Isaac Newton. Fondateur de la physique classique. Formation des connaissances des écoliers sur la structure de la théorie physique La tâche principale de la mécanique
Pour décrire des vitesses qui ne sont pas petites par rapport à la vitesse de la lumière, la relativité restreinte est nécessaire. Dans le cas où les objets deviennent extrêmement massifs, la relativité générale devient applicable. Cependant, un certain nombre de sources modernes intègrent la mécanique relativiste à la physique classique, qui, selon elles, représente la mécanique classique dans sa forme la plus développée et la plus précise.
Description de la théorie
Nous introduisons ci-dessous les concepts de base de la mécanique classique. Pour plus de simplicité, nous modélisons souvent des objets réels sous forme de particules ponctuelles (objets de petite taille). Le mouvement d’une particule ponctuelle est caractérisé par un petit nombre de paramètres : sa position, sa masse et les forces qui lui sont appliquées. Chacun de ces paramètres est discuté tour à tour.
En fait, les objets que la mécanique classique peut décrire ont toujours une taille non nulle. (La physique Très les petites particules, comme l'électron, sont décrites avec plus de précision par la mécanique quantique.) Les objets de taille non nulle ont plus comportement difficile que des particules ponctuelles hypothétiques, en raison des degrés de liberté supplémentaires ; par exemple, une balle de baseball peut tourner pendant qu'elle se déplace. Cependant, les résultats concernant les particules ponctuelles peuvent être utilisés pour étudier de tels objets en les traitant comme des objets composites constitués d'un grand nombre de particules ponctuelles agissant ensemble. Le centre de masse d'un objet composite se comporte comme une particule ponctuelle.
Position et ses dérivés
| position | m |
| position/angle angulaire | sans dimension (radian) |
| vitesse | m s -1 |
| vitesse angulaire | s-1 |
| accélération | m s -2 |
| accélération angulaire | s-2 |
| abruti | m s -3 |
| "Coin d'arraché" | s-3 |
| énergie spécifique | m 2 s -2 |
| débit de dose absorbée | m 2 s -3 |
| moment d'inertie | kgm2 |
| impulsion | kg m s -1 |
| moment cinétique | kg m 2 s -1 |
| forcer | kg m s -2 |
| couple | kg m2 s -2 |
| énergie | kg m2 s -2 |
| pouvoir | kg m 2 s -3 |
| pression et densité d'énergie | kg m -1 s -2 |
| tension superficielle | kg·s -2 |
| caractéristique de rigidité du ressort | kg·s -2 |
| irradiation et flux d’énergie | kgs -3 |
| viscosité cinématique | m 2 s -1 |
| viscosité dynamique | kg m -1 s -1 |
| densité (densité de masse) | kgm-3 |
| densité (densité de masse) | kg m -2 s -2 |
| densité | m-3 |
| action | kg m 2 s -1 |
Position autour d'une particule ponctuelle sont définis par rapport à un système de coordonnées centré sur un point de référence fixe arbitraire dans l'espace appelé l'origine conclusion. Un simple système de coordonnées peut décrire la position d'une particule R. avec flèche écrite de vecteur avec inscription g, qui pointe depuis l'origine Ô jusqu'au point P.. En général, la pointe de la particule ne doit pas être stationnaire par rapport à Ô. Dans les cas où R. se déplace par rapport à Ô , R. est défini en fonction de T, temps. Dans la relativité pré-Einstein (connue sous le nom de relativité galiléenne), le temps est considéré comme absolu, c'est-à-dire que l'intervalle de temps qui s'écoule entre une paire d'événements est le même pour tous les observateurs. En plus de s'appuyer sur le temps absolu, la mécanique classique suppose la géométrie euclidienne pour la structure de l'espace.
Vitesse et vitesse
Mathématiquement, si la vitesse du premier objet dans la discussion précédente est désignée par le vecteur U = Ud , et la vitesse du deuxième objet le long du vecteur à propos = à propose , Où à est la vitesse du premier objet, v est la vitesse du deuxième objet, et d Et e sont des vecteurs unitaires dans les directions de mouvement de chaque objet respectivement, puis la vitesse du premier objet telle que montrée par le deuxième objet
U " = U - v , (\displaystyle \mathbf (u)=\mathbf (u)-\mathbf (v)\,.)De même, le premier objet voit la vitesse du deuxième objet comme
v " = v - U , (\displaystyle \mathbf (v)=\mathbf (v)-\mathbf (u)\,.)Lorsque les deux objets se déplacent dans la même direction, cette équation peut être simplifiée
U " = (U - v) d , (\displaystyle \mathbf (u) "=(u)\mathbf (d)\,.)Ou bien, en ignorant la direction, la différence ne peut être donnée qu'en termes de vitesse :
U" = U - v, (\displaystyle u"=uv\,.)accélération
Un référentiel inertiel est un référentiel au cours duquel un objet interagit sans aucune force (une situation idéalisée) et apparaît soit au repos, soit en mouvement uniforme en ligne droite. C'est la définition fondamentale d'un référentiel inertiel. Ils se caractérisent par l'exigence que toutes les forces entrant dans l'observateur des lois physiques proviennent de sources identifiables, provoquées par des champs tels que le champ électrostatique (causé par une charge électrique statique), le champ électromagnétique (causé par le mouvement des charges), le champ gravitationnel ( causée par la masse), etc.
Le concept clé des inertiels est la méthode de leur identification. Pour des raisons pratiques, les référentiels qui n'accélèrent pas des étoiles relativement éloignées (points extrêmement éloignés) sont considérés comme de bonnes approximations des inertielles. Bâtis d'accélération non inertiels par rapport à un bâti inertiel existant. Ils constituent la base de la théorie de la relativité d’Einstein. En raison du mouvement relatif, les particules dans un environnement non inertiel semblent se déplacer d'une manière qui n'est pas expliquée par les forces des champs existants dans le cadre de référence. Ainsi, il s'avère qu'il existe d'autres forces qui entrent dans l'équation du mouvement uniquement à la suite d'une accélération relative. Ces forces sont appelées forces fictives, forces d'inertie ou pseudo-forces.
Les transformations ont les conséquences suivantes :
- v "= v - U(vitesse v"les particules du point de vue S"est plus lent U que sa vitesse V du point de vue S)
- "= (l'accélération des particules est la même dans n'importe quel référentiel inertiel)
- F "= F(la force agissant sur la particule est la même dans n'importe quel référentiel inertiel)
- la vitesse de la lumière n'est pas une valeur constante en mécanique classique, et la position non particulière d'une vitesse de lumière donnée en mécanique relativiste a un analogue en mécanique classique.
Pour certaines tâches, il est pratique d'utiliser des coordonnées tournantes (cadres de référence). Ainsi, on peut soit stocker l'affichage dans un référentiel inertiel pratique, soit introduire des forces centrifuges et de Coriolis fictives supplémentaires.
force; Deuxième loi de Newton
W = ∫ C F (r) ⋅ d r, (\displaystyle W=\Int _(C),\mathbf (F) (\mathbf (r))\CDOT \mathrm (d)\mathbf (r)\ ,.)Si le travail est effectué en déplaçant une particule de g 1 à g 2 n’est pas la même quel que soit le chemin emprunté, la force est dite conservatrice. La gravité est une force conservatrice, comme la force due à un ressort idéalisé, telle que donnée par la loi de Hooke. La force provoquée par le frottement n’est pas conservatrice.
Σ E = E K + E p, (\displaystyle \sum E=E_(\mathrm (k))+E_(\mathrm (p))\,)constante dans le temps. Souvent utile car de nombreuses forces courantes sont conservatrices.
Outre les lois de Newton
La mécanique classique décrit également des mouvements plus complexes d'objets étendus, et non ponctuellement. Les lois d'Euler constituent une extension des lois de Newton dans ce domaine. Les concepts de moment cinétique reposent sur le même calcul que celui utilisé pour décrire le mouvement unidimensionnel. L'équation de fusée élargit le concept de taux de changement de quantité de mouvement d'un objet pour inclure les effets d'un objet « perdant de la masse ».
Il existe deux formulations alternatives importantes de la mécanique classique : la mécanique de Lagrange et la mécanique hamiltonienne. Ces préparations et d'autres modernes ont tendance à contourner le concept de « force », plutôt que de faire référence à d'autres grandeurs physiques telles que l'énergie, la vitesse et l'impulsion pour décrire les systèmes mécaniques dans des coordonnées généralisées.
