Klassisk mekanik er en type mekanik (en gren af fysikken , der studerer lovene for forandring i kroppens positioner i rummet over tid og årsagerne, der forårsager det), baseret på Newtons love og Galileos relativitetsprincip . Derfor kaldes det ofte " Newtonsk mekanik ".
Klassisk mekanik er opdelt i:
Der er flere tilsvarende måder at formelt beskrive klassisk mekanik matematisk:
Ved overgangen til XIX-XX århundreder. grænserne for anvendeligheden af klassisk mekanik blev afsløret. Det viste sig, at det giver ekstremt nøjagtige resultater, men kun i de tilfælde, hvor det anvendes på kroppe, hvis hastigheder er meget mindre end lysets hastighed , og dimensionerne er meget større end størrelserne af atomer og molekyler , og i afstande eller forhold, hvor tyngdekraftens udbredelseshastighed kan betragtes som uendelig (en generalisering af klassisk mekanik til legemer, der bevæger sig med en vilkårlig hastighed, er relativistisk mekanik , og til legemer, hvis dimensioner kan sammenlignes med atomare, er kvantemekanik ; kvanterelativistiske effekter betragtes af kvante feltteori ).
Ikke desto mindre bevarer klassisk mekanik sin værdi, fordi den:
Klassisk mekanik kan bruges til at beskrive bevægelsen af en meget bred klasse af fysiske objekter: både almindelige objekter i makrokosmos (såsom en snurretop og en baseball), og objekter af astronomiske dimensioner (såsom planeter og stjerner ) og mange mikroskopiske genstande.
Klassisk mekanik opererer med flere grundlæggende koncepter og modeller. Blandt dem:
Det grundlæggende princip, som klassisk mekanik bygger på, er relativitetsprincippet, formuleret af G. Galileo på baggrund af empiriske observationer. Ifølge dette princip er der uendeligt mange referencerammer, hvor et frit legeme er i hvile eller bevæger sig med konstant hastighed i absolut værdi og retning. Disse referencerammer kaldes inerti og bevæger sig i forhold til hinanden ensartet og retlinet. I alle inertielle referencerammer er rum og tid de samme, og alle processer i mekaniske systemer adlyder de samme love. Dette princip kan også formuleres som fraværet af absolutte referencesystemer, det vil sige referencesystemer, der på en eller anden måde skelnes i forhold til andre [8] .
Grundlaget for klassisk mekanik er Newtons tre love (ved at formulere disse love brugte Newton udtrykket "krop", selvom de faktisk taler om materielle punkter).
Den første lov fastslår tilstedeværelsen af inertiegenskaberne i materielle legemer og postulerer tilstedeværelsen af sådanne referencerammer, hvor bevægelsen af et frit legeme sker med konstant hastighed (sådanne referencerammer kaldes inerti).
Newtons anden lov, baseret på empiriske fakta, postulerer et forhold mellem kraftens størrelse, kroppens acceleration og dets inerti (kendetegnet ved masse). I matematisk formulering er Newtons anden lov oftest skrevet i følgende form:
hvor er den resulterende vektor af kræfter, der virker på kroppen; er kroppens accelerationsvektor; m - kropsvægt.
Newtons anden lov kan også skrives i form af ændringen i momentum af et materielt punkt :
Når man skriver loven i denne form, som før, antages det, at massen af et materielt punkt er uændret i tid [9] [10] [11] .
Newtons anden lov er ikke nok til at beskrive en partikels bevægelse. Derudover kræves en beskrivelse af kraften , opnået ud fra overvejelser om essensen af den fysiske interaktion, hvori kroppen deltager.
Newtons tredje lov specificerer nogle egenskaber ved kraftbegrebet introduceret i den anden lov. Han postulerer tilstedeværelsen for hver kraft, der virker på den første krop fra den anden, lige stor og modsat i retning af kraften, der virker på den anden krop fra den første. Tilstedeværelsen af Newtons tredje lov sikrer opfyldelsen af loven om bevarelse af momentum for et system af kroppe.
Loven om bevarelse af momentum er en konsekvens af Newtons love for lukkede systemer (det vil sige systemer, der ikke er påvirket af ydre kræfter eller resultatet af ydre kræfter er nul). Det grundlæggende grundlag for denne lov er egenskaben af rummets homogenitet , og forholdet mellem loven om bevarelse af momentum og denne egenskab er udtrykt [5] af Noethers sætning .
