúan entre sí son iguales en magnitud y opuestas en dirección.

Conocemos la segunda ley de Newton en la forma

ciencia natural mecanica clasica ley

F \u003d m Ha, o a \u003d F / m,

donde la aceleración a recibida por el cuerpo bajo la acción de la fuerza F es inversamente proporcional a la masa del cuerpo m.

La primera ley se puede obtener a partir de la segunda, ya que en ausencia de otras fuerzas que actúen sobre el cuerpo, la aceleración también es cero. Sin embargo, la primera ley se considera como una ley independiente, ya que establece la existencia de marcos de referencia inerciales. En la formulación matemática, la segunda ley de Newton se suele escribir de la siguiente forma:

donde está el vector resultante de fuerzas que actúan sobre el cuerpo; -- vector de aceleración del cuerpo; m - peso corporal.

La tercera ley de Newton especifica algunas propiedades del concepto de fuerza introducido en la segunda ley. Él postula la presencia de cada fuerza que actúa sobre el primer cuerpo desde el segundo, igual en magnitud y opuesta en dirección de la fuerza que actúa sobre el segundo cuerpo desde el primero. La presencia de la tercera ley de Newton asegura el cumplimiento de la ley de conservación de la cantidad de movimiento para un sistema de cuerpos.

Ley de conservación del momento

Esta ley es una consecuencia de las leyes de Newton para sistemas cerrados, es decir, sistemas que no se ven afectados por fuerzas externas o las acciones de fuerzas externas se compensan y la fuerza resultante es cero. Desde un punto de vista más fundamental, existe una relación entre la ley de conservación de la cantidad de movimiento y la homogeneidad del espacio, expresada por el teorema de Noether.

Ley de la conservación de la energía

La ley de conservación de la energía es una consecuencia de las leyes de Newton para sistemas conservadores cerrados, es decir, sistemas en los que solo actúan fuerzas conservativas. La energía entregada por un cuerpo a otro es siempre igual a la energía recibida por el otro cuerpo. Para cuantificar el proceso de intercambio de energía entre cuerpos que interactúan en la mecánica, se introduce el concepto del trabajo de una fuerza que provoca el movimiento. La fuerza que hace que el cuerpo se mueva realiza trabajo, y la energía del cuerpo en movimiento aumenta según la cantidad de trabajo realizado. Como sabes, un cuerpo de masa m que se mueve a una velocidad v tiene una energía cinética

La energía potencial es la energía mecánica de un sistema de cuerpos que interactúan a través de campos de fuerza, por ejemplo, a través de fuerzas gravitatorias. El trabajo realizado por estas fuerzas al mover un cuerpo de una posición a otra no depende de la trayectoria del movimiento, sino que depende únicamente de las posiciones inicial y final del cuerpo en el campo de fuerza. Las fuerzas gravitatorias son fuerzas conservativas, y la energía potencial de un cuerpo de masa m elevado a una altura h sobre la superficie de la Tierra es igual a

E sudor = mgh,

donde g es la aceleración de caída libre.

La energía mecánica total es igual a la suma de la energía cinética y potencial.