L'expression ci-dessus pour l'impulsion et l'énergie cinétique n'est valable que lorsqu'il n'y a pas de contribution électromagnétique significative. En électromagnétisme, la deuxième loi de Newton pour les fils conducteurs échoue si elle n'inclut pas la contribution du champ à l'impulsion électromagnétique du système, exprimée par le vecteur de Poynting divisé par Avec 2 où Avec est la vitesse de la lumière dans l’espace libre.
Limites d'applicabilité
De nombreuses branches de la mécanique classique simplifient ou se rapprochent de formes plus précises ; deux des plus précis étant la relativité générale et la mécanique statistique relativiste. L'optique géométrique est une approximation de la théorie quantique de la lumière et n'a pas de forme « classique » supérieure.
Lorsque la mécanique quantique et la mécanique classique ne peuvent pas être appliquées, par exemple au niveau quantique avec de nombreux degrés de liberté, la théorie quantique des champs (QFT) est utilisée. QFT traite de petites distances et de grandes vitesses avec un grand nombre de degrés de liberté, ainsi que de la possibilité de tout changement dans le nombre de particules tout au long de l'interaction. Lors de la gestion de grands degrés de liberté au niveau macroscopique, la mécanique statistique devient utile. La mécanique statistique décrit le comportement d'un nombre important (mais dénombrable) de particules et leurs interactions dans leur ensemble au niveau macroscopique. La mécanique statistique est principalement utilisée en thermodynamique pour les systèmes qui se situent en dehors des limites des hypothèses de la thermodynamique classique. Dans le cas d’objets à grande vitesse approchant la vitesse de la lumière, la mécanique classique est renforcée. Dans le cas où les objets deviennent extrêmement lourds (c'est-à-dire que leur rayon de Schwarzschild n'est pas négligeable pour une application donnée), l'écart par rapport à la mécanique newtonienne deviendra apparent et pourra être quantifié à l'aide d'un formalisme post-newtonien paramétré. Dans ce cas, la Théorie Générale de la Relativité (GTR) devient applicable. Cependant, il n’existe toujours pas de théorie de la gravité quantique qui unifie la relativité générale et le QFT dans le sens où elle puisse être utilisée lorsque les objets deviennent extrêmement petits et lourds.
L'approximation de Newton à la relativité restreinte
En relativité restreinte, l'impulsion d'une particule est donnée par
p = m v 1 − v 2 / c 2 , (\displaystyle \mathbf (p)=(\frac (t\mathbf (v)) (\sqrt (1-V^(2)/c^(2) )) ) \ ,)Où T est la masse au repos de la particule, V sa vitesse, v est un module V, UN Avec est la vitesse de la lumière.
Si V très petit par rapport à Avec , v 2 / Avec 2 est approximativement égal à zéro, et ainsi de suite
p ≈ m v , (\displaystyle \mathbf (p)\approx t\mathbf (v)\,.)Ainsi, l'équation newtonienne R. = Tv est une approximation de l'équation relativiste pour les corps se déplaçant à de faibles vitesses par rapport à la vitesse de la lumière.
Par exemple, la fréquence cyclotron relativiste d'un cyclotron, d'un gyrotron ou d'un haute tension le magnétron est réglé
f = e c m 0 m 0 + T / c 2 , (\displaystyle F=F_(\mathrm (C)) (\frac (M_(0)) (M_(0)+T/c^(2 ))) \ ,)Où e c est la fréquence classique d'un électron (ou d'une autre particule chargée) avec de l'énergie cinétique T et (le reste) des masses m 0 tournant dans un champ magnétique. La masse électronique (du reste) est de 511 keV. Par conséquent, la correction de fréquence est de 1 % pour un tube à vide magnétique à courant constant à une tension accélératrice de 5,11 kV.
approximation classique de la mécanique quantique
L'approximation du faisceau de la mécanique classique s'effondre lorsque la longueur d'onde de De Broglie n'est pas beaucoup plus petite que les autres dimensions du système. Pour les particules non relativistes, cette longueur d'onde
λ = h p (\displaystyle \Lambda =(\frac (h)(p)))La mécanique classique est la même approximation extrême de la haute fréquence que l'optique géométrique. Il est plus souvent précis car il décrit des particules et un corps avec une masse au repos. Elles ont plus d'impulsion et donc des longueurs d'onde de Broglie plus courtes que les particules sans masse, comme la lumière, avec la même énergie cinétique.
histoire
L’étude du mouvement des corps est ancienne, ce qui fait de la mécanique classique l’un des sujets les plus anciens et les plus importants des sciences, de l’ingénierie et de la technologie.
Après Newton, la mécanique classique est devenue le principal domaine d’étude des mathématiques ainsi que de la physique. Plusieurs re-médicaments ont progressivement permis de trouver des solutions à un nombre beaucoup plus important de problèmes. La première reformulation notable date de 1788 par Joseph Louis Lagrange. La mécanique lagrangienne fut à son tour formulée à nouveau en 1833 par William Rowan Hamilton.
Certaines difficultés ont été découvertes à la fin du XIXe siècle et n'ont pu être résolues qu'avec l'aide de plus de physique moderne. Certaines de ces difficultés concernaient la compatibilité avec la théorie électromagnétique et la célèbre expérience Michelson-Morley. La solution à ces problèmes a conduit à la théorie restreinte de la relativité, souvent encore considérée comme faisant partie de la mécanique classique.
La deuxième série de difficultés concerne la thermodynamique. Lorsqu'elle est combinée avec la thermodynamique, la mécanique classique conduit au paradoxe de Gibbs de la mécanique statistique classique, dans lequel l'entropie n'est pas une quantité bien définie. Le rayonnement du corps noir n'a pas été expliqué sans introduire
(4 janvier 1643, Woolsthorpe, près de Grantham, Lincolnshire, Angleterre - 31 mars 1727, Londres) - Mathématicien, mécanicien, astronome et physicien anglais, créateur de la mécanique classique, membre (1672) et président (depuis 1703) du Royal Société de Londres.
L'un des fondateurs de la physique moderne, a formulé les lois fondamentales de la mécanique et a été le véritable créateur d'un programme physique unifié pour décrire tous les phénomènes physiques sur la base de la mécanique ; découvert la loi de la gravitation universelle, expliqué le mouvement des planètes autour du Soleil et de la Lune autour de la Terre, ainsi que les marées dans les océans, posé les bases de la mécanique des continus, de l'acoustique et de l'optique physique.
Enfance
Isaac Newton est né dans un petit village dans la famille d'un petit agriculteur décédé trois mois avant la naissance de son fils. Le bébé était prématuré ; Il existe une légende selon laquelle il était si petit qu'on l'a placé dans une moufle en peau de mouton allongée sur un banc, d'où il est tombé un jour et s'est cogné violemment la tête contre le sol.
Lorsque l'enfant avait trois ans, sa mère s'est remariée et est partie, le laissant sous la garde de sa grand-mère. Newton a grandi maladif et insociable, enclin à la rêverie. Attiré par la poésie et la peinture, loin de ses pairs, il fabrique des cerfs-volants en papier, invente un moulin à vent, une horloge à eau et un chariot à pédales.
Newton a connu des débuts difficiles vie scolaire. Il étudiait mal, était un garçon faible et un jour, ses camarades de classe l'ont battu jusqu'à ce qu'il perde connaissance. Endurer une situation aussi humiliante était insupportable pour le fier Newton, et il ne lui restait plus qu'une chose à faire : se démarquer par sa réussite scolaire. Grâce à un travail acharné, il a obtenu la première place de sa classe.
L'intérêt pour la technologie a amené Newton à réfléchir aux phénomènes naturels ; Il a également étudié en profondeur les mathématiques. Jean Baptiste Biot écrira plus tard à ce sujet : « Un de ses oncles, le trouvant un jour sous une haie avec un livre à la main, plongé dans une profonde réflexion, lui prit le livre et constata qu'il était occupé à résoudre un problème mathématique. Frappé par une direction aussi sérieuse et active un jeune homme, il a persuadé sa mère de ne plus résister aux souhaits de son fils et de l’envoyer poursuivre ses études. Après une préparation sérieuse, Newton entra à Cambridge en 1660 en tant que Subsizzfr`a (les soi-disant étudiants pauvres qui étaient obligés de servir les membres du collège, ce qui ne pouvait que peser sur Newton).
Le début de la créativité. Optique
En six ans, Newton a obtenu tous ses diplômes universitaires et a préparé toutes ses grandes découvertes ultérieures. En 1665, Newton devient maître ès arts.
La même année, alors que l'épidémie de peste fait rage en Angleterre, il décide de s'installer temporairement à Woolsthorpe. C'est là qu'il commença à s'engager activement dans l'optique ; La recherche de moyens d'éliminer l'aberration chromatique dans les télescopes à lentilles a conduit Newton à étudier ce qu'on appelle aujourd'hui la dispersion, c'est-à-dire la dépendance de l'indice de réfraction sur la fréquence. Bon nombre des expériences qu'il a menées (et il y en a plus d'un millier) sont devenues des classiques et sont aujourd'hui répétées dans les écoles et les instituts.