Loven om energibevarelse er en konsekvens af Newtons love for lukkede konservative systemer (det vil sige systemer, hvor kun konservative kræfter virker ). Det grundlæggende grundlag for denne lov er egenskaben af homogenitet af tid , og forholdet mellem loven om bevarelse af energi og denne egenskab er igen udtrykt [6] af Noethers teorem .
Klassisk mekanik omfatter også en beskrivelse af de komplekse bevægelser af udvidede ikke-punktobjekter. Udvidelsen af lovene i newtonsk mekanik til sådanne objekter skyldtes hovedsagelig L. Euler . Den moderne formulering af Eulers love bruger også apparatet af tredimensionelle vektorer.
Senere udvikler analytisk mekanik , hvis hovedidé er beskrivelsen af et mekanisk system som et enkelt objekt ved hjælp af multidimensionel geometris apparat. Der er to hovedformuleringer (stort set alternative) af klassisk analytisk mekanik: Lagrangiansk mekanik og Hamiltonsk mekanik . I disse teorier falder begrebet "kraft" i baggrunden, og vægten i beskrivelsen af mekaniske systemer ligger på andre fysiske størrelser - såsom energi eller handling .
Ovenstående udtryk for momentum og kinetisk energi er kun gyldige i fravær af et signifikant elektromagnetisk bidrag. Inden for elektromagnetisme bliver Newtons anden lov for en strømførende ledning overtrådt, hvis det elektromagnetiske felts bidrag til systemets momentum ikke tages i betragtning; et sådant bidrag udtrykkes i form af Poynting-vektoren divideret med c 2 , hvor c er lysets hastighed i det frie rum.
Klassisk mekanik opstod i antikken og begyndte at danne sig som en selvstændig gren, tidligere end andre områder af fysikken, hovedsageligt i forbindelse med de problemer, der opstod under byggeriet (løfte- og transportmaskiner, pyramiderne i det gamle Egypten), håndværksproduktion, søfart og militær anliggender (væg- og kastemaskiner). I landene i Mellemøsten kendte man alle de såkaldte "simple maskiner": håndtaget, skråplanet, blokken, kilen, skruen. Der er dog ingen skriftlige optegnelser over dem. I det gamle Kina i det 1. århundrede. n. e. verdens første seismoskop blev opfundet [12] .
Den første af de sektioner af mekanik, der skulle udvikles, var statik , hvis grundlag blev lagt i Arkimedes ' værker i det 3. århundrede f.Kr. e. . Han formulerede reglen om løftestangen , teoremet om tilføjelse af parallelle kræfter , introducerede begrebet tyngdepunkt , lagde grundlaget for hydrostatikken ( Arkimedes kraft ) [12] .
I det 14. århundrede udviklede den franske filosof Jean Buridan teorien om fremdrift . Senere blev den udviklet af Jeans discipel, biskop Albert af Sachsen [13] .
Dynamik som en del af klassisk mekanik begyndte først at udvikle sig i det 17. århundrede . Dens grundlag blev lagt af Galileo Galilei , som var den første til korrekt at løse problemet med bevægelsen af et legeme under påvirkning af en given kraft. Baseret på empiriske observationer opdagede han loven om inerti og relativitetsprincippet . Derudover bidrog Galileo til fremkomsten af teorien om oscillationer og videnskaben om materialers modstand [14] .
Christian Huygens forskede inden for teorien om svingninger, især studerede han bevægelsen af et punkt langs en cirkel , såvel som svingningerne af et fysisk pendul . I hans værker blev lovene for kroppes elastiske påvirkning også formuleret for første gang [14] .
Grundlæggelsen af den klassiske mekanik blev fuldendt af Isaac Newtons arbejde , som formulerede mekanikkens love i den mest generelle form og opdagede loven om universel gravitation . I 1684 etablerede han også loven om viskøs friktion i væsker og gasser [15] .
Også i det 17. århundrede, i 1660, blev loven om elastiske deformationer formuleret , der bærer navnet på dens opdager Robert Hooke .
