Isaac Newton. Fundador de la física clásica. Formación del conocimiento de los escolares sobre la estructura de la teoría física. La tarea principal de la mecánica.
Para describir velocidades que no son pequeñas en comparación con la velocidad de la luz, es necesaria la relatividad especial. En el caso de que los objetos se vuelvan extremadamente masivos, se aplica la relatividad general. Sin embargo, varias fuentes modernas incorporan la mecánica relativista a la física clásica, que creen que representa la mecánica clásica en su forma más desarrollada y precisa.
Descripción de la teoría.
A continuación presentamos los conceptos básicos de la mecánica clásica. Para simplificar, a menudo modelamos objetos reales como partículas puntuales (objetos de tamaño pequeño). El movimiento de una partícula puntual se caracteriza por una pequeña cantidad de parámetros: su posición, masa y fuerzas que se le aplican. Cada uno de estos parámetros se analiza por turno.
De hecho, el tipo de objetos que la mecánica clásica puede describir siempre tienen un tamaño distinto de cero. (Física Muy Las partículas pequeñas, como el electrón, se describen con mayor precisión mediante la mecánica cuántica.) Los objetos con tamaño distinto de cero tienen más comportamiento desafiante que las hipotéticas partículas puntuales, debido a los grados de libertad adicionales; por ejemplo, una pelota de béisbol puede girar mientras se mueve. Sin embargo, los resultados de las partículas puntuales se pueden utilizar para estudiar dichos objetos tratándolos como objetos compuestos formados por un gran número de partículas puntuales que actúan juntas. El centro de masa de un objeto compuesto se comporta como una partícula puntual.
Posición y sus derivados
| posición | metro |
| posición angular/ángulo | sin dimensiones (radianes) |
| velocidad | ms -1 |
| velocidad angular | -1 |
| aceleración | ms -2 |
| aceleración angular | -2 |
| idiota | ms -3 |
| "Arrebato de esquina" | -3 |
| energía específica | m 2 s -2 |
| tasa de dosis absorbida | m 2 s -3 |
| momento de inercia | kilos m2 |
| legumbres | kg·m·s-1 |
| momento angular | kg m 2 s -1 |
| fuerza | kg·m·s-2 |
| esfuerzo de torsión | kgm2·s-2 |
| energía | kgm2·s-2 |
| fuerza | kg m 2 s -3 |
| presión y densidad de energía | kg·m-1s-2 |
| tensión superficial | kg·s-2 |
| característica de rigidez del resorte | kg·s-2 |
| irradiancia y flujo de energía | kg·s-3 |
| viscosidad cinemática | m 2 s -1 |
| viscosidad dinámica | kg·m-1s-1 |
| densidad (densidad de masa) | kg·m-3 |
| densidad (densidad de masa) | kgm-2s-2 |
| densidad | -3 |
| acción | kg m 2 s -1 |
Posición alrededor de una partícula puntual se definen con respecto a un sistema de coordenadas centrado en un punto de referencia fijo arbitrario en el espacio llamado origen conclusión. Un sistema de coordenadas simple puede describir la posición de una partícula. R con flecha escrita vectorial con inscripción GRAMO, que apunta desde el origen oh al punto PAG. En general, el punto de la partícula no debe ser estacionario con respecto a oh. En los casos en que R se mueve en relación con oh , R se define como una función de t, tiempo. En la relatividad anterior a Einstein (conocida como relatividad galileana), el tiempo se considera absoluto, es decir, el intervalo de tiempo que se observa que transcurre entre cualquier par de eventos es el mismo para todos los observadores. Además de depender del tiempo absoluto, la mecánica clásica asume la geometría euclidiana para la estructura del espacio.
Velocidad y velocidad
Matemáticamente, si la velocidad del primer objeto en la discusión anterior se denota por el vector Ud. = Ud.d , y la velocidad del segundo objeto a lo largo del vector acerca de = acerca demi , Dónde en es la velocidad del primer objeto, v es la velocidad del segundo objeto, y d Y mi son vectores unitarios en las direcciones de movimiento de cada objeto respectivamente, entonces la velocidad del primer objeto como lo muestra el segundo objeto
U " = U - v , (\displaystyle \mathbf (u)=\mathbf (u)-\mathbf (v)\,.)Del mismo modo, el primer objeto ve la velocidad del segundo objeto como
v " = v - U , (\displaystyle \mathbf (v)=\mathbf (v)-\mathbf (u)\,.)Cuando ambos objetos se mueven en la misma dirección, entonces esta ecuación se puede simplificar
U " = (U - v) d , (\displaystyle \mathbf (u) "=(u)\mathbf (d)\,.)O, ignorando la dirección, la diferencia sólo puede darse en términos de velocidad:
U" = U - v, (\displaystyle u"=uv\,.)aceleración
Un sistema inercial es un sistema de referencia durante el cual un objeto interactúa sin ninguna fuerza (una situación idealizada) y aparece en reposo o moviéndose uniformemente en línea recta. Ésta es la definición fundamental de un sistema de referencia inercial. Se caracterizan por el requisito de que todas las fuerzas que entran en el observador de las leyes físicas se originan en fuentes identificables, causadas por campos como el campo electrostático (causado por una carga eléctrica estática), el campo electromagnético (causado por el movimiento de cargas), el campo gravitacional ( causado por la masa), etc.
El concepto clave de los inerciales es el método para su identificación. A efectos prácticos, los sistemas de referencia que no aceleran estrellas relativamente distantes (puntos extremadamente distantes) se consideran buenas aproximaciones de las inerciales. Marcos de aceleración no inercial relativos a un marco inercial existente. Forman la base de la teoría de la relatividad de Einstein. Debido al movimiento relativo, las partículas en un sistema no inercial parecen moverse de maneras que no fueron explicadas por las fuerzas de los campos existentes en el sistema de referencia. Por tanto, resulta que hay otras fuerzas que entran en la ecuación del movimiento sólo como resultado de la aceleración relativa. Estas fuerzas se denominan fuerzas ficticias, fuerzas de inercia o pseudofuerzas.
Las transformaciones tienen las siguientes consecuencias:
- v "= v - Ud.(velocidad v"partículas desde el punto de vista S"es más lento Ud. que su velocidad V desde el punto de vista S)
- "= (la aceleración de las partículas es la misma en cualquier sistema de referencia inercial)
- F "= F(la fuerza que actúa sobre la partícula es la misma en cualquier sistema de referencia inercial)
- la velocidad de la luz no es un valor constante en la mecánica clásica, y la posición no especial de una determinada velocidad de la luz en la mecánica relativista tiene un análogo en la mecánica clásica.
Para algunas tareas, es conveniente utilizar coordenadas giratorias (marcos de referencia). Por lo tanto, se puede almacenar la pantalla en un marco inercial conveniente o introducir fuerzas centrífugas y de Coriolis ficticias adicionales.
fortaleza; Segunda ley de Newton
W = ∫ C F (r) ⋅ d r, (\displaystyle W=\Int _(C),\mathbf (F) (\mathbf (r))\CDOT \mathrm (d)\mathbf (r)\ ,.)Si el trabajo se realiza moviendo una partícula desde GRAMO 1 a GRAMO 2 no es la misma sin importar el camino que se tome, la fuerza se llama conservativa. La gravedad es una fuerza conservativa, como la fuerza debida a un resorte idealizado, según lo establece la ley de Hooke. La fuerza causada por la fricción no es conservativa.
Σ E = E K + E p, (\displaystyle \sum E=E_(\mathrm (k))+E_(\mathrm (p))\,)constante en el tiempo. A menudo es útil porque muchas fuerzas que ocurren comúnmente son conservadoras.
Además de las leyes de Newton
La mecánica clásica también describe movimientos más complejos de objetos extendidos, no puntuales. Las leyes de Euler proporcionan una extensión de las leyes de Newton en esta área. Los conceptos de momento angular se basan en el mismo cálculo utilizado para describir el movimiento unidimensional. La ecuación del cohete amplía el concepto de tasa de cambio del impulso de un objeto para incluir los efectos de que un objeto "pierda masa".
Hay dos formulaciones alternativas importantes de la mecánica clásica: la mecánica de Lagrange y la mecánica hamiltoniana. Estas y otras preparaciones modernas tienden a pasar por alto el concepto de "fuerza", en lugar de hacer referencia a otras cantidades físicas como la energía, la velocidad y el momento para describir sistemas mecánicos en coordenadas generalizadas.
