Механическая картина мира

Становление физики как науки связано в первую очередь с гениальными открытиями Г.Галилея и И.Ньютона (17 век). Особенно значительны научные прозрения Ньютона (1643-1727), сумевшего первым записать физические законы в форме дифференциальных уравнений. Исаак Ньютон – выдающийся английский учёный, заложивший основы современного естествознания, создатель классической физики. Его научная деятельность была связана с Лондонским Королевским обществом, сообществом талантливых людей, объединённых общим интересом к познанию природы. Он родился в Вулсторпе, окончил Кембриджский университет в 1665 году. В 1669-1701 годах возглавлял в нём кафедру. С 1695 года – смотритель, а 1699 – директор Монетного двора.

Изобретенную им теорию называют ньютоновской механикой. Дальнейшее развитие этой механики называется классической механикой. Классическую механику называют теорией макромира или макротел, т.е. разделом физики, изучающим физические события, явления в мире материальных тел, физические параметры которых достаточно велики. Методы и технические средства исследования классической механики не оказывают существенного влияния на физические параметры исследуемых объектов.

Механика (от греч. mechane –орудие, машина) или динамика (от греч. dynamis – cила) позволяет рассчитывать самые разнообразные процессы, происходящие под действием гравитационных, электростатических, упругих и других сил. В механике Ньютона широко используются понятия работы, кинетической и потенциальной энергии, момента импульса.

Исаак Ньютон в 1687 году в своем знаменитом труде «Математические начала натуральной философии» сформулировал основные законы движения, закон всемирного тяготения, ввел понятие массы, количества движения, ускорения, инерции. Чтобы развивать свою теорию Ньютон наряду с Лейбницем разработал необходимый математический аппарат – математический анализ.

Первый закон Ньютона: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят этого состояния.

Стремление тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью или инерцией. Поэтому 1 закон Ньютона называют законом инерции. Этот закон является обобщением принципа инерции Галилея.

Для количественной формулировки 2 закона Ньютона вводятся понятия ускорения «α», массы «m», силы «F». Ускорением характеризуется быстрота изменения скорости тела. Масса тела – физическая величина, одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные (инертная масса) и гравитационные (тяжелая или гравитационная масса) свойства. Сила – это векторная величина, мера механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

2 закон динамики: произведение массы тела на его ускорение равно действующей на него силе, а направление ускорения совпадает с направлением силы:

F = mα.

3 закон динамики: Действию всегда соответствует равное по величине и противоположно направленное противодействие:

F₁ = -F₂.

Обратимся теперь к концептуальным основаниям механики Ньютона. В этой связи особое внимание уделяется первому и второму законам Ньютона. На первый взгляд, кажется, что первый закон является не чем иным, как частным случаем второго закона Ньютона. На самом деле, если в формулу второго закона Ньютона

α=F/m,

подставить F=0, что равносильно либо отсутствию сил, либо их взаимному уравновешиванию. Значит α=0, т.е. материальная точка движется без ускорения, находится в состоянии либо покоя, либо равномерного прямолинейного движения. Мы пришли к первому закону Ньютона. Но более глубокий анализ оснований классической механики показывает, что в различении первого и второго законов Ньютона содержится глубокий смысл.

Законы Ньютона выполняются не во всех, а лишь в инерциальных системах отсчета. Назначение первого закона Ньютона состоит в том, чтобы определить условия выделения систем отсчета. Инерциальными являются те системы отсчета, которые либо покоятся, либо находятся в состоянии равномерного и прямолинейного движения относительно неподвижной.

В механике Ньютона не все системы отсчета равноправны, инерциальные и неинерциальные системы отличны друг от друга. Указанное неравноправие свидетельствует о недостаточной зрелости механики Ньютона.

Размышляя над проблемой свободного падения тел, древние индейцы полагали, что дух матери-Земли взывает к духу камней. Великий древнегреческий философ Аристотель считал, что тела падают на Землю в силу их стремления к своему естественному месту. Ни утверждения древних индейцев, ни мнение Аристотеля невозможно подтвердить на основе экспериментальных данных, следовательно, они не удовлетворяют критерию подтверждаемости. Единственное рациональное зерно в рассматриваемых воззрениях состоит в констатации того, что тела падают на Землю. Но сам факт падения не находит приемлемого с позиций науки объяснения.

Рассуждая чисто дедуктивно, Ньютон попытался ответить на вопрос, какая сила заставляет материальные тела падать на поверхность Земли и не является эта сила той же физической природы, которая заставляет двигаться планеты вокруг Солнца по законам Кеплера. Он приходит к выводу, что движением планет, Луны, всех тел, падающих на Землю, управляет одна и та же сила - сила тяготения и формулирует закон всемирного тяготения, согласно которому:

два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

F = GmM/r².

G - гравитационная постоянная, вычисленная опытным путем и равная

6,67∙10^-11Н∙м²/кг², m и М – массы тел, r – расстояние между телами.

Сила тяготения – это исторически первая сила физического взаимодействия, которая была открыта естествознанием. Открытие закона всемирного тяготения знаменовало переход от кинематического описания солнечной системы к динамическому объяснению явлений и окончательно утвердило победу учения Николая Коперника.

Велик вклад Ньютона в оптику. В 1666 году пр помощи трёхгранной стеклянной призмы он разложил белый свет на семь цветов (в спектр), тем самым доказав его сложность (явление дисперсии). Ньютон сконструировал телескоп-рефлектор оригинальной системы – зеркальный (отражательный), где вместо линзы использовалось вогнутое зеркало. Исследовав интерференцию и дифракцию света, изучая цвета тонких пластинок, открыл так называемые кольца Ньютона, установил закономерности в их размещении, высказал мысль о периодичности светового процесса. Он считал свет потоком корпускул, однако на разных этапах рассматривал возможность существования и волновых свойств света. Свои оптические исследования Ньютон изложил в труде «Оптика» в 1704 году.