Klassisen mekaniikan historia - History of classical mechanics

Osa sarjasta
Klassinen mekaniikka
Toinen liikelaki
Oksat
Perusteet
Formulaatiot
Keskeiset aiheet
Kierto
Tiedemiehet

Tämä artikkeli käsittelee klassisen mekaniikan historiaa .

Klassisen mekaniikan edeltäjiä

Antiikin

Pääartikkelit: Aristotelilainen fysiikka ja matemaattinen fysiikka
Aristotelesen liikelait. In Physics hän toteaa, että kappaleet putoavat nopeudella suhteessa niiden painoon ja kääntäen verrannollinen nesteen tiheys ne upotetaan. Tämä on oikea approksimaatio objektien Maan n painovoimakentän liikkuu ilma tai vesi.

Muinaiset kreikkalaiset filosofit , erityisesti Aristoteles , ehdottivat ensimmäisten joukossa, että abstraktit periaatteet hallitsevat luontoa. Aristoteles väitti kirjassaan Taivaassa , että maanpäälliset kappaleet nousevat tai putoavat "luonnolliseen paikkaansa", ja totesi lakiin oikean lähestymistavan, jonka mukaan objektin pudotusnopeus on verrannollinen sen painoon ja kääntäen verrannollinen sen nesteen tiheyteen, jonka se on putoaminen läpi. Aristoteles uskoi logiikkaan ja havaintoihin, mutta kuluu yli kahdeksantoista sata vuotta, ennen kuin Francis Bacon kehittää ensimmäisen kerran tieteellisen kokeilumenetelmän, jota hän kutsui luonnon ärsytykseksi .

Aristoteles näki eron "luonnollisen liikkeen" ja "pakotetun liikkeen" välillä, ja hän uskoi, että "tyhjässä" eli tyhjiössä lepotilassa oleva keho pysyy levossa ja liikkuvalla ruumiilla on edelleen sama liike. Tällä tavalla Aristoteles lähestyi ensimmäisenä jotain samanlaista kuin hitauslaki. Hän kuitenkin uskoi, että tyhjiö olisi mahdotonta, koska ympäröivä ilma ryntäisi täyttämään sen välittömästi. Hän uskoi myös, että esine lakkaa liikkumasta luonnottomaan suuntaan, kun kohdistetut voimat poistetaan. Myöhemmin aristotelilaiset kehittivät yksityiskohtaisen selityksen sille, miksi nuoli lentää edelleen ilmassa sen jälkeen, kun se on poistunut keulasta. Aristoteles uskoi Platonin opetuksiin taivaan pyöreiden yhtenäisten liikkeiden täydellisyydestä. Tämän seurauksena hän käsitteli luonnollista järjestystä, jossa taivaan liikkeet olivat välttämättä täydellisiä, toisin kuin muuttuvien elementtien maanpäällinen maailma, jossa yksilöt tulevat ja kuolevat.

On toinenkin perinne, joka juontaa juurensa muinaisiin kreikkalaisiin ja jossa matematiikkaa käytetään luonnon analysointiin; esimerkkejä ovat Eukleides ( optiikka ), Archimedes ( tasojen tasapainosta , kelluvista kappaleista ) ja Ptolemaios ( optiikka , harmoniset ). Myöhemmin islamilaiset ja bysanttilaiset tutkijat rakensivat näitä teoksia, ja nämä lopulta otettiin uudelleen käyttöön tai tulivat lännen saataville 1200 -luvulla ja uudelleen renessanssin aikana .

Keskiaikainen ajatus

Persialainen islamilainen polymatti Ibn Sīnā julkaisi liiketeoriansa The Book of Healing (1020). Hän sanoi, että heittäjä antaa sysäyksen ammukselle, ja piti sitä pysyvänä, ja sen hajoamiseen tarvitaan ulkoisia voimia, kuten ilmanvastusta . Ibn Sina teki eron "voiman" ja "kaltevuuden" (nimeltään "mayl") välillä ja väitti, että esine sai maylin, kun kohde vastustaa sen luonnollista liikettä. Niinpä hän päätyi siihen, että liikkeen jatkuminen johtuu esineeseen siirtyvästä kaltevuudesta ja että esine on liikkeessä, kunnes toukokuu on käytetty. Hän väitti myös, että tyhjiössä oleva ammus ei pysähdy, ellei siihen ryhdytä. Tämä liikeidea on Newtonin ensimmäisen liikelain, inertian, mukainen. Joka sanoo, että liikkeessä oleva esine pysyy liikkeessä, ellei siihen vaikuta ulkoinen voima. Tätä ajatusta, joka erosi aristotelistisesta näkemyksestä, kuvasi myöhemmin "sysäyksenä" John Buridan , joka vaikutti Ibn Sinan parantumiskirjaan .