Le leitmotiv de toutes les recherches était la volonté de comprendre la nature physique de la lumière. Au début, Newton était enclin à penser que la lumière était constituée d'ondes dans l'éther omniprésent, mais il abandonna plus tard cette idée, décidant que la résistance de l'éther devrait sensiblement ralentir le mouvement. corps célestes. Ces arguments ont conduit Newton à l'idée que la lumière est un flux de particules spéciales, des corpuscules, émises par une source et se déplaçant en ligne droite jusqu'à ce qu'elles rencontrent des obstacles. Le modèle corpusculaire expliquait non seulement la rectitude de la propagation de la lumière, mais aussi la loi de la réflexion (réflexion élastique) et - non sans une hypothèse supplémentaire - la loi de la réfraction. Cette hypothèse était que les corpuscules légers, s'approchant de la surface de l'eau, par exemple, devraient être attirés par celle-ci et donc subir une accélération. Selon cette théorie, la vitesse de la lumière dans l’eau devrait être plus grande que dans l’air (ce qui contredit les données expérimentales ultérieures).
Lois de la mécanique
La formation des idées corpusculaires sur la lumière a été clairement influencée par le fait qu'à cette époque, le travail destiné à devenir le principal grand résultat de l'œuvre de Newton était déjà en grande partie achevé - la création d'une image physique unifiée du Monde basée sur les lois de mécanique formulée par lui.
Cette image était basée sur l'idée de points matériels - des particules de matière physiquement infinitésimales et les lois régissant leur mouvement. C'est la formulation claire de ces lois qui a donné à la mécanique de Newton la complétude et l'exhaustivité. La première de ces lois était en effet la définition des systèmes de référence inertiels : c'est dans de tels systèmes que les points matériels qui ne subissent aucune influence se déplacent de manière uniforme et rectiligne. La deuxième loi de la mécanique joue un rôle central. Il stipule que le changement de quantité, de mouvement (le produit de la masse et de la vitesse) par unité de temps est égal à la force agissant sur un point matériel. La masse de chacun de ces points est une constante ; En général, tous ces points « ne s'usent pas », comme le dit Newton, chacun d'eux est éternel, c'est-à-dire qu'il ne peut ni naître ni être détruit. Les points matériels interagissent et la mesure quantitative de l'impact sur chacun d'eux est la force. Le problème de la détermination de ces forces est le problème fondamental de la mécanique.
Enfin, la troisième loi - la loi de « l'égalité d'action et de réaction » explique pourquoi l'impulsion totale de tout corps qui ne subit pas d'influences extérieures reste inchangée, quelle que soit la manière dont ses composants interagissent les uns avec les autres.
La loi de la gravité
Après avoir posé le problème de l'étude de diverses forces, Newton lui-même a donné le premier exemple brillant de sa solution, en formulant la loi de la gravitation universelle : la force d'attraction gravitationnelle entre des corps dont les dimensions sont nettement inférieures à la distance qui les sépare est directement proportionnelle à leurs masses. , inversement proportionnel au carré de la distance qui les sépare et dirigé le long de la ligne de liaison. La loi de la gravitation universelle a permis à Newton de donner une explication quantitative du mouvement des planètes autour du Soleil et de la Lune autour de la Terre, et de comprendre la nature des marées marines. Cela ne pouvait manquer de faire une énorme impression sur l’esprit des chercheurs. Un programme pour une description mécanique unifiée de tous les phénomènes naturels - à la fois « terrestres » et « célestes » de longues années s'est imposée en physique. De plus, pour de nombreux physiciens au cours de deux siècles, la question même des limites d'applicabilité des lois de Newton semblait injustifiée.
En 1668, Newton retourna à Cambridge et reçut bientôt la chaire lucasienne de mathématiques. Cette chaise était auparavant occupée par son professeur I. Barrow, qui a cédé la chaise à son élève préféré afin de le subvenir financièrement. À cette époque, Newton était déjà l'auteur du binôme et le créateur (simultanément avec Leibniz, mais indépendamment de lui) de la méthode des fluxions - ce qu'on appelle aujourd'hui calcul différentiel et intégral. En général, ce fut une période des plus fructueuses dans l’œuvre de Newton : en sept ans, de 1660 à 1667, ses idées principales se formèrent, dont l’idée de la loi de la gravitation universelle. Ne se limitant pas à la seule recherche théorique, il conçoit et commence dans les mêmes années à créer un télescope réfléchissant (réfléchissant). Ces travaux ont conduit à la découverte de ce que l'on appellera plus tard des « lignes d'égale épaisseur » d'interférence. (Newton, réalisant que « l'extinction de la lumière par la lumière » se manifestait ici, qui ne rentrait pas dans le modèle corpusculaire, a essayé de surmonter les difficultés qui ont surgi ici en introduisant l'hypothèse selon laquelle les corpuscules dans la lumière se déplacent par vagues - « marées ») . Le deuxième des télescopes fabriqués (améliorés) a servi de raison pour introduire Newton comme membre de la Royal Society de Londres. Lorsque Newton refusa d'adhérer, invoquant un manque de fonds pour payer les cotisations, il fut jugé possible, compte tenu de ses mérites scientifiques, de faire une exception pour lui, en l'exonérant du paiement de ces cotisations.
Étant par nature une personne très prudente (pour ne pas dire timide), Newton, contre son gré, se retrouvait parfois entraîné dans des discussions et des conflits douloureux. Ainsi, sa théorie de la lumière et des couleurs, esquissée en 1675, provoqua de telles attaques que Newton décida de ne rien publier sur l'optique de son vivant. Crochet, son adversaire le plus acharné. Newton a également dû participer à des événements politiques. De 1688 à 1694, il fut député. À cette époque, en 1687, son ouvrage principal «Principes mathématiques de la philosophie naturelle» était publié - la base de la mécanique de tous les phénomènes physiques, du mouvement des corps célestes à la propagation du son. Pendant plusieurs siècles, ce programme a déterminé le développement de la physique et son importance n'est pas épuisée à ce jour.
La maladie de Newton
Un énorme stress nerveux et mental constant a conduit au fait qu'en 1692, Newton est tombé malade d'un trouble mental. L'impulsion immédiate en fut un incendie dans lequel tous les manuscrits qu'il avait préparés furent perdus. Ce n'est qu'en 1694 qu'il, selon le témoignage Huygens, "... commence déjà à comprendre son livre "Principes"."
Le sentiment constant d'insécurité matérielle était sans aucun doute l'une des raisons de la maladie de Newton. Par conséquent, le poste de directeur de la Monnaie, tout en conservant son poste de professeur à Cambridge, était important pour lui. Se mettant au travail avec zèle et obtenant rapidement des succès notables, il fut nommé directeur en 1699. Il était impossible de combiner cela avec l'enseignement et Newton a déménagé à Londres. Fin 1703, il fut élu président de la Royal Society. À cette époque, Newton avait atteint le sommet de la gloire. En 1705, il fut élevé au rang de chevalier, mais, disposant d'un grand appartement, de six domestiques et d'une riche famille, il reste seul. Le temps de la créativité active est révolu, et Newton se limite à préparer l'édition de « Optics », la réédition de « Principes » et l'interprétation Saintes Écritures(il possède l'interprétation de l'Apocalypse, un essai sur le prophète Daniel).
Newton a été enterré à l'abbaye de Westminster. L’inscription sur sa tombe se termine par ces mots : « Que les mortels se réjouissent qu’une telle parure du genre humain vive parmi eux. »
Université d'État Gestion
Institut Apprentissage à distance
Spécialité – gestion
par discipline : KSE
« La mécanique newtonienne est à la base de la description classique de la nature. La tâche principale de la mécanique et les limites de son applicabilité.
Complété
Carte d'étudiant n° 1211
Groupe n° UP4-1-98/2
1. Introduction.________________________________________________________________ 3
2. Mécanique newtonienne.__________________________________________ 5
2.1. Lois du mouvement de Newton.___________________________________________________________ 5
2.1.1. Première loi de Newton.________________________________________________ 6
2.1.2. Deuxième loi de Newton.________________________________________________ 7
2.1.3. Troisième loi de Newton._________________________________________________ 8
2.2. La loi de la gravitation universelle._________________________________________________________ 11
2.3. La tâche principale de la mécanique.___________________________________________________________ 13
2.4. Limites d’applicabilité._____________________________________________________________ 15
3. Conclusion.________________________________________________ 18
4. Liste des références._______________________________________ 20
Newton (1643-1727)
Ce monde était plongé dans une profonde obscurité.