La expresión anterior para el momento y la energía cinética es válida sólo cuando no hay una contribución electromagnética significativa. En electromagnetismo, la segunda ley de Newton para cables conductores falla si no incluye la contribución del campo al pulso electromagnético del sistema, expresada por el vector de Poynting dividido por Con 2 donde Con es la velocidad de la luz en el espacio libre.
Límites de aplicabilidad
Muchas ramas de la mecánica clásica simplifican o aproximan formas más precisas; dos de los más precisos son la relatividad general y la mecánica estadística relativista. La óptica geométrica es una aproximación a la teoría cuántica de la luz y no tiene una forma "clásica" superior.
Cuando no se pueden aplicar tanto la mecánica cuántica como la mecánica clásica, por ejemplo a nivel cuántico con muchos grados de libertad, se utiliza la teoría cuántica de campos (QFT). QFT se ocupa de distancias pequeñas y grandes velocidades con una gran cantidad de grados de libertad, así como de la posibilidad de cambios en la cantidad de partículas a lo largo de la interacción. Cuando se manejan grandes grados de libertad a nivel macroscópico, la mecánica estadística resulta útil. La mecánica estadística describe el comportamiento de un número grande (pero contable) de partículas y sus interacciones en su conjunto a nivel macroscópico. La mecánica estadística se utiliza principalmente en termodinámica para sistemas que se encuentran fuera de los límites de los supuestos de la termodinámica clásica. En el caso de objetos que se acercan a la velocidad de la luz, se refuerza la mecánica clásica. En el caso de que los objetos se vuelvan extremadamente pesados (es decir, su radio de Schwarzschild no es despreciable para una aplicación determinada), la desviación de la mecánica newtoniana se hará evidente y podrá cuantificarse utilizando un formalismo posnewtoniano parametrizado. En este caso, pasa a ser aplicable la Teoría General de la Relatividad (GTR). Sin embargo, todavía no existe una teoría de la gravedad cuántica que unifique la relatividad general y la QFT en el sentido de que pueda usarse cuando los objetos se vuelven extremadamente pequeños y pesados.
La aproximación de Newton a la relatividad especial
En relatividad especial, el momento de una partícula está dado por
p = m v 1 − v 2 / c 2 , (\displaystyle \mathbf (p)=(\frac (t\mathbf (v)) (\sqrt (1-V^(2)/c^(2) )) ) \ ,)Dónde t es la masa en reposo de la partícula, V su velocidad, v es un módulo V, A Con es la velocidad de la luz.
Si V muy pequeño en comparación con Con , v 2 / Con 2 es aproximadamente igual a cero, y así sucesivamente.
p ≈ m v , (\displaystyle \mathbf (p)\approx t\mathbf (v)\,.)Por tanto, la ecuación newtoniana R = tv es una aproximación de la ecuación relativista para cuerpos que se mueven a bajas velocidades en comparación con la velocidad de la luz.
Por ejemplo, la frecuencia relativista de un ciclotrón, girotrón o Alto voltaje magnetrón está configurado
f = e c m 0 m 0 + T / c 2 , (\displaystyle F=F_(\mathrm (C)) (\frac (M_(0)) (M_(0)+T/c^(2 ))) \ ,)Dónde mi c es la frecuencia clásica de un electrón (u otra partícula cargada) con energía cinética t y (resto) de las masas metro 0 dando vueltas en un campo magnético. (El resto) la masa del electrón es 511 keV. Por lo tanto, la corrección de frecuencia es del 1% para un tubo de vacío magnético de corriente constante con un voltaje de aceleración de 5,11 kV.
Aproximación clásica a la mecánica cuántica
La aproximación del haz de la mecánica clásica fracasa cuando la longitud de onda de De Broglie no es mucho menor que las otras dimensiones del sistema. Para partículas no relativistas, esta longitud de onda
λ = h p (\displaystyle \Lambda =(\frac (h)(p)))La mecánica clásica es la misma aproximación extrema de alta frecuencia que la óptica geométrica. Suele ser más exacto ya que describe partículas y un cuerpo con masa en reposo. Tienen más impulso y, por tanto, longitudes de onda de De Broglie más cortas que las partículas sin masa, como la luz, con la misma energía cinética.
historia
El estudio del movimiento de los cuerpos es antiguo, lo que hace de la mecánica clásica una de las materias más antiguas y de mayor importancia en ciencia, ingeniería y tecnología.
Después de Newton, la mecánica clásica se convirtió en el principal campo de estudio tanto de las matemáticas como de la física. Poco a poco, varios medicamentos repetidos permitieron encontrar soluciones a un número mucho mayor de problemas. La primera reformulación notable fue en 1788 por Joseph Louis Lagrange. La mecánica lagrangiana a su vez fue formulada nuevamente en 1833 por William Rowan Hamilton.
A finales del siglo XIX se descubrieron algunas dificultades que sólo pudieron resolverse con la ayuda de más física moderna. Algunas de estas dificultades implicaban la compatibilidad con la teoría electromagnética y el famoso experimento de Michelson-Morley. La solución a estos problemas condujo a la teoría especial de la relatividad, que a menudo todavía se considera parte de la mecánica clásica.
El segundo conjunto de dificultades estaba relacionado con la termodinámica. Cuando se combina con la termodinámica, la mecánica clásica conduce a la paradoja de Gibbs de la mecánica estadística clásica, en la que la entropía no es una cantidad bien definida. La radiación del cuerpo negro no se ha explicado sin introducir
(4 de enero de 1643, Woolsthorpe, cerca de Grantham, Lincolnshire, Inglaterra - 31 de marzo de 1727, Londres) - matemático, mecánico, astrónomo y físico inglés, creador de la mecánica clásica, miembro (1672) y presidente (desde 1703) de la Royal Sociedad de Londres.
Uno de los fundadores de la física moderna, formuló las leyes básicas de la mecánica y fue el verdadero creador de un programa físico unificado para describir todos los fenómenos físicos sobre la base de la mecánica; descubrió la ley de la gravitación universal, explicó el movimiento de los planetas alrededor del Sol y la Luna alrededor de la Tierra, así como las mareas en los océanos, sentó las bases de la mecánica continua, la acústica y la óptica física.
Infancia
Isaac Newton nació en un pequeño pueblo en la familia de un pequeño granjero que murió tres meses antes del nacimiento de su hijo. El bebé era prematuro; Cuenta la leyenda que era tan pequeño que lo pusieron en una manopla de piel de oveja tumbado en un banco, del que un día se cayó y se golpeó fuerte la cabeza contra el suelo.
Cuando el niño tenía tres años, su madre se volvió a casar y se fue, dejándolo al cuidado de su abuela. Newton creció enfermizo e insociable, propenso a soñar despierto. Le atraían la poesía y la pintura; lejos de sus compañeros, fabricaba cometas de papel, inventaba un molino de viento, un reloj de agua y un carruaje de pedales.
Newton tuvo un comienzo difícil vida escolar. Estudiaba mal, era un niño débil y un día sus compañeros lo golpearon hasta perder el conocimiento. Soportar una situación tan humillante era insoportable para el orgulloso Newton, y sólo le quedaba una cosa por hacer: destacar por su éxito académico. Gracias a su arduo trabajo, logró el primer lugar en su clase.
El interés por la tecnología hizo que Newton pensara en los fenómenos naturales; También estudió en profundidad matemáticas. Jean Baptiste Biot escribió más tarde sobre esto: “Uno de sus tíos, al encontrarlo un día bajo un seto con un libro en las manos, inmerso en profundos pensamientos, le quitó el libro y descubrió que estaba ocupado resolviendo un problema matemático. Impresionado por una dirección tan seria y activa hombre joven, persuadió a su madre para que no se resistiera más a los deseos de su hijo y lo enviara a continuar sus estudios”. Después de una seria preparación, Newton ingresó a Cambridge en 1660 como Subsizzfr`a (los llamados estudiantes pobres que estaban obligados a servir a los miembros del colegio, lo que no podía dejar de ser una carga para Newton).
El comienzo de la creatividad. Óptica
En seis años, Newton completó todos sus títulos universitarios y preparó todos sus grandes descubrimientos. En 1665, Newton obtuvo el título de Maestro en Artes.
Ese mismo año, cuando la epidemia de peste azotaba Inglaterra, decidió establecerse temporalmente en Woolsthorpe. Fue allí donde comenzó a dedicarse activamente a la óptica; La búsqueda de formas de eliminar la aberración cromática en los telescopios con lentes llevó a Newton a estudiar lo que ahora se llama dispersión, es decir, la dependencia del índice de refracción de la frecuencia. Muchos de los experimentos que realizó (y hay más de mil) se han convertido en clásicos y se repiten hoy en escuelas e institutos.
