Mecanica clasică este un tip de mecanică (o ramură a fizicii care studiază legile schimbării pozițiilor corpurilor în spațiu în timp și cauzele care o cauzează), bazată pe legile lui Newton și pe principiul relativității al lui Galileo . Prin urmare, este adesea numită „ mecanica newtoniană ”.
Mecanica clasică se împarte în:
Există mai multe moduri echivalente de a descrie formal mecanica clasică matematic:
La începutul secolelor XIX-XX. au fost relevate limitele de aplicabilitate ale mecanicii clasice. S-a dovedit că dă rezultate extrem de precise, dar numai în acele cazuri când este aplicat corpurilor ale căror viteze sunt mult mai mici decât viteza luminii , iar dimensiunile sunt mult mai mari decât dimensiunile atomilor și moleculelor și la distanțe sau condițiile în care viteza de propagare a gravitației poate fi considerată infinită ( o generalizare a mecanicii clasice la corpurile care se deplasează cu o viteză arbitrară este mecanica relativistă , iar la corpurile ale căror dimensiuni sunt comparabile cu cele atomice este mecanica cuantică ; efectele relativiste cuantice sunt considerate de cuantic . teoria câmpului ).
Cu toate acestea, mecanica clasică își păstrează valoarea deoarece:
Mecanica clasică poate fi folosită pentru a descrie mișcarea unei clase foarte largi de obiecte fizice: atât obiecte obișnuite ale macrocosmosului (cum ar fi o turnătorie și o minge de baseball), cât și obiecte de dimensiuni astronomice (cum ar fi planetele și stelele ) și multe obiecte microscopice.
Mecanica clasică operează cu mai multe concepte și modele de bază. Printre ei:
Principiul de bază pe care se bazează mecanica clasică este principiul relativității, formulat de G. Galileo pe baza observațiilor empirice. Conform acestui principiu, există o infinitate de cadre de referință în care un corp liber este în repaus sau se mișcă cu o viteză constantă în valoare și direcție absolută. Aceste cadre de referință se numesc inerțiale și se deplasează unul față de celălalt uniform și rectiliniu. În toate cadrele de referință inerțiale, proprietățile spațiului și ale timpului sunt aceleași, iar toate procesele din sistemele mecanice respectă aceleași legi. Acest principiu poate fi formulat și ca absența sistemelor de referință absolute, adică a sistemelor de referință care se disting cumva față de altele [8] .
La baza mecanicii clasice se află cele trei legi ale lui Newton (formulând aceste legi, Newton a folosit termenul de „corp”, deși de fapt ele vorbesc despre puncte materiale).
Prima lege stabilește prezența proprietății de inerție în corpurile materiale și postulează prezența unor astfel de cadre de referință în care mișcarea unui corp liber are loc cu o viteză constantă (astfel de cadre de referință se numesc inerțiale).
A doua lege a lui Newton, bazată pe fapte empirice, postulează o relație între mărimea forței, accelerația corpului și inerția acestuia (caracterizată de masă). În formularea matematică, a doua lege a lui Newton este cel mai adesea scrisă sub următoarea formă:
unde este vectorul rezultat al forțelor care acționează asupra corpului; este vectorul de accelerație al corpului; m - greutatea corporală.
A doua lege a lui Newton poate fi scrisă și în termenii schimbării impulsului unui punct material :
Când se scrie legea în această formă, ca și înainte, se presupune că masa unui punct material este neschimbată în timp [9] [10] [11] .
A doua lege a lui Newton nu este suficientă pentru a descrie mișcarea unei particule. În plus, este necesară o descriere a forței , obținută din luarea în considerare a esenței interacțiunii fizice la care participă corpul.
A treia lege a lui Newton precizează unele proprietăți ale conceptului de forță introdus în a doua lege. El postulează prezența pentru fiecare forță care acționează asupra primului corp din al doilea, egală ca mărime și opusă ca direcție forței care acționează asupra celui de-al doilea corp față de primul. Prezența celei de-a treia legi a lui Newton asigură îndeplinirea legii conservării impulsului pentru un sistem de corpuri.
Legea conservării impulsului este o consecință a legilor lui Newton pentru sistemele închise (adică sistemele care nu sunt afectate de forțe externe sau rezultanta forțelor externe este zero). Baza fundamentală a acestei legi este proprietatea de omogenitate a spațiului , iar relația dintre legea conservării impulsului și această proprietate este exprimată [5] prin teorema lui Noether .
Legea conservării energiei este o consecință a legilor lui Newton pentru sistemele conservative închise (adică sistemele în care acționează doar forțele conservatoare ). Baza fundamentală a acestei legi este proprietatea omogenității timpului , iar relația dintre legea conservării energiei și această proprietate este din nou exprimată [6] prin teorema lui Noether .
Mecanica clasică include, de asemenea, o descriere a mișcărilor complexe ale obiectelor nepunctuale extinse. Extinderea legilor mecanicii newtoniene la astfel de obiecte s-a datorat în principal lui L. Euler . Formularea modernă a legilor lui Euler folosește și aparatul vectorilor tridimensionali.