Que la lumière soit! Et puis Newton est apparu.
1. Introduction.
Le concept de « physique » a ses racines dans un passé profond ; traduit du grec, il signifie « nature ». La tâche principale de cette science est d'établir les « lois » du monde qui l'entoure. L'une des œuvres principales de Platon, élève d'Aristote, s'intitulait « Physique ».
La science de ces années-là avait un caractère philosophique naturel, c'est-à-dire part du fait que les mouvements directement observables corps célestes il y a leurs mouvements réels. De là a été tirée la conclusion sur la position centrale de la Terre dans l'Univers. Ce système reflétait correctement certaines des caractéristiques de la Terre en tant que corps céleste : que la Terre est une boule, que tout gravite vers son centre. Ainsi, cet enseignement concernait en réalité la Terre. Au niveau de son époque, elle répondait aux exigences fondamentales de la connaissance scientifique. Premièrement, il expliquait les mouvements observés des corps célestes d'un seul point de vue et, deuxièmement, permettait de calculer leurs positions futures. Dans le même temps, les constructions théoriques des Grecs anciens étaient de nature purement spéculative - elles étaient complètement séparées de l'expérience.
Un tel système a existé jusqu'au XVIe siècle, jusqu'à l'avènement des enseignements de Copernic, qui ont reçu leur justification supplémentaire dans la physique expérimentale de Galilée, aboutissant à la création de la mécanique newtonienne, qui unissait le mouvement des corps célestes et des objets terrestres avec un mouvement unifié. lois du mouvement. Il est apparu la plus grande révolution en sciences naturelles, qui a jeté les bases du développement de la science dans sa compréhension moderne.
Galilée croyait que le monde était infini et que la matière était éternelle. Dans tous les processus, rien n'est détruit ou généré - seul un changement dans la disposition relative des corps ou de leurs parties se produit. La matière est constituée d'atomes absolument indivisibles, son mouvement est le seul mouvement mécanique universel. Les corps célestes sont semblables à la Terre et obéissent aux mêmes lois de la mécanique.
Pour Newton, il était important de connaître sans ambiguïté, à travers des expériences et des observations, les propriétés de l'objet étudié et de construire une théorie basée sur l'induction sans recourir à des hypothèses. Il partait du fait que dans la physique en tant que science expérimentale, il n'y a pas de place pour les hypothèses. Reconnaissant l'imperfection de la méthode inductive, il la considéra comme la plus préférable parmi d'autres.
Tant dans l’Antiquité qu’au XVIIe siècle, l’importance de l’étude du mouvement des corps célestes était reconnue. Mais si pour les Grecs de l'Antiquité, ce problème avait davantage une signification philosophique, alors pour le XVIIe siècle, l'aspect pratique était prédominant. Le développement de la navigation a nécessité le développement de tables astronomiques plus précises à des fins de navigation que celles requises à des fins astrologiques. La tâche principale était de déterminer la longitude, si nécessaire aux astronomes et aux navigateurs. Pour résoudre ce problème important problème pratique et les premiers observatoires d'État sont créés (en 1672 à Paris, en 1675 à Greenwich). Il s’agissait essentiellement de déterminer l’heure absolue qui, comparée à l’heure locale, donnait un intervalle de temps pouvant être converti en longitude. Cette heure pourrait être déterminée en observant les mouvements de la Lune parmi les étoiles, ainsi qu'en utilisant une horloge précise réglée en fonction du temps absolu et conservée par l'observateur. Pour le premier cas, il fallait des tableaux très précis pour prédire la position des corps célestes, et pour le second, des mécanismes d'horlogerie absolument précis et fiables. Les travaux dans ces directions n’ont pas abouti. Seul Newton a réussi à trouver une solution qui, grâce à la découverte de la loi de la gravitation universelle et des trois lois fondamentales de la mécanique, ainsi que du calcul différentiel et intégral, a donné à la mécanique le caractère d'une théorie scientifique intégrale.
2. Mécanique newtonienne.
Le summum de la créativité scientifique de I. Newton est son ouvrage immortel « Principes mathématiques de la philosophie naturelle », publié pour la première fois en 1687. Il y résume les résultats obtenus par ses prédécesseurs et ses propres recherches et crée pour la première fois un système unique et harmonieux de mécanique terrestre et céleste, qui constitue la base de toute la physique classique. Ici, Newton a donné des définitions des concepts initiaux - la quantité de matière équivalente à la masse, la densité ; élan équivalent à l'impulsion, et divers types force. En formulant le concept de quantité de matière, il est parti de l'idée que les atomes sont constitués d'une seule matière primaire ; la densité était comprise comme le degré de remplissage d'une unité de volume d'un corps avec de la matière primaire. Cet ouvrage expose la doctrine de la gravitation universelle de Newton, sur la base de laquelle il a développé la théorie du mouvement des planètes, des satellites et des comètes qui forment le système solaire. A partir de cette loi, il expliqua le phénomène des marées et la compression de Jupiter.
Le concept de Newton a été à la base de nombreuses avancées technologiques au fil du temps. De nombreuses méthodes ont été formées sur sa base recherche scientifique V divers domaines sciences naturelles.
2.1. Les lois du mouvement de Newton.
Si la cinématique étudie le mouvement d'un corps géométrique, qui ne possède aucune propriété d'un corps matériel, à l'exception de la propriété d'occuper une certaine place dans l'espace et de changer cette position dans le temps, alors la dynamique étudie le mouvement des corps réels sous l'influence des forces qui leur sont appliquées. Les trois lois de la mécanique établies par Newton sous-tendent la dynamique et constituent la branche principale de la mécanique classique.
Ils peuvent être directement appliqués au cas le plus simple du mouvement, lorsqu'un mobile est considéré comme un point matériel, c'est-à-dire lorsque la taille et la forme du corps ne sont pas prises en compte et lorsque le mouvement du corps est considéré comme le mouvement d'un point avec masse. Dans l'eau bouillante, pour décrire le mouvement d'un point, vous pouvez choisir n'importe quel système de coordonnées par rapport auquel sont déterminées les grandeurs caractérisant ce mouvement. Tout corps en mouvement par rapport à d’autres corps peut être considéré comme un corps de référence. En dynamique, nous avons affaire à des systèmes de coordonnées inertiels, caractérisés par le fait que par rapport à eux, un point matériel libre se déplace à une vitesse constante.
2.1.1. Première loi de Newton.
La loi de l'inertie a été établie pour la première fois par Galilée pour le cas du mouvement horizontal : lorsqu'un corps se déplace le long d'un plan horizontal, son mouvement est uniforme et continuerait constamment si le plan s'étendait dans l'espace sans fin. Newton a donné une formulation plus générale de la loi de l'inertie comme première loi du mouvement : tout corps reste dans un état de repos ou de mouvement linéaire uniforme jusqu'à ce que les forces agissant sur lui changent cet état.
Dans la vie, cette loi décrit le cas où, si vous arrêtez de tirer ou de pousser un corps en mouvement, celui-ci s'arrête et ne continue pas à se déplacer à une vitesse constante. C'est ainsi qu'une voiture s'arrête avec le moteur éteint. Selon la loi de Newton, une force de freinage doit agir sur une voiture roulant par inertie, qui en pratique est la résistance de l'air et le frottement des pneus de voiture sur la surface de l'autoroute. Ils donnent à la voiture une accélération négative jusqu'à ce qu'elle s'arrête.
L'inconvénient de cette formulation de la loi est qu'elle ne contient aucune indication sur la nécessité de relier le mouvement à un système de coordonnées inertielle. Le fait est que Newton n'a pas utilisé le concept de système de coordonnées inertielle - il a plutôt introduit le concept d'espace absolu - homogène et immobile - auquel il a associé un certain système de coordonnées absolues, par rapport auquel la vitesse du corps était déterminée . Lorsque le vide de l'espace absolu en tant que système de référence absolu a été révélé, la loi de l'inertie a commencé à être formulée différemment : par rapport au système de coordonnées inertielle, un corps libre maintient un état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme.
2.1.2. Deuxième loi de Newton.
Dans la formulation de la deuxième loi, Newton a introduit les concepts :
L'accélération est une quantité vectorielle (Newton l'a appelée élan et en a tenu compte lors de la formulation de la règle du parallélogramme de vitesse), qui détermine le taux de variation de la vitesse d'un corps.
La force est une quantité vectorielle, comprise comme une mesure de l'impact mécanique sur un corps d'autres corps ou champs, à la suite de quoi le corps acquiert une accélération ou change de forme et de taille.