El leitmotiv de toda la investigación fue el deseo de comprender la naturaleza física de la luz. Al principio, Newton se inclinaba a pensar que la luz eran ondas en el éter omnipresente, pero luego abandonó esta idea y decidió que la resistencia del éter debería ralentizar notablemente el movimiento. cuerpos celestiales. Estos argumentos llevaron a Newton a la idea de que la luz es una corriente de partículas especiales, corpúsculos, emitidas desde una fuente y que se mueven en línea recta hasta encontrar obstáculos. El modelo corpuscular explicaba no sólo la rectitud de la propagación de la luz, sino también la ley de reflexión (reflexión elástica) y, no sin una suposición adicional, la ley de refracción. Se suponía que las partículas ligeras, al acercarse, por ejemplo, a la superficie del agua, deberían ser atraídas por ésta y, por tanto, experimentarían aceleración. Según esta teoría, la velocidad de la luz en el agua debería ser mayor que en el aire (lo que contradecía datos experimentales posteriores).
leyes de la mecanica
La formación de ideas corpusculares sobre la luz estuvo claramente influenciada por el hecho de que en ese momento ya estaba en gran parte completado el trabajo que estaba destinado a convertirse en el principal gran resultado del trabajo de Newton: la creación de una imagen física unificada del mundo basada en las leyes. de mecánica formulada por él.
Esta imagen se basó en la idea de puntos materiales: partículas de materia físicamente infinitesimales y las leyes que gobiernan su movimiento. Fue la formulación clara de estas leyes lo que dio integridad y plenitud a la mecánica de Newton. La primera de estas leyes fue, de hecho, la definición de sistemas de referencia inerciales: es en tales sistemas donde los puntos materiales que no experimentan ninguna influencia se mueven de manera uniforme y rectilínea. La segunda ley de la mecánica juega un papel central. Afirma que el cambio en cantidad, movimiento (el producto de masa y velocidad) por unidad de tiempo es igual a la fuerza que actúa sobre un punto material. La masa de cada uno de estos puntos es una constante; En general, todos estos puntos “no se desgastan”, como dijo Newton, cada uno de ellos es eterno, es decir, no puede surgir ni destruirse. Los puntos materiales interactúan y la medida cuantitativa del impacto sobre cada uno de ellos es la fuerza. El problema de descubrir cuáles son estas fuerzas es la raíz del problema de la mecánica.
Finalmente, la tercera ley, la ley de "igualdad de acción y reacción", explicó por qué el impulso total de cualquier cuerpo que no experimenta influencias externas permanece sin cambios, sin importar cómo sus componentes interactúen entre sí.
Ley de la gravedad
Habiendo planteado el problema del estudio de diversas fuerzas, el propio Newton dio el primer ejemplo brillante de su solución, formulando la ley de la gravitación universal: la fuerza de atracción gravitacional entre cuerpos cuyas dimensiones son significativamente menores que la distancia entre ellos es directamente proporcional a sus masas. , inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos y dirigida a lo largo de la línea de conexión. La ley de la gravitación universal permitió a Newton dar una explicación cuantitativa del movimiento de los planetas alrededor del Sol y la Luna alrededor de la Tierra y comprender la naturaleza de las mareas marinas. Esto no podía dejar de causar una gran impresión en la mente de los investigadores. Un programa para una descripción mecánica unificada de todos los fenómenos naturales, tanto "terrenales" como "celestiales". largos años se estableció en la física. Además, a lo largo de dos siglos, para muchos físicos la cuestión misma de los límites de aplicabilidad de las leyes de Newton parecía injustificada.
En 1668, Newton regresó a Cambridge y pronto recibió la Cátedra Lucasiana de Matemáticas. Esta silla la ocupó anteriormente su maestro I. Barrow, quien la cedió a su alumno favorito para poder sustentarlo económicamente. En ese momento, Newton ya era el autor del binomio y el creador (simultáneamente con Leibniz, pero independientemente de él) del método de las fluxiones, lo que ahora se llama cálculo diferencial e integral. En general, fue un período muy fructífero en la obra de Newton: en siete años, de 1660 a 1667, se formaron sus ideas principales, incluida la idea de la ley de la gravitación universal. Sin limitarse únicamente a la investigación teórica, en los mismos años diseñó y comenzó a crear un telescopio reflector (reflectante). Este trabajo condujo al descubrimiento de lo que más tarde se denominaron "líneas de interferencia de igual espesor". (Newton, al darse cuenta de que aquí se manifestaba "apagar la luz por la luz", que no encajaba en el modelo corpuscular, trató de superar las dificultades que surgieron aquí introduciendo la suposición de que los corpúsculos de la luz se mueven en ondas: "mareas") . El segundo de los telescopios fabricados (mejorados) sirvió de motivo para presentar a Newton como miembro de la Royal Society de Londres. Cuando Newton rechazó la membresía, alegando falta de fondos para pagar las cuotas de membresía, se consideró posible, dados sus méritos científicos, hacer una excepción con él, eximiéndolo de pagarlas.
Siendo por naturaleza una persona muy cautelosa (por no decir tímida), Newton, contra su voluntad, a veces se veía envuelto en discusiones y conflictos dolorosos. Así, su teoría de la luz y los colores, esbozada en 1675, provocó tales ataques que Newton decidió no publicar nada sobre óptica en vida. Gancho, su más acérrimo oponente. Newton también tuvo que participar en acontecimientos políticos. De 1688 a 1694 fue miembro del parlamento. En ese momento, en 1687, se publicó su obra principal "Principios matemáticos de la filosofía natural", la base de la mecánica de todos los fenómenos físicos, desde el movimiento de los cuerpos celestes hasta la propagación del sonido. Este programa determinó durante varios siglos el desarrollo de la física y su importancia no se ha agotado hasta el día de hoy.
enfermedad de newton
El enorme y constante estrés nervioso y mental llevó al hecho de que en 1692 Newton enfermó de un trastorno mental. El impulso inmediato para esto fue un incendio en el que se perdieron todos los manuscritos que preparó. Sólo en 1694, según el testimonio Huygens, “...ya empieza a entender su libro “Principios”.”
El constante sentimiento opresivo de inseguridad material fue sin duda una de las razones de la enfermedad de Newton. Por lo tanto, el puesto de director de la Casa de la Moneda, aunque conservaba su cátedra en Cambridge, era importante para él. Se puso a trabajar con celo y logró rápidamente un éxito notable, y en 1699 fue nombrado director. Era imposible combinar esto con la docencia y Newton se mudó a Londres. A finales de 1703 fue elegido presidente de la Royal Society. En ese momento, Newton había alcanzado la cima de la fama. En 1705 fue elevado al título de caballero, pero como tenía un apartamento grande, seis sirvientes y una familia adinerada, permaneció solo. Se acabó el tiempo de la creatividad activa y Newton se limita a preparar la edición de “Óptica”, la reedición de “Principios” y la interpretación. Sagrada Escritura(posee la interpretación del Apocalipsis, un ensayo sobre el profeta Daniel).
Newton fue enterrado en la Abadía de Westminster. La inscripción en su tumba termina con las palabras: “Que los mortales se regocijen de que tal adorno del género humano haya vivido entre ellos”.
Universidad Estatal Gestión
Instituto la educación a distancia
Especialidad – gestión
por disciplina: KSE
“La mecánica newtoniana es la base de la descripción clásica de la naturaleza. La principal tarea de la mecánica y los límites de su aplicabilidad”.
Terminado
Identificación de estudiante No. 1211
Grupo nº UP4-1-98/2
1. Introducción.________________________________________________________________ 3
2. Mecánica newtoniana.__________________________________________ 5
2.1. Leyes del movimiento de Newton._______________________________________________ 5
2.1.1. Primera ley de Newton.________________________________________________ 6
2.1.2. Segunda ley de Newton.________________________________________________ 7
2.1.3. Tercera ley de Newton._________________________________________________ 8
2.2. La ley de la gravitación universal.___________________________________________ 11
2.3. La principal tarea de la mecánica._____________________________________________ 13
2.4. Límites de aplicabilidad.____________________________________________ 15
3. Conclusión.________________________________________________ 18
4. Lista de referencias._______________________________________ 20
Newton (1643-1727)
Este mundo estaba envuelto en una profunda oscuridad.