1200-luvulla Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi omaksui ja muutti Avicennan teoriaa ammusten liikkeestä . Hänen Kitab al-Mu'tabar , Abu'l-Barakat totesi, että tulijan luojana väkivaltainen kallistus ( mayl qasri ) on siirretty, ja että tämä vähenee liikkuvan kohteen etääntyy liikkuja. Mukaan Shlomo Pines , al-Baghdaadi teoria liike oli "vanhin negaatio Aristoteleen : n perustavaa laatua oleva dynaaminen lain [nimittäin, että jatkuva voima tuottaa tasaisen liikkeen], [ja on siten] ennakointia epämääräinen tavalla perustavaa laatua klassisen mekaniikan laki [nimittäin, että jatkuvasti sovellettava voima tuottaa kiihtyvyyttä]. " Samalla vuosisadalla Ibn Bajjah ehdotti, että jokaiselle voimalle on aina reaktiovoima. Vaikka hän ei täsmentänyt, että nämä voimat olisivat tasavertaisia, se on kuitenkin varhainen versio kolmannesta liikkeen laista, joka sanoo, että jokaiselle toiminnalle on samanlainen ja päinvastainen reaktio.

14-luvulla, ranskalainen pappi Jean Buridan kehittänyt impetusteoria , mahdollisesti vaikuttaa Ibn Sina. Albert , piispa Halberstadt , kehitti teorian edelleen.

Klassisen mekaniikan muodostuminen

Galileo Galilein kehittämä kaukoputki ja hänen havaintonsa haastoivat edelleen ajatuksen siitä, että taivas oli tehty täydellisestä, muuttumattomasta aineesta. Ottaen käyttöön Copernicuksen heliocentrisen hypoteesin Galilei uskoi, että Maa oli sama kuin muut planeetat. Vaikka kuuluisan Pisan tornikokeilun todellisuus on kiistanalainen, hän teki kvantitatiivisia kokeita pyörittämällä palloja kaltevalle tasolle ; hänen oikea teoriansa nopeutetusta liikkeestä johtui ilmeisesti kokeiden tuloksista. Galileo havaitsi myös, että pystysuoraan pudonnut ruumis osuu maahan samaan aikaan kuin vaakasuoraan heijastettu kappale, joten tasaisesti pyörivässä maapallossa on edelleen esineitä, jotka putoavat maahan painovoiman vaikutuksesta. Vielä tärkeämpää on, että se väitti, että tasaista liikettä ei voida erottaa levosta ja muodostaa siten suhteellisuusteorian perustan. Lukuun ottamatta Kopernikaanin tähtitieteen hyväksymistä, Galileon suora vaikutus tieteeseen 1600 -luvulla Italian ulkopuolella ei todennäköisesti ollut kovin suuri. Vaikka hänen vaikutuksensa koulutettuihin maallikkoihin sekä Italiassa että ulkomailla oli huomattava, yliopistoprofessorien keskuudessa, lukuun ottamatta muutamia, jotka olivat hänen omia oppilaitaan, se oli vähäinen.

Galilein ja Newtonin välillä Christiaan Huygens oli Länsi -Euroopan johtava matemaatikko ja fyysikko. Hän muotoili säilyttämislain elastisille törmäyksille, tuotti ensimmäiset keskipistevoiman lauseet ja kehitti värähtelyjärjestelmien dynaamisen teorian. Hän myös paransi kaukoputkea, löysi Saturnuksen kuun Titanin ja keksi heilurikellon. Hänen aalto teorian valossa, julkaistu Traite de la Lumiere , myöhemmin hyväksyi Fresnel muodossa on huygensin periaate .

Sir Isaac Newton oli ensimmäinen, joka yhdisti kolme liikelakia (hitauslaki, toinen hänen edellä mainittu lakinsa sekä toiminnan ja reaktion laki) ja osoitti, että nämä lait hallitsevat sekä maallisia että taivaallisia esineitä. Newton ja useimmat hänen aikalaisensa toivoivat, että klassinen mekaniikka kykenisi selittämään kaikki olennot, mukaan lukien (geometrisen optiikan muodossa) valon. Newtonin oma selitys Newtonin renkaista vältti aaltoperiaatteita ja oletti, että lasi muutti tai herätti valohiukkasia ja resonoi.