La masse corporelle est une grandeur physique – l’une des principales caractéristiques de la matière, déterminant ses propriétés inertielles et gravitationnelles.
La deuxième loi de la mécanique stipule : la force agissant sur un corps est égale au produit de la masse du corps et de l'accélération conférée par cette force. C'est sa formulation moderne. Newton l'a formulé différemment : le changement de quantité de mouvement est proportionnel à la force agissant appliquée et se produit dans la direction de la ligne droite le long de laquelle cette force agit, et inversement proportionnel à la masse du corps, ou mathématiquement :
Cette loi est facile à confirmer expérimentalement ; si vous attachez un chariot à l'extrémité d'un ressort et relâchez le ressort, alors avec le temps t le chariot tiendra la distance s 1(Fig. 1), puis fixez deux chariots sur le même ressort, c'est-à-dire doublez votre poids corporel et relâchez le ressort, puis en même temps t ils tiendront la distance s 2, deux fois moins que s 1 .
Cette loi n'est également valable que dans les référentiels inertiels. La première loi d'un point de vue mathématique est cas particulier deuxième loi, car si les forces résultantes sont nulles, alors l’accélération est également nulle. Cependant, la première loi de Newton est considérée comme une loi indépendante, car C'est lui qui revendique l'existence de systèmes inertiels.
2.1.3. Troisième loi de Newton.
La troisième loi de Newton stipule : une action a toujours une réaction égale et opposée, sinon les corps agissent les uns sur les autres avec des forces dirigées le long d'une même ligne droite, égales en grandeur et de direction opposée, ou mathématiquement :
Newton a étendu l'effet de cette loi au cas à la fois des collisions de corps et au cas de leur attraction mutuelle. La démonstration la plus simple de cette loi est un corps situé sur un plan horizontal, soumis à la force de gravité. F t et force de réaction au sol F o, situées sur une même ligne droite, de valeur égale et de direction opposée, l'égalité de ces forces permet au corps d'être au repos (Fig. 2).
Les corollaires découlent des trois lois fondamentales du mouvement de Newton, dont l'une est l'addition de quantité de mouvement selon la règle du parallélogramme. L'accélération d'un corps dépend des grandeurs qui caractérisent l'action des autres corps sur un corps donné, ainsi que des grandeurs qui déterminent les caractéristiques de ce corps. L'action mécanique exercée sur un corps par d'autres corps, qui modifie la vitesse de déplacement d'un corps donné, est appelée force. Elle peut avoir une nature différente (gravité, force élastique, etc.). La variation de la vitesse d’un corps ne dépend pas de la nature des forces, mais de leur ampleur. Puisque la vitesse et la force sont des vecteurs, l’action de plusieurs forces s’additionne selon la règle du parallélogramme. La propriété d'un corps dont dépend l'accélération qu'il acquiert est l'inertie, mesurée par la masse. Dans la mécanique classique, qui traite de vitesses nettement inférieures à la vitesse de la lumière, la masse est une caractéristique du corps lui-même, qu'il soit en mouvement ou non. La masse d'un corps en mécanique classique ne dépend pas de l'interaction du corps avec d'autres corps. Cette propriété de la masse a incité Newton à prendre la masse comme mesure de la matière et à croire que sa grandeur détermine la quantité de matière dans un corps. Ainsi, la masse est devenue la quantité de matière.
La quantité de matière peut être mesurée, étant proportionnelle au poids du corps. Le poids est la force avec laquelle un corps agit sur un support qui l'empêche de tomber librement. Numériquement, le poids est égal au produit de la masse corporelle et de l’accélération de la gravité. En raison de la compression de la Terre et de sa rotation quotidienne, le poids corporel change avec la latitude et est 0,5 % inférieur à l'équateur qu'aux pôles. Puisque la masse et le poids sont strictement proportionnels, une mesure pratique de la masse ou de la quantité de matière était possible. La compréhension que le poids est un effet variable sur le corps a incité Newton à établir une caractéristique interne du corps - l'inertie, qu'il considérait comme la capacité inhérente du corps à maintenir un mouvement linéaire uniforme, proportionnel à la masse. La masse comme mesure de l'inertie peut être mesurée à l'aide d'échelles, comme l'a fait Newton.
En état d’apesanteur, la masse peut être mesurée par inertie. La mesure inertielle est une manière courante de mesurer la masse. Mais l’inertie et le poids sont des concepts physiques différents. Leur proportionnalité les unes par rapport aux autres est très pratique en termes pratiques - pour mesurer la masse à l'aide de balances. Ainsi, l'établissement des concepts de force et de masse, ainsi que la méthode de mesure de celles-ci, ont permis à Newton de formuler la deuxième loi de la mécanique.
Les première et deuxième lois de la mécanique concernent respectivement le mouvement d'un point matériel ou d'un corps. Dans ce cas, seule l’action des autres corps sur un corps donné est prise en compte. Cependant, chaque action est une interaction. Puisqu'en mécanique une action est caractérisée par la force, alors si un corps agit sur un autre avec une certaine force, alors le second agit sur le premier avec la même force, qui est fixée par la troisième loi de la mécanique. Dans la formulation de Newton, la troisième loi de la mécanique n'est valable que dans le cas d'une interaction directe de forces ou lorsque l'action d'un corps est instantanément transférée à un autre. En cas de transfert d'une action sur une durée déterminée, cette loi s'applique lorsque le moment du transfert de l'action peut être négligé.
2.2. La loi de la gravitation universelle.
On pense que le noyau de la dynamique newtonienne est le concept de force et que la tâche principale de la dynamique est d'établir la loi d'un mouvement donné et, inversement, de déterminer la loi du mouvement des corps à partir d'une force donnée. Des lois de Kepler, Newton déduit l'existence d'une force dirigée vers le Soleil, inversement proportionnelle au carré de la distance des planètes au Soleil. Après avoir généralisé les idées exprimées par Kepler, Huygens, Descartes, Borelli, Hooke, Newton leur a donné la forme exacte d'une loi mathématique, selon laquelle était affirmée l'existence dans la nature de la force de gravité universelle, qui détermine l'attraction des corps. La force de gravité est directement proportionnelle au produit des masses des corps gravitants et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare, ou mathématiquement :
Où G est la constante gravitationnelle.
Cette loi décrit l'interaction de tous les corps - la seule chose importante est que la distance entre les corps soit suffisamment grande par rapport à leurs tailles, cela permet aux corps d'être acceptés comme des points matériels. Dans la théorie de la gravitation de Newton, il est admis que la force de gravité se transmet instantanément d’un corps gravitant à un autre, et sans la médiation d’aucun média. La loi de la gravitation universelle a donné lieu à de longs et furieux débats. Ce n’était pas un hasard, puisque cette loi avait une signification philosophique importante. Le fait était qu’avant Newton, le but de la création de théories physiques était d’identifier et de représenter le mécanisme des phénomènes physiques dans tous ses détails. Dans les cas où cela ne pouvait pas être fait, l’argument a été avancé sur les soi-disant « qualités cachées » qui ne se prêtent pas à une interprétation détaillée. Bacon et Descartes ont déclaré que les références aux « qualités cachées » n’étaient pas scientifiques. Descartes croyait que l'essence d'un phénomène naturel ne peut être comprise que s'il est visuellement imaginé. Ainsi, il a représenté les phénomènes de gravité à l'aide de vortex éthérés. Dans le contexte de la large diffusion de telles idées, la loi de la gravitation universelle de Newton, bien qu'elle démontre la correspondance des observations astronomiques faites sur sa base avec une précision sans précédent, a été remise en question au motif que l'attraction mutuelle des corps rappelait beaucoup de la doctrine péripatéticienne des « qualités cachées ». Et bien que Newton ait établi le fait de son existence sur la base d'une analyse mathématique et de données expérimentales, l'analyse mathématique n'est pas encore fermement entrée dans l'esprit des chercheurs en tant que méthode suffisamment fiable. Mais le désir de limiter la recherche physique à des faits qui ne prétendent pas à la vérité absolue a permis à Newton d'achever la formation de la physique en tant que science indépendante et de la séparer de la philosophie naturelle avec ses prétentions à la connaissance absolue.
Dans la loi de la gravitation universelle, la science a reçu un modèle de la loi de la nature comme une règle absolument précise, applicable partout, sans exception, avec des conséquences précisément définies. Cette loi a été incluse par Kant dans sa philosophie, où la nature était représentée comme le royaume de la nécessité, contrairement à la morale – le royaume de la liberté.