¡Que se haga la luz! Y entonces apareció Newton.
1. Introducción.
El concepto de "física" tiene sus raíces en el pasado profundo; traducido del griego significa "naturaleza". La principal tarea de esta ciencia es establecer las "leyes" del mundo circundante. Una de las principales obras de Platón, alumno de Aristóteles, se llamó “Física”.
La ciencia de aquellos años tenía un carácter filosófico natural, es decir. partió del hecho de que los movimientos directamente observables cuerpos celestiales ahí están sus movimientos reales. De esto se llegó a la conclusión sobre la posición central de la Tierra en el Universo. Este sistema reflejaba correctamente algunas de las características de la Tierra como cuerpo celeste: que la Tierra es una bola, que todo gravita hacia su centro. Por lo tanto, esta enseñanza en realidad se refería a la Tierra. Al nivel de su época, cumplía con los requisitos básicos del conocimiento científico. Por un lado, explicó los movimientos observados de los cuerpos celestes desde un único punto de vista y, por otro, permitió calcular sus posiciones futuras. Al mismo tiempo, las construcciones teóricas de los antiguos griegos eran de naturaleza puramente especulativa: estaban completamente divorciadas de la experimentación.
Tal sistema existió hasta el siglo XVI, hasta la aparición de las enseñanzas de Copérnico, que recibió su mayor justificación en la física experimental de Galileo, culminando con la creación de la mecánica newtoniana, que unía el movimiento de los cuerpos celestes y terrestres con unificado. leyes del movimiento. Apareció mayor revolución en las ciencias naturales, que sentó las bases para el desarrollo de la ciencia en su comprensión moderna.
Galileo Galilei creía que el mundo es infinito y la materia es eterna. En todos los procesos no se destruye ni se genera nada; sólo se produce un cambio en la disposición relativa de los cuerpos o sus partes. La materia está formada por átomos absolutamente indivisibles, su movimiento es el único movimiento mecánico universal. Los cuerpos celestes son similares a la Tierra y obedecen a las mismas leyes de la mecánica.
Para Newton, era importante descubrir sin ambigüedades, a través de experimentos y observaciones, las propiedades del objeto estudiado y construir una teoría basada en la inducción sin utilizar hipótesis. Partió del hecho de que en la física como ciencia experimental no hay lugar para hipótesis. Reconociendo la imperfección del método inductivo, lo consideró el más preferible entre otros.
Tanto en la antigüedad como en el siglo XVII se reconoció la importancia de estudiar el movimiento de los cuerpos celestes. Pero si para los antiguos griegos este problema tenía un significado más filosófico, en el siglo XVII predominaba el aspecto práctico. El desarrollo de la navegación requirió el desarrollo de tablas astronómicas más precisas para fines de navegación en comparación con las requeridas para fines astrológicos. La tarea principal era determinar la longitud, tan necesaria para los astrónomos y navegantes. Para solucionar este importante problema practico y se crearon los primeros observatorios estatales (en 1672 en París, en 1675 en Greenwich). Básicamente, se trataba de determinar el tiempo absoluto, que, en comparación con el tiempo local, daba un intervalo de tiempo que podía convertirse en longitud. Este tiempo podría determinarse observando los movimientos de la Luna entre las estrellas, así como utilizando un reloj preciso puesto en hora absoluta y mantenido por el observador. En el primer caso, se necesitaban tablas muy precisas para predecir la posición de los cuerpos celestes, y en el segundo, mecanismos de reloj absolutamente precisos y fiables. El trabajo en estas direcciones no tuvo éxito. Sólo Newton logró encontrar una solución, quien gracias al descubrimiento de la ley de la gravitación universal y las tres leyes fundamentales de la mecánica, así como el cálculo diferencial e integral, dio a la mecánica el carácter de teoría científica integral.
2. Mecánica newtoniana.
El pináculo de la creatividad científica de I. Newton es su obra inmortal "Principios matemáticos de la filosofía natural", publicada por primera vez en 1687. En él resumió los resultados de sus predecesores y sus propias investigaciones y creó por primera vez un sistema único y armonioso de mecánica terrestre y celeste, que formó la base de toda la física clásica. Aquí Newton dio definiciones de los conceptos iniciales: la cantidad de materia equivalente a masa, densidad; momento equivalente al impulso, y varios tipos fortaleza. Al formular el concepto de cantidad de materia, partió de la idea de que los átomos están formados por una única materia primaria; La densidad se entendía como el grado de llenado de una unidad de volumen de un cuerpo con materia primaria. Este trabajo expone la doctrina de la gravitación universal de Newton, a partir de la cual desarrolló la teoría del movimiento de los planetas, satélites y cometas que forman el sistema solar. A partir de esta ley explicó el fenómeno de las mareas y la compresión de Júpiter.
El concepto de Newton fue la base de muchos avances tecnológicos a lo largo del tiempo. Muchos métodos se formaron sobre su base. investigación científica V Varias áreas Ciencias Naturales.
2.1. Leyes del movimiento de Newton.
Si la cinemática estudia el movimiento de un cuerpo geométrico, que no posee ninguna propiedad de un cuerpo material, excepto la propiedad de ocupar un determinado lugar en el espacio y cambiar esta posición con el tiempo, entonces la dinámica estudia el movimiento de cuerpos reales bajo la influencia. de las fuerzas que se les aplican. Las tres leyes de la mecánica establecidas por Newton subyacen a la dinámica y forman la rama principal de la mecánica clásica.
Se pueden aplicar directamente al caso más simple de movimiento, cuando un cuerpo en movimiento se considera un punto material, es decir, cuando no se tiene en cuenta el tamaño y la forma del cuerpo y cuando el movimiento del cuerpo se considera como el movimiento de un punto con masa. En agua hirviendo, para describir el movimiento de un punto, se puede elegir cualquier sistema de coordenadas, con respecto al cual se determinan las cantidades que caracterizan este movimiento. Cualquier cuerpo que se mueva con respecto a otros cuerpos puede tomarse como cuerpo de referencia. En dinámica se trata de sistemas de coordenadas inerciales, caracterizados porque respecto a ellos un punto material libre se mueve con velocidad constante.
2.1.1. Primera ley de Newton.
La ley de la inercia fue establecida por primera vez por Galileo para el caso del movimiento horizontal: cuando un cuerpo se mueve a lo largo de un plano horizontal, su movimiento es uniforme y continuaría constantemente si el plano se extendiera en el espacio sin fin. Newton dio una formulación más general de la ley de inercia como primera ley del movimiento: todo cuerpo permanece en reposo o en movimiento lineal uniforme hasta que las fuerzas que actúan sobre él cambian este estado.
En la vida, esta ley describe el caso en el que, si dejas de tirar o empujar un cuerpo en movimiento, éste se detiene y no continúa moviéndose a una velocidad constante. Así se detiene un coche con el motor apagado. Según la ley de Newton, una fuerza de frenado debe actuar sobre un automóvil que rueda por inercia, que en la práctica es la resistencia del aire y la fricción de los neumáticos sobre la superficie de la carretera. Le dan al coche una aceleración negativa hasta que se detiene.
La desventaja de esta formulación de la ley es que no contenía ninguna indicación de la necesidad de relacionar el movimiento con un sistema de coordenadas inercial. El hecho es que Newton no utilizó el concepto de sistema de coordenadas inercial; en cambio, introdujo el concepto de espacio absoluto, homogéneo e inmóvil, con el que asoció un determinado sistema de coordenadas absoluto, con respecto al cual se determinaba la velocidad del cuerpo. . Cuando se reveló el vacío del espacio absoluto como sistema de referencia absoluto, la ley de la inercia comenzó a formularse de otra manera: con respecto al sistema de coordenadas inercial, un cuerpo libre mantiene un estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme.
2.1.2. Segunda ley de Newton.
Al formular la segunda ley, Newton introdujo los conceptos:
La aceleración es una cantidad vectorial (Newton la llamó impulso y la tuvo en cuenta al formular la regla del paralelogramo de velocidad), que determina la tasa de cambio en la velocidad de un cuerpo.
La fuerza es una cantidad vectorial, entendida como la medida del impacto mecánico sobre un cuerpo por parte de otros cuerpos o campos, como resultado del cual el cuerpo adquiere aceleración o cambia de forma y tamaño.
La masa corporal es una cantidad física, una de las principales características de la materia, que determina sus propiedades inerciales y gravitacionales.