1700-talletI det 18. århundrede blev analytisk mekanik født og udviklet intensivt . Hendes metoder til problemet med bevægelsen af et materielt punkt blev udviklet af Leonhard Euler , der lagde grundlaget for stiv kropsdynamik . Disse metoder er baseret på princippet om virtuelle forskydninger og på d'Alembert-princippet . Udviklingen af analytiske metoder blev afsluttet af Lagrange , som formåede at formulere ligningerne for dynamikken i et mekanisk system i den mest generelle form: ved hjælp af generaliserede koordinater og momenta . Derudover var Lagrange med til at lægge grundlaget for den moderne teori om svingninger [16] .
En alternativ metode til analytisk formulering af klassisk mekanik er baseret på princippet om mindste handling , som først blev angivet af Maupertuis i forhold til et materielt punkt og generaliseret til tilfældet med et system af materialepunkter af Lagrange.
Også i det 18. århundrede blev grundlaget for en teoretisk beskrivelse af ideel væskehydrodynamik udviklet i værker af Euler, Daniel Bernoulli , Lagrange og d'Alembert .
1800-talletI det 19. århundrede finder udviklingen af analytisk mekanik sted i værker af Ostrogradsky , Hamilton , Jacobi , Hertz m.fl. I teorien om vibrationer udviklede Routh , Zhukovsky og Lyapunov en teori om stabiliteten af mekaniske systemer. Coriolis udviklede teorien om relativ bevægelse ved at bevise accelerationssætningen . I den anden tredjedel af det 19. århundrede blev kinematik opdelt i en separat sektion af mekanik (selv om ideen om hensigtsmæssigheden af en sådan adskillelse af kinematik for første gang blev udtrykt [17] af Euler i 1776) [18] .
Særligt betydningsfuldt i det 19. århundrede var fremskridt inden for kontinuummekanik [19] . Navier og Cauchy formulerede elasticitetsteoriens ligninger i en generel form . I værkerne af Navier og Stokes blev differentialligninger for hydrodynamik opnået under hensyntagen til væskens viskositet . Sammen med dette er der en uddybning af viden inden for hydrodynamik af en ideel væske: Helmholtz ' værker om hvirvler , Kirchhoff , Zhukovsky og Reynolds om turbulens og Prandtl om grænseeffekter vises. Saint-Venant udviklede en matematisk model, der beskriver metallers plastiske egenskaber.
I det 20. århundrede skiftede forskernes interesse til ikke- lineære effekter inden for klassisk mekanik. Lyapunov og Henri Poincaré lagde grundlaget for teorien om ikke-lineære svingninger . Meshchersky og Tsiolkovsky analyserede dynamikken i kroppe med variabel masse . Aerodynamik skiller sig ud fra kontinuummekanik , hvis grundlag blev udviklet af Zhukovsky. I midten af det 20. århundrede var en ny retning inden for klassisk mekanik aktivt ved at udvikle sig - teorien om kaos . Spørgsmålene om stabilitet af komplekse dynamiske systemer, mekanik af diskrete systemer, teori om gyroskopiske og inertisystemer, teori om mekanismer og maskiner, mekanik af legemer med variabel masse, mekanik af et deformerbart fast legeme, hydroaerodynamik, gasdynamik, ikke-euklidisk mekanik også forblive vigtig [20] .
Forudsigelserne fra klassisk mekanik bliver unøjagtige for systemer, der nærmer sig lysets hastighed (adfærden af sådanne systemer skal beskrives af relativistisk mekanik ), eller for meget små systemer, hvor kvantemekanikkens love gælder . For at beskrive adfærden af systemer, hvor både relativistiske og kvanteeffekter er signifikante, bruges relativistisk kvantefeltteori . For systemer med et meget stort antal komponenter, eller frihedsgrader, kan klassisk mekanik heller ikke være tilstrækkelig, i hvilket tilfælde statistisk mekaniks metoder anvendes .
Klassisk mekanik er en selvkonsistent teori, det vil sige, inden for dens rammer er der ingen udsagn, der modsiger hinanden. Generelt er det foreneligt med andre "klassiske" teorier (såsom klassisk elektrodynamik og klassisk termodynamik ), men i slutningen af det 19. århundrede opstod nogle uoverensstemmelser mellem disse teorier; at overvinde disse uoverensstemmelser markerede dannelsen af moderne fysik. I særdeleshed:
![]() | |
---|---|
I bibliografiske kataloger |
Afsnit af mekanik | |
---|---|
Kontinuum mekanik | |
teorier | |
anvendt mekanik |