Le concept physique de Newton était en quelque sorte le couronnement de la physique du XVIIe siècle. L’approche statique de l’Univers a été remplacée par une approche dynamique. La méthode de recherche expérimentale et mathématique, ayant permis de résoudre de nombreux problèmes de physique du XVIIe siècle, s'est avérée adaptée à la résolution de problèmes physiques pendant encore deux siècles.
2.3. La tâche principale de la mécanique.
Le résultat du développement de la mécanique classique fut la création d'une image mécanique unifiée du monde, dans le cadre de laquelle toute la diversité qualitative du monde s'expliquait par des différences dans le mouvement des corps, soumis aux lois de la mécanique newtonienne. Selon l'image mécanique du monde, si le phénomène physique du monde pouvait être expliqué sur la base des lois de la mécanique, alors une telle explication était reconnue comme scientifique. La mécanique de Newton est ainsi devenue la base de l'image mécanique du monde, qui a dominé jusqu'à la révolution scientifique en tournant du 19ème siècle et XX siècles.
La mécanique de Newton, contrairement aux concepts mécaniques précédents, a permis de résoudre le problème de n'importe quelle étape du mouvement, à la fois antérieure et ultérieure, et en tout point de l'espace avec des faits connus provoquant ce mouvement, ainsi que le problème inverse de la détermination de la l'ampleur et la direction de l'action de ces facteurs en tout point avec des éléments de base connus du mouvement. Grâce à cela, la mécanique newtonienne pourrait être utilisée comme méthode d'analyse quantitative mouvement mécanique. Tout phénomène physique pourrait être étudié indépendamment des facteurs qui le provoquent. Par exemple, vous pouvez calculer la vitesse d'un satellite terrestre : Pour plus de simplicité, trouvons la vitesse d'un satellite dont l'orbite est égale au rayon de la Terre (Fig. 3). Avec suffisamment de précision, on peut assimiler l'accélération du satellite à l'accélération de la gravité à la surface de la Terre :
D’autre part, l’accélération centripète du satellite.
où 
. – Cette vitesse est appelée en premier vitesse d'échappement. Un corps de n'importe quelle masse, auquel une telle vitesse est conférée, deviendra un satellite de la Terre.
Les lois de la mécanique newtonienne associaient la force non pas au mouvement, mais à un changement de mouvement. Cela a permis d'abandonner les idées traditionnelles selon lesquelles la force est nécessaire pour maintenir le mouvement, et d'attribuer un rôle secondaire à la friction, qui rendait la force nécessaire dans les mécanismes existants pour maintenir le mouvement. Ayant établi une vision dynamique du monde au lieu de la vision statique traditionnelle, Newton a fait de sa dynamique la base physique théorique. Même si Newton était prudent dans ses interprétations mécaniques phénomène naturel, jugeait encore souhaitable de faire dériver d'autres phénomènes naturels des principes de la mécanique. Le développement ultérieur de la physique a commencé à s'effectuer dans le sens d'un développement ultérieur de l'appareil mécanique en relation avec la solution de problèmes spécifiques, à mesure qu'ils étaient résolus, l'image mécanique du monde devenait plus forte.
2.4. Limites d'applicabilité.
Grâce au développement de la physique au début du XXe siècle, le champ d'application de la mécanique classique a été déterminé : ses lois sont satisfaites pour les mouvements dont la vitesse est élevée. moins de vitesse Sveta. Il a été constaté qu’avec l’augmentation de la vitesse, la masse corporelle augmente. En général, les lois de Newton de la mécanique classique sont valables pour le cas des systèmes de référence inertiels. Dans le cas de systèmes de référence non inertiels, la situation est différente. Avec le mouvement accéléré d'un système de coordonnées non inertiel par rapport à un système inertiel, la première loi de Newton (loi de l'inertie) ne s'applique pas dans ce système - les corps libres qui s'y trouvent changeront leur vitesse de mouvement au fil du temps.
La première divergence dans la mécanique classique a été révélée lors de la découverte du microcosme. En mécanique classique, les mouvements dans l'espace et la détermination de la vitesse étaient étudiés quelle que soit la manière dont ces mouvements étaient réalisés. En ce qui concerne les phénomènes du micromonde, une telle situation s’est avérée impossible en principe. Ici, la localisation spatio-temporelle sous-jacente à la cinématique n'est possible que pour certains cas particuliers, qui dépendent de conditions dynamiques spécifiques du mouvement. À l'échelle macro, l'utilisation de la cinématique est tout à fait acceptable. À l'échelle microscopique, où le rôle principal est joué par les quanta, la cinématique, qui étudie le mouvement quelles que soient les conditions dynamiques, perd son sens.
À l’échelle du micromonde, la deuxième loi de Newton s’est également révélée intenable : elle n’est valable que pour les phénomènes à grande échelle. Il a été révélé que les tentatives de mesure de toute grandeur caractérisant le système étudié entraînent un changement incontrôlé d'autres grandeurs caractérisant ce système: Si l'on tente d'établir une position dans l'espace et le temps, cela conduit à un changement incontrôlé de la quantité conjuguée correspondante, qui détermine l'état dynamique du système. Ainsi, il est impossible de mesurer avec précision deux quantités conjuguées en même temps. Plus la valeur d'une grandeur caractérisant un système est déterminée avec précision, plus la valeur de sa grandeur associée s'avère incertaine. Cette circonstance a entraîné un changement significatif dans les points de vue sur la compréhension de la nature des choses.
L'incohérence de la mécanique classique reposait sur le fait que le futur, dans un certain sens, est entièrement contenu dans le présent - cela détermine la possibilité de prédire avec précision le comportement d'un système à tout moment futur. Cette possibilité offre la détermination simultanée de quantités mutuellement conjuguées. Dans le domaine du micromonde, cela s'est avéré impossible, ce qui entraîne des changements significatifs dans la compréhension des possibilités de prospective et de l'interconnexion des phénomènes naturels : puisque la valeur des grandeurs caractérisant l'état du système dans certain moment temps, ne peut être établi qu'avec un degré d'incertitude, alors la possibilité de prédire avec précision les valeurs de ces quantités à des moments ultérieurs est exclue, c'est-à-dire on ne peut prédire que la probabilité d'obtenir certaines valeurs.
Une autre découverte qui a ébranlé les fondements de la mécanique classique a été la création de la théorie des champs. La mécanique classique essayait de réduire tous les phénomènes naturels aux forces agissant entre les particules de matière - le concept était basé sur cela. fluides électriques. Dans le cadre de ce concept, seule la substance et ses changements étaient réels - ici le plus important était la description de l'action de deux charges électriques à l'aide de concepts qui leur sont associés. La description du champ entre ces charges, et non les charges elles-mêmes, était très importante pour comprendre l'action des charges. Voici un exemple simple d'une violation de la troisième loi de Newton dans de telles conditions : si une particule chargée s'éloigne d'un conducteur à travers lequel circule le courant, et qu'en conséquence un champ magnétique est créé autour d'elle, alors la force résultante exercée par la particule chargée sur le conducteur porteur de courant est exactement nul.
Créé nouvelle réalité il n’y avait pas de place dans l’image mécanique du monde. En conséquence, la physique a commencé à faire face à deux réalités : la matière et le champ. Si la physique classique était basée sur le concept de matière, alors avec l'identification d'une nouvelle réalité, l'image physique du monde devait être révisée. Les tentatives pour expliquer les phénomènes électromagnétiques à l’aide de l’éther se sont révélées intenables. L'éther n'a pas pu être détecté expérimentalement. Cela a conduit à la création de la théorie de la relativité, qui a obligé à reconsidérer les concepts d'espace et de temps caractéristiques de la physique classique. Ainsi, deux concepts - la théorie quantique et la théorie de la relativité - sont devenus le fondement de nouveaux concepts physiques.