La segunda ley de la mecánica establece: la fuerza que actúa sobre un cuerpo es igual al producto de la masa del cuerpo por la aceleración impartida por esta fuerza. Ésta es su formulación moderna. Newton lo formuló de otra manera: el cambio de impulso es proporcional a la fuerza actuante aplicada y ocurre en la dirección de la línea recta a lo largo de la cual actúa esta fuerza, e inversamente proporcional a la masa del cuerpo, o matemáticamente:
Esta ley es fácil de confirmar experimentalmente; si se fija un carro al extremo de un resorte y se suelta el resorte, con el tiempo t el carro recorrerá la distancia s 1(Fig. 1), luego fije dos carros al mismo resorte, es decir, duplica tu peso corporal y suelta el resorte, luego al mismo tiempo t ellos llegarán hasta el final t 2, dos veces menos que s 1 .
Esta ley también es válida sólo en sistemas de referencia inerciales. La primera ley desde un punto de vista matemático es caso especial segunda ley, porque si las fuerzas resultantes son cero, entonces la aceleración también es cero. Sin embargo, la primera ley de Newton se considera una ley independiente, porque Es él quien afirma la existencia de sistemas inerciales.
2.1.3. Tercera ley de Newton.
La tercera ley de Newton establece: una acción siempre tiene una reacción igual y opuesta, de lo contrario los cuerpos actúan entre sí con fuerzas dirigidas a lo largo de la misma línea recta, iguales en magnitud y opuestas en dirección, o matemáticamente:
Newton extendió el efecto de esta ley tanto al caso de colisiones de cuerpos como al caso de su atracción mutua. La demostración más simple de esta ley es un cuerpo ubicado en un plano horizontal, que está sujeto a la fuerza de la gravedad. pies y fuerza de reacción del suelo F o, situadas en la misma línea recta, de igual valor y con direcciones opuestas, la igualdad de estas fuerzas permite que el cuerpo esté en reposo (Fig. 2).
Los corolarios se derivan de las tres leyes fundamentales del movimiento de Newton, una de las cuales es la suma de impulso según la regla del paralelogramo. La aceleración de un cuerpo depende de las cantidades que caracterizan la acción de otros cuerpos sobre un cuerpo determinado, así como de las cantidades que determinan las características de este cuerpo. La acción mecánica de otros cuerpos sobre un cuerpo, que cambia la velocidad de movimiento de un cuerpo determinado, se llama fuerza. Puede tener diferente naturaleza (gravedad, fuerza elástica, etc.). El cambio en la velocidad de un cuerpo no depende de la naturaleza de las fuerzas, sino de su magnitud. Como la velocidad y la fuerza son vectores, la acción de varias fuerzas se suma según la regla del paralelogramo. La propiedad de un cuerpo de la que depende la aceleración que adquiere es la inercia, medida en masa. En la mecánica clásica, que trabaja con velocidades significativamente inferiores a la de la luz, la masa es una característica del propio cuerpo, independientemente de si se está moviendo o no. La masa de un cuerpo en la mecánica clásica no depende de la interacción del cuerpo con otros cuerpos. Esta propiedad de la masa llevó a Newton a tomar la masa como medida de materia y creer que su magnitud determina la cantidad de materia en un cuerpo. Así, se pasó a entender la masa como la cantidad de materia.
La cantidad de materia se puede medir, siendo proporcional al peso del cuerpo. El peso es la fuerza con la que un cuerpo actúa sobre un soporte que le impide caer libremente. Numéricamente, el peso es igual al producto de la masa corporal por la aceleración de la gravedad. Debido a la compresión de la Tierra y su rotación diaria, el peso corporal cambia con la latitud y es un 0,5% menor en el ecuador que en los polos. Dado que la masa y el peso son estrictamente proporcionales, era posible realizar mediciones prácticas de masa o cantidad de materia. La comprensión de que el peso es un efecto variable en un cuerpo llevó a Newton a establecer una característica interna del cuerpo: la inercia, que consideraba la capacidad inherente del cuerpo para mantener un movimiento lineal uniforme, proporcional a la masa. La masa como medida de inercia se puede medir utilizando escalas, como lo hizo Newton.
En estado de ingravidez, la masa se puede medir por inercia. La medición inercial es una forma común de medir la masa. Pero la inercia y el peso son conceptos físicos diferentes. Su proporcionalidad entre sí es muy conveniente en términos prácticos: para medir masa usando balanzas. Así, el establecimiento de los conceptos de fuerza y masa, así como el método para medirlos, permitió a Newton formular la segunda ley de la mecánica.
La primera y segunda leyes de la mecánica se refieren respectivamente al movimiento de un punto material o de un cuerpo. En este caso, sólo se tiene en cuenta la acción de otros cuerpos sobre un cuerpo determinado. Sin embargo, cada acción es interacción. Dado que en mecánica una acción se caracteriza por la fuerza, si un cuerpo actúa sobre otro con una determinada fuerza, el segundo actúa sobre el primero con la misma fuerza, que está fijada por la tercera ley de la mecánica. En la formulación de Newton, la tercera ley de la mecánica es válida sólo en el caso de interacción directa de fuerzas o cuando la acción de un cuerpo se transfiere instantáneamente a otro. En el caso de transferencia de una acción durante un período de tiempo determinado, esta ley se aplica cuando el momento de la transferencia de la acción puede descuidarse.
2.2. La ley de la gravitación universal.
Se cree que el núcleo de la dinámica newtoniana es el concepto de fuerza, y la tarea principal de la dinámica es establecer la ley a partir de un movimiento dado y, a la inversa, determinar la ley del movimiento de los cuerpos a partir de una fuerza dada. De las leyes de Kepler, Newton dedujo la existencia de una fuerza dirigida hacia el Sol, que era inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de los planetas al Sol. Habiendo generalizado las ideas expresadas por Kepler, Huygens, Descartes, Borelli, Hooke, Newton les dio la forma exacta de una ley matemática, según la cual se afirmaba la existencia en la naturaleza de la fuerza de la gravedad universal, que determina la atracción de los cuerpos. La fuerza de gravedad es directamente proporcional al producto de las masas de los cuerpos gravitantes e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos, o matemáticamente:
Donde G es la constante gravitacional.
Esta ley describe la interacción de cualquier cuerpo; lo único importante es que la distancia entre los cuerpos sea lo suficientemente grande en comparación con sus tamaños, esto permite que los cuerpos sean aceptados como puntos materiales. En la teoría de la gravitación de Newton, se acepta que la fuerza de gravedad se transmite de un cuerpo gravitante a otro de forma instantánea, y sin mediación de ningún medio. La ley de la gravitación universal ha dado lugar a un largo y furioso debate. Esto no fue accidental, ya que esta ley tenía un importante significado filosófico. La cuestión es que antes de Newton, el objetivo de la creación de teorías físicas era identificar y representar el mecanismo de los fenómenos físicos en todos sus detalles. En los casos en que esto no fue posible, se argumentó sobre las llamadas “cualidades ocultas” que no se prestan a una interpretación detallada. Bacon y Descartes declararon que las referencias a “cualidades ocultas” no eran científicas. Descartes creía que la esencia de un fenómeno natural sólo puede entenderse si se imagina visualmente. Así, representó los fenómenos de la gravedad con la ayuda de vórtices etéreos. En el contexto de la amplia difusión de tales ideas, la ley de gravitación universal de Newton, a pesar de que demostraba con una precisión sin precedentes la correspondencia de las observaciones astronómicas realizadas sobre su base, fue cuestionada porque la atracción mutua de los cuerpos recordaba mucho de la doctrina peripatética de las “cualidades ocultas”. Y aunque Newton estableció el hecho de su existencia sobre la base de análisis matemáticos y datos experimentales, el análisis matemático aún no ha entrado firmemente en la conciencia de los investigadores como un método suficientemente confiable. Pero el deseo de limitar la investigación física a hechos que no pretenden una verdad absoluta permitió a Newton completar la formación de la física como una ciencia independiente y separarla de la filosofía natural con sus pretensiones de conocimiento absoluto.
En la ley de la gravitación universal, la ciencia recibió un modelo de la ley de la naturaleza como una regla absolutamente precisa, aplicable en todas partes, sin excepciones, con consecuencias precisamente definidas. Kant incluyó esta ley en su filosofía, donde representaba la naturaleza como el reino de la necesidad, en contraste con la moral, el reino de la libertad.