Newton kehitti myös laskennan, joka on välttämätön klassiseen mekaniikkaan liittyvien matemaattisten laskelmien suorittamiseen. Kuitenkin Gottfried Leibniz kehitti Newtonista riippumatta laskelman, johon merkitään tähän päivään käytetty johdannainen ja integraali . Klassinen mekaniikka säilyttää Newtonin pistemerkinnän aikajohdannaisille.

Leonhard Euler laajensi Newtonin liikelakeja hiukkasista jäykkiin kappaleisiin kahdella lisälailla . Työskentely kiinteiden materiaalien kanssa voimien alla johtaa muodonmuutoksiin, jotka voidaan mitata. Idean esitti Euler (1727), ja vuonna 1782 Giordano Riccati alkoi määrittää joidenkin materiaalien kimmoisuutta , jota seurasi Thomas Young . Simeon Poisson laajensi tutkimuksen kolmanteen ulottuvuuteen Poisson -suhteella . Gabriel Lamé hyödynsi rakenteiden vakauden tutkimusta ja esitteli Lamé -parametrit . Nämä kertoimet muodostivat lineaarisen kimmoisuusteorian ja aloittivat jatkuvamekaniikan .

Newtonin jälkeen muotoilut mahdollistivat asteittain ratkaisuja paljon useampiin ongelmiin. Ensimmäinen rakennettiin vuonna 1788, jonka Joseph Louis Lagrangen , An italialainen - ranskalainen matemaatikko . On Lagrangen mekaniikka ratkaisu käyttää pienimmän toiminnan ja seuraa variaatiolaskennan . William Rowan Hamilton muotoili Lagrangin mekaniikan uudelleen vuonna 1833. Hamiltonin mekaniikan etuna oli se, että sen puitteet mahdollistivat syvemmän tarkastelun taustalla olevista periaatteista. Suurin osa Hamiltonin mekaniikan kehyksistä näkyy kvanttimekaniikassa, mutta termien tarkat merkitykset vaihtelevat kvanttivaikutusten vuoksi.

Vaikka klassinen mekaniikka on suurelta osin yhteensopiva muiden " klassisen fysiikan " teorioiden, kuten klassisen elektrodynamiikan ja termodynamiikan kanssa , 1800 -luvun lopulla löydettiin joitain vaikeuksia, jotka pystyttiin ratkaisemaan vain nykyaikaisemmalla fysiikalla. Yhdistettynä klassiseen termodynamiikkaan klassinen mekaniikka johtaa Gibbsin paradoksiin , jossa entropia ei ole hyvin määritelty määrä. Kun kokeet saavuttivat atomitason, klassinen mekaniikka ei kyennyt selittämään edes suunnilleen sellaisia ​​perusasioita kuin atomien energiatasot ja koot. Pyrkimys näiden ongelmien ratkaisemiseksi johti kvanttimekaniikan kehitykseen. Samoin klassisen sähkömagnetismin ja klassisen mekaniikan erilainen käyttäytyminen nopeudenmuutoksissa johti suhteellisuusteoriaan .

Klassinen mekaniikka nykyajan

1900 -luvun loppuun mennessä klassinen fysiikan mekaniikka ei ollut enää itsenäinen teoria. Yhdessä klassisen sähkömagnetismin kanssa se on upotettu relativistiseen kvanttimekaniikkaan tai kvanttikenttäteoriaan . Se määrittää ei-relativistisen, ei-kvanttimekaanisen rajan massiivisille hiukkasille.

Klassinen mekaniikka on myös ollut inspiraation lähde matemaatikoille. Ymmärtäminen, että klassisen mekaniikan vaihetila hyväksyy luonnollisen kuvauksen symplektisenä moninaisuutena (todellakin kotangenttikimpuna useimmissa fyysisesti kiinnostavissa tapauksissa) ja symplektisen topologian , jota voidaan ajatella Hamiltonin mekaniikan maailmanlaajuisten kysymysten tutkimuksena, on on ollut hedelmällinen matematiikan tutkimuksen alue 1980 -luvulta lähtien.

Katso myös

Huomautuksia

Viitteet