3. Conclusion.
La contribution de Newton au développement des sciences naturelles réside dans le fait qu'il a fourni une méthode mathématique permettant de convertir les lois physiques en résultats quantitativement mesurables pouvant être confirmés par des observations et, inversement, de déduire lois physiques sur la base de telles observations. Comme il l'écrit lui-même dans la préface des "Principes", "... nous proposons ce travail comme fondements mathématiques de la physique. Toute la difficulté de la physique... consiste à reconnaître les forces de la nature à partir des phénomènes de mouvement, puis utiliser ces forces pour expliquer les phénomènes restants... Il serait souhaitable de déduire des principes de la mécanique le reste des phénomènes de la nature, en raisonnant de la même manière, car beaucoup me font supposer que tous ces phénomènes sont déterminés par certaines forces avec lesquelles les particules des corps, pour des raisons encore inconnues, soit tendent les unes vers les autres et s'emboîtent en figures régulières, soit se repoussent et s'éloignent les unes des autres. Puisque ces forces sont inconnues, jusqu'à présent les tentatives des philosophes pour expliquer les phénomènes naturels " sont restées infructueuses. J'espère cependant que soit cette méthode de raisonnement, soit une autre, plus correcte, les raisons données ici fourniront un certain éclairage. "
La méthode de Newton est devenue le principal outil pour comprendre la nature. Les lois de la mécanique classique et les méthodes d’analyse mathématique ont démontré leur efficacité. L’expérience physique, basée sur la technologie de mesure, a assuré une précision sans précédent. Les connaissances physiques sont devenues de plus en plus la base de la technologie et de l'ingénierie industrielles, ont stimulé le développement d'autres sciences naturelles. En physique, la lumière, l’électricité, le magnétisme et la chaleur auparavant isolés ont été combinés dans la théorie électromagnétique. Et même si la nature de la gravité restait floue, ses actions pouvaient être calculées. Le concept de déterminisme mécaniste de Laplace a été établi, basé sur la possibilité de déterminer sans ambiguïté le comportement d'un système à tout moment, si les conditions initiales sont connues. La structure de la mécanique en tant que science semblait solide, fiable et presque complètement complète - c'est-à-dire les phénomènes rencontrés qui ne rentraient pas dans les canons classiques existants semblaient tout à fait explicables dans le futur par des esprits plus sophistiqués du point de vue de la mécanique classique. On avait l'impression que la connaissance de la physique était sur le point d'être complètement achevée - une force aussi puissante était démontrée par les fondements de la physique classique.
4. Liste des références.
1. Karpenkov S.Kh. Concepts de base des sciences naturelles. M. : UNITÉ, 1998.
2. Newton et les problèmes philosophiques de la physique du 20e siècle. Équipe d'auteurs éd. MARYLAND. Akhundova, S.V. Illarionov. M. : Nauka, 1991.
3. Gursky I.P. Physique élémentaire. M. : Nauka, 1984.
4. Grande Encyclopédie soviétique en 30 volumes. Éd. Prokhorova A.M., 3e édition, M., Encyclopédie soviétique, 1970.
5. Dorfman Ya.G. L'histoire du monde physique avec début XIX jusqu'au milieu du 20ème siècle. M., 1979.
S. Marshak, op. en 4 volumes, Moscou, Goslitizdat, 1959, tome 3, p. 601
Citation par : Bernal J. La science dans l'histoire de la société. M., 1956.P.265
Mécanique classique- un type de mécanique (branche de la physique qui étudie les lois des changements de position des corps dans l'espace au fil du temps et les causes qui les provoquent), basée sur les lois de Newton et le principe de relativité de Galilée. C’est pourquoi on l’appelle souvent « Mécanique newtonienne».
La mécanique classique est divisée en :
- la statique (qui considère l'équilibre des corps)
- cinématique (qui étudie la propriété géométrique du mouvement sans considérer ses causes)
- dynamique (qui considère le mouvement des corps).
Il existe plusieurs manières équivalentes de décrire formellement mathématiquement la mécanique classique :
- Formalisme lagrangien
- Formalisme hamiltonien
La mécanique classique donne des résultats très précis si son application est limitée aux corps dont la vitesse est bien inférieure à la vitesse de la lumière et dont la taille dépasse largement celle des atomes et des molécules. Une généralisation de la mécanique classique aux corps se déplaçant à une vitesse arbitraire est la mécanique relativiste, et aux corps dont les dimensions sont comparables à celles des atomes est la mécanique quantique. La théorie quantique des champs examine les effets relativistes quantiques.
Cependant, la mécanique classique conserve son importance car :
- c'est beaucoup plus facile à comprendre et à utiliser que les autres théories
- dans une large mesure, il décrit assez bien la réalité.
La mécanique classique peut être utilisée pour décrire le mouvement d'objets tels que des toupies et des balles de baseball, de nombreux objets astronomiques (tels que des planètes et des galaxies) et parfois même de nombreux objets microscopiques tels que des molécules.
La mécanique classique est une théorie cohérente, c'est-à-dire qu'elle ne contient aucune affirmation qui se contredit. Cependant, sa combinaison avec d’autres théories classiques, par exemple l’électrodynamique et la thermodynamique classiques, conduit à l’émergence de contradictions insolubles. En particulier, l’électrodynamique classique prédit que la vitesse de la lumière est constante pour tous les observateurs, ce qui est incompatible avec mécanique classique. Au début du XXe siècle, cela a conduit à la nécessité de créer une théorie restreinte de la relativité. Considérée en conjonction avec la thermodynamique, la mécanique classique conduit au paradoxe de Gibbs, dans lequel il est impossible de déterminer avec précision la valeur de l'entropie, et à la catastrophe ultraviolette, dans laquelle un corps noir doit rayonner une quantité infinie d'énergie. Les tentatives pour résoudre ces problèmes ont conduit à l'émergence et au développement mécanique quantique.
Concepts de base
La mécanique classique opère sur plusieurs concepts et modèles de base. Parmi eux figurent :
Lois fondamentales
Le principe de relativité de Galilée
Le principe principal sur lequel repose la mécanique classique est le principe de relativité, formulé sur la base des observations empiriques de G. Galileo. Selon ce principe, il existe une infinité de systèmes de référence dans lesquels un corps libre est au repos ou se déplace avec une vitesse constante en ampleur et en direction. Ces systèmes de référence sont appelés inertiels et se déplacent les uns par rapport aux autres de manière uniforme et rectiligne. Dans tous les systèmes de référence inertiels, les propriétés de l’espace et du temps sont les mêmes et tous les processus des systèmes mécaniques obéissent aux mêmes lois. Ce principe peut également être formulé comme l’absence de systèmes de référence absolus, c’est-à-dire de systèmes de référence qui se distinguent d’une manière ou d’une autre des autres.
Les lois de Newton
La mécanique classique repose sur les trois lois de Newton.
La deuxième loi de Newton ne suffit pas à décrire le mouvement d'une particule. De plus, une description de la force est requise, dérivée de la prise en compte de l'entité interaction physique, auquel le corps participe.
Loi de conservation de l'énergie
La loi de conservation de l'énergie est une conséquence des lois de Newton pour les systèmes conservateurs fermés, c'est-à-dire les systèmes dans lesquels seules les forces conservatrices agissent. D'un point de vue plus fondamental, il existe une relation entre la loi de conservation de l'énergie et l'homogénéité du temps, exprimée par le théorème de Noether.
Au-delà de l'applicabilité des lois de Newton
La mécanique classique comprend également des descriptions des mouvements complexes d'objets non ponctuels étendus. Les lois d'Euler constituent une extension des lois de Newton à cette région. Le concept de moment cinétique repose sur les mêmes méthodes mathématiques que celles utilisées pour décrire le mouvement unidimensionnel.
Les équations du mouvement des fusées élargissent le concept de vitesse, où l'élan d'un objet change avec le temps, pour tenir compte d'effets tels que la perte de masse. Il existe deux formulations alternatives importantes de la mécanique classique : la mécanique de Lagrange et la mécanique hamiltonienne. Ceux-ci et d'autres formulations modernes, en règle générale, contourne le concept de « force » et met l'accent sur d'autres grandeurs physiques, telles que l'énergie ou l'action, pour décrire les systèmes mécaniques.
Les expressions ci-dessus pour l'impulsion et l'énergie cinétique ne sont valables que s'il n'y a pas de contribution électromagnétique significative. En électromagnétisme, la deuxième loi de Newton pour un fil porteur de courant est violée si elle n'inclut pas la contribution du champ électromagnétique à l'impulsion du système exprimée en termes du vecteur de Poynting divisé par c 2 où c est la vitesse de la lumière dans l’espace libre.
Histoire
Temps anciens
La mécanique classique est née dans l’Antiquité principalement en relation avec des problèmes survenus lors de la construction. La première branche de la mécanique à se développer fut la statique, dont les bases furent posées dans les travaux d'Archimède au IIIe siècle avant JC. e. Il formule la règle du levier, le théorème de l'addition des forces parallèles, introduit la notion de centre de gravité et pose les bases de l'hydrostatique (force d'Archimède).
Moyen-âge
Nouvelle heure
17ème siècle
XVIIIe siècle
19ème siècle
Au XIXe siècle, le développement de la mécanique analytique a eu lieu dans les travaux d'Ostrogradsky, Hamilton, Jacobi, Hertz et d'autres. Dans la théorie des oscillations, Routh, Joukovski et Lyapunov ont développé une théorie de la stabilité des systèmes mécaniques. Coriolis a développé la théorie du mouvement relatif, prouvant le théorème sur la décomposition de l'accélération en composantes. Dans la seconde moitié du XIXe siècle, la cinématique a été séparée en une section distincte de la mécanique.