El concepto físico de Newton fue una especie de logro supremo de la física del siglo XVII. La aproximación estática al Universo fue reemplazada por una dinámica. El método de investigación matemático experimental, que permitió resolver muchos problemas de física del siglo XVII, resultó adecuado para resolver problemas físicos durante otros dos siglos.
2.3. La principal tarea de la mecánica.
El resultado del desarrollo de la mecánica clásica fue la creación de una imagen mecánica unificada del mundo, en cuyo marco toda la diversidad cualitativa del mundo se explicaba por las diferencias en el movimiento de los cuerpos, sujeto a las leyes de la mecánica newtoniana. Según la imagen mecánica del mundo, si el fenómeno físico del mundo podía explicarse sobre la base de las leyes de la mecánica, entonces tal explicación era reconocida como científica. La mecánica de Newton se convirtió así en la base de la imagen mecánica del mundo, que dominó hasta la revolución científica en principios del siglo XIX y siglos XX.
La mecánica de Newton, a diferencia de los conceptos mecánicos anteriores, permitió resolver el problema de cualquier etapa del movimiento, tanto anterior como posterior, y en cualquier punto del espacio con hechos conocidos que provocan este movimiento, así como el problema inverso de determinar la Magnitud y dirección de acción de estos factores en cualquier punto con elementos básicos de movimiento conocidos. Gracias a esto, la mecánica newtoniana podría utilizarse como método de análisis cuantitativo. movimiento mecánico. Cualquier fenómeno físico podría estudiarse independientemente de los factores que lo provocan. Por ejemplo, puedes calcular la velocidad de un satélite de la Tierra: para simplificar, encontremos la velocidad de un satélite con una órbita igual al radio de la Tierra (Fig. 3). Con suficiente precisión, podemos equiparar la aceleración del satélite a la aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra:
Por otro lado, la aceleración centrípeta del satélite.
dónde 
. – Esta velocidad se llama primero. velocidad de escape. Un cuerpo de cualquier masa al que se le imparta tal velocidad se convertirá en un satélite de la Tierra.
Las leyes de la mecánica newtoniana relacionaban la fuerza no con el movimiento, sino con un cambio de movimiento. Esto permitió abandonar las ideas tradicionales de que se necesita fuerza para mantener el movimiento y asignar a la fricción, que hacía necesaria la fuerza en los mecanismos existentes para mantener el movimiento, un papel secundario. Habiendo establecido una visión dinámica del mundo en lugar de la tradicional estática, Newton hizo de su dinámica la base. física teórica. Aunque Newton fue cauteloso en sus interpretaciones mecánicas fenomenos naturales, todavía consideraba deseable derivar otros fenómenos naturales de los principios de la mecánica. Un mayor desarrollo de la física comenzó a llevarse a cabo en la dirección de un mayor desarrollo del aparato de la mecánica en relación con la solución de problemas específicos, a medida que se resolvían, la imagen mecánica del mundo se hacía más fuerte.
2.4. Límites de aplicabilidad.
Con el desarrollo de la física a principios del siglo XX, se determinó el ámbito de aplicación de la mecánica clásica: sus leyes se cumplen para movimientos cuya velocidad es alta. menos velocidad Luz. Se encontró que al aumentar la velocidad, aumenta la masa corporal. En general, las leyes de la mecánica clásica de Newton son válidas para el caso de sistemas de referencia inerciales. En el caso de los sistemas de referencia no inerciales la situación es diferente. Con el movimiento acelerado de un sistema de coordenadas no inercial en relación con un sistema inercial, la primera ley de Newton (ley de inercia) no se cumple en este sistema: los cuerpos libres en él cambiarán su velocidad de movimiento con el tiempo.
La primera discrepancia en la mecánica clásica se reveló cuando se descubrió el microcosmos. En la mecánica clásica, los movimientos en el espacio y la determinación de la velocidad se estudiaban independientemente de cómo se realizaban estos movimientos. En relación con los fenómenos del micromundo, tal situación, como se vio después, es imposible en principio. En este caso, la localización espaciotemporal subyacente a la cinemática sólo es posible en algunos casos especiales, que dependen de condiciones dinámicas específicas del movimiento. A escala macro, el uso de la cinemática es bastante aceptable. Para las microescalas, donde los cuantos desempeñan el papel principal, la cinemática, que estudia el movimiento independientemente de las condiciones dinámicas, pierde su significado.
Para la escala del micromundo, la segunda ley de Newton también resultó insostenible: solo es válida para fenómenos a gran escala. Se reveló que los intentos de medir cualquier cantidad que caracterice el sistema en estudio implica un cambio incontrolado en otras cantidades que caracterizan este sistema: Si se intenta establecer una posición en el espacio y en el tiempo, se produce un cambio incontrolado en la cantidad conjugada correspondiente, que determina el estado dinámico del sistema. Por tanto, es imposible medir con precisión dos cantidades mutuamente conjugadas al mismo tiempo. Cuanto más exactamente se determina el valor de una cantidad que caracteriza a un sistema, más incierto resultará ser el valor de su cantidad asociada. Esta circunstancia supuso un cambio significativo en las opiniones sobre la comprensión de la naturaleza de las cosas.
La inconsistencia en la mecánica clásica se basó en el hecho de que el futuro, en cierto sentido, está completamente contenido en el presente; esto determina la posibilidad de predecir con precisión el comportamiento de un sistema en cualquier momento futuro. Esta posibilidad ofrece la determinación simultánea de cantidades mutuamente conjugadas. En el campo del micromundo esto resultó imposible, lo que provoca cambios significativos en la comprensión de las posibilidades de previsión y la interconexión de los fenómenos naturales: desde el valor de las cantidades que caracterizan el estado del sistema en cierto momento tiempo, solo se puede establecer con un cierto grado de incertidumbre, entonces se excluye la posibilidad de predecir con precisión los valores de estas cantidades en momentos posteriores, es decir, sólo se puede predecir la probabilidad de obtener ciertos valores.
Otro descubrimiento que sacudió los cimientos de la mecánica clásica fue la creación de la teoría de campos. La mecánica clásica intentó reducir todos los fenómenos naturales a fuerzas que actúan entre partículas de materia; el concepto se basó en esto. fluidos electricos. En el marco de este concepto, sólo la sustancia y sus cambios eran reales; aquí lo más importante era la descripción de la acción de dos cargas eléctricas con la ayuda de conceptos relacionados con ellas. La descripción del campo entre estas cargas, y no las cargas en sí, era muy importante para comprender la acción de las cargas. Aquí hay un ejemplo simple de una violación de la tercera ley de Newton en tales condiciones: si una partícula cargada se aleja de un conductor a través del cual fluye la corriente y, en consecuencia, se crea un campo magnético a su alrededor, entonces la fuerza resultante ejercida por la partícula cargada sobre el conductor que transporta corriente es exactamente cero.
Creado nueva realidad no había lugar en la imagen mecánica del mundo. Como resultado, la física comenzó a abordar dos realidades: la materia y el campo. Si la física clásica se basaba en el concepto de materia, entonces, con la identificación de una nueva realidad, era necesario revisar la imagen física del mundo. Los intentos de explicar los fenómenos electromagnéticos utilizando el éter resultaron insostenibles. El éter no se pudo detectar experimentalmente. Esto llevó a la creación de la teoría de la relatividad, que nos obligó a reconsiderar los conceptos de espacio y tiempo característicos de la física clásica. Así, dos conceptos, la teoría cuántica y la teoría de la relatividad, se convirtieron en la base de nuevos conceptos físicos.
3. Conclusión.
La contribución de Newton al desarrollo de las ciencias naturales fue que proporcionó un método matemático para convertir las leyes físicas en resultados cuantitativamente mensurables que podrían confirmarse mediante observaciones y, a la inversa, deducir leyes fisicas basado en tales observaciones. Como él mismo escribió en el prefacio de "Principios", "... proponemos este trabajo como los fundamentos matemáticos de la física. Toda la dificultad de la física... consiste en reconocer las fuerzas de la naturaleza a partir de los fenómenos del movimiento, y luego utilizando estas fuerzas para explicar los fenómenos restantes... Sería deseable deducir de los principios de la mecánica el resto de los fenómenos de la naturaleza, razonando de manera similar, porque mucho me hace suponer que todos estos fenómenos están determinados por ciertas fuerzas. con las cuales las partículas de los cuerpos, por razones aún desconocidas, tienden unas a otras y se entrelazan formando figuras regulares, o se repelen y se alejan unas de otras. Dado que estas fuerzas son desconocidas, hasta ahora los intentos de los filósofos por explicar los fenómenos naturales han resultado infructuosos. Espero, sin embargo, que este método de razonamiento u otro más correcto, las razones dadas aquí aporten alguna iluminación."