Les progrès dans le domaine de la mécanique des milieux continus ont été particulièrement significatifs au XIXe siècle. Navier et Cauchy ont formulé les équations de la théorie de l'élasticité sous une forme générale. Dans les travaux de Navier et Stokes, des équations différentielles d'hydrodynamique ont été obtenues en tenant compte de la viscosité du liquide. Parallèlement, les connaissances dans le domaine de l'hydrodynamique d'un fluide idéal s'approfondissent : des travaux de Helmholtz sur les vortex, de Kirchhoff, Zhukovsky et Reynolds sur la turbulence, et de Prandtl sur les effets de frontière apparaissent. Saint-Venant a développé un modèle mathématique décrivant les propriétés plastiques des métaux.
Les temps modernes
Au XXe siècle, l’intérêt des chercheurs s’est porté sur les effets non linéaires dans le domaine de la mécanique classique. Lyapunov et Henri Poincaré ont jeté les bases de la théorie des oscillations non linéaires. Meshchersky et Tsiolkovsky ont analysé la dynamique des corps de masse variable. L’aérodynamique se distingue de la mécanique des milieux continus, dont les fondements ont été développés par Joukovski. Au milieu du 20e siècle, une nouvelle direction de la mécanique classique se développait activement : la théorie du chaos. Les questions de stabilité des systèmes dynamiques complexes restent également importantes.
Limites de la mécanique classique
La mécanique classique donne des résultats précis pour les systèmes que nous rencontrons dans Vie courante. Mais ses prédictions deviennent incorrectes pour les systèmes dont la vitesse approche celle de la lumière, où elle est remplacée par la mécanique relativiste, ou pour les très petits systèmes où s'appliquent les lois de la mécanique quantique. Pour les systèmes combinant ces deux propriétés, la mécanique relativiste est utilisée à la place de la mécanique classique. théorie des quanta des champs. Pour les systèmes avec très gros montant composants, ou degrés de liberté, la mécanique classique ne peut pas non plus être adéquate, mais des méthodes de mécanique statistique sont utilisées.
La mécanique classique est largement utilisée parce que, d'une part, elle est beaucoup plus simple et plus facile à utiliser que les théories énumérées ci-dessus et, d'autre part, elle présente un grand potentiel d'approximation et d'application pour une très large classe d'objets physiques, à commencer par les objets familiers, tels que une toupie ou une boule, aux grands objets astronomiques (planètes, galaxies) et très microscopiques (molécules organiques).
Bien que la mécanique classique soit généralement compatible avec d'autres théories « classiques » telles que l'électrodynamique et la thermodynamique classiques, il existe certaines incohérences entre ces théories qui ont été découvertes à la fin du 19e siècle. Ils peuvent être résolus par des méthodes de physique plus modernes. En particulier, les équations de l'électrodynamique classique sont non invariantes sous les transformations galiléennes. La vitesse de la lumière y entre comme une constante, ce qui signifie que l'électrodynamique classique et la mécanique classique ne pourraient être compatibles que dans un cadre de référence choisi, associé à l'éther. Cependant, les tests expérimentaux n’ont pas révélé l’existence de l’éther, ce qui a conduit à la création de la théorie de la relativité restreinte, au sein de laquelle les équations de la mécanique ont été modifiées. Les principes de la mécanique classique sont également incompatibles avec certaines affirmations de la thermodynamique classique, conduisant au paradoxe de Gibbs, selon lequel l'entropie ne peut être déterminée avec précision, et à la catastrophe ultraviolette, dans laquelle un corps noir doit rayonner une quantité infinie d'énergie. La mécanique quantique a été créée pour surmonter ces incompatibilités.
Remarques
Liens Internet
- Conférence vidéo 1. Physique : Mécanique classique (automne 1999)// Cours MIT : 8.01
Littérature
- Arnold V.I. Avets A. Problèmes ergodiques de mécanique classique.. - RHD, 1999. - 284 p.
- B.M. Yavorsky, A.A. Detlaf. Physique pour les lycéens et ceux qui entrent à l'université. - M. : Académie, 2008. - 720 p. - ( L'enseignement supérieur). - 34 000 exemplaires. -ISBN5-7695-1040-4
- Sivukhin D.V. Cours de physique générale. - 5ème édition, stéréotypée. - M. : Fizmatlit, 2006. - T. I. Mécanique. - 560 s. -ISBN5-9221-0715-1
- A. N. Matveev. Mécanique et théorie de la relativité. - 3e éd. - M. : ONIX 21ème siècle : Paix et Education, 2003. - 432 p. - 5000 exemplaires. -ISBN5-329-00742-9
- C. Kittel, W. Knight, M. Ruderman Mécanique. Cours de physique à Berkeley. - M. : Lan, 2005. - 480 p. - (Manuels pour les universités). - 2000 exemplaires. -ISBN5-8114-0644-4
Ainsi, le sujet d'étude de la mécanique classique concerne les lois et les causes du mouvement mécanique, compris comme l'interaction de macroscopiques (constitués d'un grand nombre de particules) corps physiques et leurs éléments constitutifs, ainsi que le changement de leur position dans l'espace généré par cette interaction, qui se produit à des vitesses sub-lumineuses (non relativistes).
La place de la mécanique classique dans le système sciences physiques et les limites de son applicabilité sont illustrées à la figure 1.
Figure 1. Domaine d'applicabilité de la mécanique classique
La mécanique classique est divisée en statique (qui considère l'équilibre des corps), cinématique (qui étudie la propriété géométrique du mouvement sans considérer ses causes) et dynamique (qui considère le mouvement des corps en tenant compte des causes qui le provoquent).
Il existe plusieurs méthodes équivalentes de description mathématique formelle de la mécanique classique : les lois de Newton, le formalisme lagrangien, le formalisme hamiltonien, le formalisme de Hamilton-Jacobi.
Lorsque la mécanique classique est appliquée à des corps dont la vitesse est bien inférieure à la vitesse de la lumière et dont la taille dépasse largement la taille des atomes et des molécules, et à des distances ou dans des conditions où la vitesse de propagation de la gravité peut être considérée comme infinie, elle donne des résultats extrêmement des résultats précis. Par conséquent, la mécanique classique conserve aujourd’hui son importance, car elle est beaucoup plus facile à comprendre et à utiliser que les autres théories et décrit assez bien la réalité quotidienne. La mécanique classique peut être utilisée pour décrire le mouvement d'une très large classe d'objets physiques : des objets macroscopiques du quotidien (comme une toupie et une balle de baseball), des objets astronomiques (comme des planètes et des étoiles) et de nombreux objets microscopiques.
La mécanique classique est la plus ancienne des sciences physiques. Même à l'époque préantique, les gens non seulement comprenaient empiriquement les lois de la mécanique, mais les appliquaient également dans la pratique, en construisant les mécanismes les plus simples. Déjà au Néolithique et à l'Age du Bronze, apparut la roue, un peu plus tard le levier et plan incliné. Dans la période antique, les connaissances pratiques accumulées ont commencé à se généraliser, les premières tentatives ont été faites pour définir les concepts de base de la mécanique, tels que la force, la résistance, le déplacement, la vitesse, et pour formuler certaines de ses lois. C'est au cours du développement de la mécanique classique que furent posées les bases de la méthode scientifique de cognition, qui présuppose certaines règles générales de raisonnement scientifique sur les phénomènes observés empiriquement, faisant des hypothèses (hypothèses) qui expliquent ces phénomènes, construisant des modèles qui simplifient les phénomènes étant étudiés en préservant leurs propriétés essentielles, et en formant des systèmes d'idées ou de principes (théories) et leur interprétation mathématique.
Cependant, la formulation qualitative des lois de la mécanique n’a commencé qu’au XVIIe siècle après JC. e., lorsque Galileo Galilei a découvert la loi cinématique de l'addition des vitesses et a établi les lois de la chute libre des corps. Quelques décennies après Galilée, Isaac Newton formulait les lois fondamentales de la dynamique. En mécanique newtonienne, le mouvement des corps est considéré à des vitesses bien inférieures à la vitesse de la lumière dans le vide. On l'appelle classique ou Mécanique newtonienne contrairement à la mécanique relativiste, créée au début du XXe siècle, principalement grâce aux travaux d'Albert Einstein.
La mécanique classique moderne, en tant que méthode d'étude des phénomènes naturels, utilise leur description à l'aide d'un système de concepts de base et la construction de modèles idéaux de phénomènes et de processus réels sur leur base.
Recherche
Nous pouvons vous informer des nouveaux articles,