El método de Newton se convirtió en la principal herramienta para comprender la naturaleza. Las leyes de la mecánica clásica y los métodos de análisis matemático demostraron su eficacia. El experimento físico, basado en tecnología de medición, aseguró una precisión sin precedentes. El conocimiento físico se convirtió cada vez más en la base de la tecnología y la ingeniería industriales, estimuló el desarrollo de otros Ciencias Naturales. En física, la luz, la electricidad, el magnetismo y el calor, hasta ahora aislados, se combinaron en la teoría electromagnética. Y aunque la naturaleza de la gravedad seguía sin estar clara, sus acciones podían calcularse. El concepto de determinismo mecanicista de Laplace se basó en la posibilidad de determinar inequívocamente el comportamiento de un sistema en cualquier momento, si se conocen las condiciones iniciales. La estructura de la mecánica como ciencia parecía sólida, fiable y casi completamente completa, es decir, los fenómenos encontrados que no encajaban en los cánones clásicos existentes parecían bastante explicables en el futuro por mentes más sofisticadas desde el punto de vista de la mecánica clásica. Daba la impresión de que el conocimiento de la física estaba cerca de su finalización total: una fuerza tan poderosa quedó demostrada en los fundamentos de la física clásica.
4. Lista de referencias.
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2. Newton y los problemas filosóficos de la física del siglo XX. Equipo de autores ed. MARYLAND. Akhundova, S.V. Ilarionov. M.: Nauka, 1991.
3. Gursky I.P. Física elemental. M.: Nauka, 1984.
4. Gran Enciclopedia Soviética en 30 volúmenes. Ed. Prokhorova A.M., 3ª edición, M., enciclopedia soviética, 1970.
5. Dorfman Ya.G. La historia mundial física con principios del XIX hasta mediados del siglo XX. M., 1979.
S. Marshak, op. en 4 volúmenes, Moscú, Goslitizdat, 1959, volumen 3, p. 601
Cita por: Bernal J. La ciencia en la historia de la sociedad. M., 1956.P.265
Mecanica clasica- un tipo de mecánica (una rama de la física que estudia las leyes de los cambios en las posiciones de los cuerpos en el espacio a lo largo del tiempo y las causas que los causan), basada en las leyes de Newton y el principio de relatividad de Galileo. Por eso, a menudo se le llama “ Mecánica newtoniana».
La mecánica clásica se divide en:
- estática (que considera el equilibrio de los cuerpos)
- cinemática (que estudia la propiedad geométrica del movimiento sin considerar sus causas)
- dinámica (que considera el movimiento de los cuerpos).
Hay varias formas equivalentes de describir formalmente matemáticamente la mecánica clásica:
- Formalismo lagrangiano
- Formalismo hamiltoniano
La mecánica clásica da resultados muy precisos si su aplicación se limita a cuerpos cuyas velocidades son mucho menores que la velocidad de la luz y cuyos tamaños exceden significativamente los tamaños de los átomos y las moléculas. Una generalización de la mecánica clásica a los cuerpos que se mueven a una velocidad arbitraria es la mecánica relativista, y a los cuerpos cuyas dimensiones son comparables a las atómicas es la mecánica cuántica. La teoría cuántica de campos examina los efectos relativistas cuánticos.
Sin embargo, la mecánica clásica conserva su importancia porque:
- Es mucho más fácil de entender y utilizar que otras teorías.
- en una amplia gama describe bastante bien la realidad.
La mecánica clásica se puede utilizar para describir el movimiento de objetos como peonzas y pelotas de béisbol, muchos objetos astronómicos (como planetas y galaxias) y, a veces, incluso muchos objetos microscópicos como moléculas.
La mecánica clásica es una teoría autoconsistente, es decir, dentro de su marco no existen enunciados que se contradigan entre sí. Sin embargo, su combinación con otras teorías clásicas, por ejemplo la electrodinámica y la termodinámica clásicas, conduce al surgimiento de contradicciones insolubles. En particular, la electrodinámica clásica predice que la velocidad de la luz es constante para todos los observadores, lo que es inconsistente con mecanica clasica. A principios del siglo XX, esto llevó a la necesidad de crear una teoría especial de la relatividad. Cuando se considera junto con la termodinámica, la mecánica clásica conduce a la paradoja de Gibbs, en la que es imposible determinar con precisión el valor de la entropía, y a la catástrofe ultravioleta, en la que un cuerpo negro debe irradiar una cantidad infinita de energía. Los intentos de resolver estos problemas llevaron al surgimiento y desarrollo mecánica cuántica.
Conceptos básicos
La mecánica clásica opera sobre varios conceptos y modelos básicos. Entre ellos están:
Leyes basicas
El principio de relatividad de Galileo
El principio fundamental en el que se basa la mecánica clásica es el principio de relatividad, formulado a partir de observaciones empíricas de G. Galileo. Según este principio, existen infinitos sistemas de referencia en los que un cuerpo libre está en reposo o se mueve con una velocidad constante en magnitud y dirección. Estos sistemas de referencia se denominan inerciales y se mueven entre sí de manera uniforme y rectilínea. En todos los sistemas de referencia inerciales, las propiedades del espacio y el tiempo son las mismas y todos los procesos en los sistemas mecánicos obedecen a las mismas leyes. Este principio también puede formularse como la ausencia de sistemas de referencia absolutos, es decir, sistemas de referencia que se distingan de alguna manera de otros.
las leyes de newton
La base de la mecánica clásica son las tres leyes de Newton.
La segunda ley de Newton no es suficiente para describir el movimiento de una partícula. Adicionalmente, se requiere una descripción de la fuerza, derivada de la consideración de la entidad interacción física, en el que participa el cuerpo.
Ley de conservación de la energía.
La ley de conservación de la energía es consecuencia de las leyes de Newton para sistemas conservadores cerrados, es decir, sistemas en los que sólo actúan fuerzas conservadoras. Desde un punto de vista más fundamental, existe una relación entre la ley de conservación de la energía y la homogeneidad del tiempo, expresada por el teorema de Noether.
Más allá de la aplicabilidad de las leyes de Newton
La mecánica clásica también incluye descripciones de los movimientos complejos de objetos extensos no puntuales. Las leyes de Euler proporcionan una extensión de las leyes de Newton a esta región. El concepto de momento angular se basa en los mismos métodos matemáticos utilizados para describir el movimiento unidimensional.
Las ecuaciones del movimiento de un cohete amplían el concepto de velocidad, donde el impulso de un objeto cambia con el tiempo, para tener en cuenta efectos como la pérdida de masa. Hay dos formulaciones alternativas importantes de la mecánica clásica: la mecánica de Lagrange y la mecánica hamiltoniana. Estos y otros formulaciones modernas, por regla general, omiten el concepto de "fuerza" y enfatizan otras cantidades físicas, como la energía o la acción, para describir sistemas mecánicos.
Las expresiones anteriores para el momento y la energía cinética sólo son válidas si no hay una contribución electromagnética significativa. En electromagnetismo, la segunda ley de Newton para un alambre que transporta corriente se viola si no incluye la contribución del campo electromagnético al impulso del sistema expresado en términos del vector de Poynting dividido por C 2 donde C es la velocidad de la luz en el espacio libre.
Historia
Tiempos antiguos
La mecánica clásica surgió en la antigüedad principalmente en relación con los problemas que surgieron durante la construcción. La primera rama de la mecánica en desarrollarse fue la estática, cuyas bases se sentaron en las obras de Arquímedes en el siglo III a.C. mi. Formuló la regla de la palanca, el teorema de la suma de fuerzas paralelas, introdujo el concepto de centro de gravedad y sentó las bases de la hidrostática (la fuerza de Arquímedes).
Edad media
Nuevo tiempo
siglo 17
Siglo XVIII
Siglo 19
En el siglo XIX, el desarrollo de la mecánica analítica tuvo lugar con los trabajos de Ostrogradsky, Hamilton, Jacobi, Hertz y otros. En la teoría de las oscilaciones, Routh, Zhukovsky y Lyapunov desarrollaron una teoría de la estabilidad de los sistemas mecánicos. Coriolis desarrolló la teoría del movimiento relativo, demostrando el teorema de la descomposición de la aceleración en componentes. En la segunda mitad del siglo XIX, la cinemática se separó en una sección separada de la mecánica.
Los avances en el campo de la mecánica del continuo fueron especialmente significativos en el siglo XIX. Navier y Cauchy formularon las ecuaciones de la teoría de la elasticidad de forma general. En los trabajos de Navier y Stokes, las ecuaciones diferenciales de hidrodinámica se obtuvieron teniendo en cuenta la viscosidad del líquido. Junto a esto, se profundiza el conocimiento en el campo de la hidrodinámica de un fluido ideal: aparecen trabajos de Helmholtz sobre vórtices, Kirchhoff, Zhukovsky y Reynolds sobre turbulencias, y Prandtl sobre efectos de frontera. Saint-Venant desarrolló un modelo matemático que describe las propiedades plásticas de los metales.
Tiempos modernos
En el siglo XX, el interés de los investigadores se centró en los efectos no lineales en el campo de la mecánica clásica. Lyapunov y Henri Poincaré sentaron las bases de la teoría de las oscilaciones no lineales. Meshchersky y Tsiolkovsky analizaron la dinámica de cuerpos de masa variable. La aerodinámica se distingue de la mecánica continua, cuyos fundamentos fueron desarrollados por Zhukovsky. A mediados del siglo XX, se estaba desarrollando activamente una nueva dirección en la mecánica clásica: la teoría del caos. Las cuestiones de la estabilidad de los sistemas dinámicos complejos también siguen siendo importantes.
Limitaciones de la mecánica clásica.
La mecánica clásica proporciona resultados precisos para los sistemas que encontramos en La vida cotidiana. Pero sus predicciones se vuelven incorrectas para sistemas cuya velocidad se acerca a la velocidad de la luz, donde es reemplazada por la mecánica relativista, o para sistemas muy pequeños donde se aplican las leyes de la mecánica cuántica. Para sistemas que combinan ambas propiedades, se utiliza la mecánica relativista en lugar de la mecánica clásica. Teoría cuántica campos. Para sistemas con muy gran cantidad componentes o grados de libertad, la mecánica clásica tampoco puede ser adecuada, pero se utilizan métodos de la mecánica estadística.
La mecánica clásica se usa ampliamente porque, en primer lugar, es mucho más simple y fácil de usar que las teorías enumeradas anteriormente y, en segundo lugar, tiene un gran potencial de aproximación y aplicación para una clase muy amplia de objetos físicos, comenzando por los familiares, como un trompo o una bola, hasta objetos astronómicos de gran tamaño (planetas, galaxias) y muy microscópicos (moléculas orgánicas).
Aunque la mecánica clásica es generalmente compatible con otras teorías "clásicas" como la electrodinámica y la termodinámica clásicas, existen algunas inconsistencias entre estas teorías que se descubrieron a finales del siglo XIX. Pueden resolverse mediante métodos de la física más moderna. En particular, las ecuaciones de la electrodinámica clásica no son invariantes bajo transformaciones galileanas. La velocidad de la luz entra en ellos como una constante, lo que significa que la electrodinámica clásica y la mecánica clásica sólo podrían ser compatibles en un marco de referencia seleccionado, asociado con el éter. Sin embargo, las pruebas experimentales no revelaron la existencia del éter, lo que llevó a la creación de la teoría especial de la relatividad, dentro de la cual se modificaron las ecuaciones de la mecánica. Los principios de la mecánica clásica también son incompatibles con algunas afirmaciones de la termodinámica clásica, lo que lleva a la paradoja de Gibbs, que afirma que la entropía no se puede determinar con precisión, y a la catástrofe ultravioleta, en la que un cuerpo negro debe irradiar una cantidad infinita de energía. La mecánica cuántica fue creada para superar estas incompatibilidades.
Notas
enlaces de internet
- Videoconferencia 1. Física: Mecánica clásica (otoño de 1999)// Conferencias del MIT: 8.01
Literatura
- Arnold V.I. Avets A. Problemas ergódicos de la mecánica clásica. - RHD, 1999. - 284 p.
- B. M. Yavorsky, A. A. Detlaf. Física para estudiantes de secundaria y de ingreso a la universidad. - M.: Academia, 2008. - 720 p. - ( Educación más alta). - 34.000 ejemplares. -ISBN 5-7695-1040-4
- Sivukhin D.V. Curso de física general. - 5ª edición, estereotipada. - M.: Fizmatlit, 2006. - T. I. Mecánica. - 560 s. -ISBN 5-9221-0715-1
- A. N. Matveev. Mecánica y teoría de la relatividad. - 3ª edición. - M.: ONIX Siglo XXI: Paz y Educación, 2003. - 432 p. - 5000 ejemplares. -ISBN 5-329-00742-9
- C. Kittel, W. Knight, M. Ruderman Mecánica. Curso de Física de Berkeley. - M.: Lan, 2005. - 480 p. - (Libros de texto para universidades). - 2000 ejemplares. -ISBN 5-8114-0644-4
Así, el tema de estudio de la mecánica clásica son las leyes y causas del movimiento mecánico, entendido como la interacción de partículas macroscópicas (constituidas por una gran cantidad de partículas). cuerpos fisicos y sus partes constituyentes, y el cambio de su posición en el espacio generado por esta interacción, que ocurre a velocidades subluz (no relativistas).
El lugar de la mecánica clásica en el sistema. Ciencias fisicas y los límites de su aplicabilidad se muestran en la Figura 1.
Figura 1. Rango de aplicabilidad de la mecánica clásica.
La mecánica clásica se divide en estática (que considera el equilibrio de los cuerpos), cinemática (que estudia la propiedad geométrica del movimiento sin considerar sus causas) y dinámica (que considera el movimiento de los cuerpos teniendo en cuenta las causas que lo provocan).
Hay varias formas equivalentes de descripción matemática formal de la mecánica clásica: las leyes de Newton, el formalismo lagrangiano, el formalismo hamiltoniano y el formalismo de Hamilton-Jacobi.
Cuando se aplica la mecánica clásica a cuerpos cuyas velocidades son mucho menores que la velocidad de la luz, y cuyos tamaños exceden significativamente los tamaños de los átomos y moléculas, y a distancias o condiciones donde la velocidad de propagación de la gravedad puede considerarse infinita, se obtiene resultados extremadamente resultados precisos. Por ello, hoy en día la mecánica clásica conserva su importancia, ya que es mucho más fácil de entender y utilizar que otras teorías, y describe bastante bien la realidad cotidiana. La mecánica clásica se puede utilizar para describir el movimiento de una clase muy amplia de objetos físicos: objetos macroscópicos cotidianos (como una peonza y una pelota de béisbol), objetos astronómicos (como planetas y estrellas) y muchos objetos microscópicos.
La mecánica clásica es la más antigua de las ciencias físicas. Ya en la antigüedad, la gente no sólo entendía empíricamente las leyes de la mecánica, sino que también las aplicaba en la práctica, construyendo los mecanismos más simples. Ya en el Neolítico y la Edad del Bronce apareció la rueda, un poco más tarde la palanca y plano inclinado. En la antigüedad, el conocimiento práctico acumulado comenzó a generalizarse, se hicieron los primeros intentos de definir los conceptos básicos de la mecánica, como fuerza, resistencia, desplazamiento, velocidad y formular algunas de sus leyes. Fue durante el desarrollo de la mecánica clásica que se sentaron las bases del método científico de cognición, que presupone ciertas reglas generales del razonamiento científico sobre los fenómenos observados empíricamente, haciendo suposiciones (hipótesis) que explican estos fenómenos, construyendo modelos que simplifican los fenómenos que se están desarrollando. estudiados conservando sus propiedades esenciales, y formando sistemas de ideas o principios (teorías) y su interpretación matemática.
Sin embargo, la formulación cualitativa de las leyes de la mecánica no comenzó hasta el siglo XVII d.C. e., cuando Galileo Galilei descubrió la ley cinemática de la suma de velocidades y estableció las leyes de caída libre de los cuerpos. Unas décadas después de Galileo, Isaac Newton formuló las leyes básicas de la dinámica. En la mecánica newtoniana, el movimiento de los cuerpos se considera a velocidades mucho menores que la velocidad de la luz en el vacío. Se llama clásico o Mecánica newtoniana a diferencia de la mecánica relativista, que surgió a principios del siglo XX, principalmente gracias al trabajo de Albert Einstein.
La mecánica clásica moderna, como método para estudiar los fenómenos naturales, utiliza su descripción utilizando un sistema de conceptos básicos y la construcción de modelos ideales de fenómenos y procesos reales sobre su base.
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