Mai târziu, se dezvoltă mecanica analitică , a cărei idee principală este descrierea unui sistem mecanic ca un singur obiect, folosind aparatul de geometrie multidimensională. Există două formulări principale (în mare parte alternative) ale mecanicii analitice clasice: mecanica lagrangiană și mecanica hamiltoniană . În aceste teorii, conceptul de „forță” dispare în fundal, iar accentul în descrierea sistemelor mecanice este pus pe alte cantități fizice - cum ar fi energia sau acțiunea .
Expresiile de mai sus pentru impuls și energia cinetică sunt valabile numai în absența unei contribuții electromagnetice semnificative. În electromagnetism, a doua lege a lui Newton pentru un fir purtător de curent este încălcată dacă nu este luată în considerare contribuția câmpului electromagnetic la impulsul sistemului; o astfel de contribuție este exprimată în termenii vectorului Poynting împărțit la c 2 , unde c este viteza luminii în spațiul liber.
Mecanica clasică își are originea în antichitate și a început să se formeze ca o ramură independentă, mai devreme decât alte domenii ale fizicii, în principal în legătură cu problemele apărute în timpul construcției (mașini de ridicare și transport, piramidele Egiptului antic), producția artizanală, transport maritim și militar. afaceri (maşini de perete şi de aruncat). În țările din Orientul Mijlociu erau cunoscute toate așa-numitele „mașini simple”: pârghia, planul înclinat, blocul, pana, șurubul. Cu toate acestea, nu au rămas înregistrări scrise despre ele. În China antică în secolul I. n. e. a fost inventat primul seismoscop din lume [12] .
Prima dintre secțiunile de mecanică care a fost dezvoltată a fost statica , ale cărei baze au fost puse în lucrările lui Arhimede în secolul al III-lea î.Hr. e. . El a formulat regula pârghiei , teorema adunării forțelor paralele , a introdus conceptul de centru de greutate , a pus bazele hidrostaticii ( forța lui Arhimede ) [12] .
În secolul al XIV-lea, filozoful francez Jean Buridan a dezvoltat teoria impulsului . Mai târziu a fost dezvoltat de discipolul lui Jean, episcopul Albert de Saxonia [13] .
Dinamica ca secțiune a mecanicii clasice a început să se dezvolte abia în secolul al XVII-lea . Bazele sale au fost puse de Galileo Galilei , care a fost primul care a rezolvat corect problema mișcării unui corp sub acțiunea unei forțe date. Pe baza observațiilor empirice, el a descoperit legea inerției și principiul relativității . În plus, Galileo a contribuit la apariția teoriei oscilațiilor și a științei rezistenței materialelor [14] .
Christian Huygens a efectuat cercetări în domeniul teoriei oscilațiilor, în special, a studiat mișcarea unui punct de-a lungul unui cerc , precum și oscilațiile unui pendul fizic . În lucrările sale au fost formulate pentru prima dată și legile impactului elastic al corpurilor [14] .
Punerea bazelor mecanicii clasice a fost completată de opera lui Isaac Newton , care a formulat legile mecanicii în cea mai generală formă și a descoperit legea gravitației universale . În 1684, a stabilit și legea frecării vâscoase în lichide și gaze [15] .
Tot în secolul al XVII-lea, în 1660, a fost formulată legea deformațiilor elastice , purtând numele descoperitorului său Robert Hooke .
secolul al XVIII-leaÎn secolul al XVIII-lea s- a născut și s-a dezvoltat intens mecanica analitică . Metodele ei pentru problema mișcării unui punct material au fost dezvoltate de Leonhard Euler , care a pus bazele dinamicii corpului rigid . Aceste metode se bazează pe principiul deplasărilor virtuale și pe principiul d'Alembert . Dezvoltarea metodelor analitice a fost finalizată de Lagrange , care a reușit să formuleze ecuațiile dinamicii unui sistem mecanic în cea mai generală formă: folosind coordonate și momente generalizate . În plus, Lagrange a luat parte la punerea bazelor teoriei moderne a oscilațiilor [16] .
O metodă alternativă de formulare analitică a mecanicii clasice se bazează pe principiul acțiunii minime , care a fost afirmat pentru prima dată de Maupertuis în legătură cu un punct material și generalizat la cazul unui sistem de puncte materiale de Lagrange.
De asemenea, în secolul al XVIII-lea, bazele unei descrieri teoretice a hidrodinamicii fluidelor ideale au fost dezvoltate în lucrările lui Euler, Daniel Bernoulli , Lagrange și d'Alembert .
secolul al XIX-leaÎn secolul al XIX-lea , dezvoltarea mecanicii analitice are loc în lucrările lui Ostrogradsky , Hamilton , Jacobi , Hertz și alții.În teoria vibrațiilor , Routh , Jukovsky și Lyapunov au dezvoltat o teorie a stabilității sistemelor mecanice. Coriolis a dezvoltat teoria mișcării relative demonstrând teorema accelerației . În a doua treime a secolului al XIX-lea, cinematica a fost separată într-o secțiune separată de mecanică (deși pentru prima dată ideea oportunității unei astfel de separări a cinematicii a fost exprimată [17] de Euler în 1776) [18] .
Deosebit de semnificative în secolul al XIX-lea au fost progresele în domeniul mecanicii continue [19] . Navier și Cauchy au formulat ecuațiile teoriei elasticității într-o formă generală . În lucrările lui Navier și Stokes , s- au obținut ecuații diferențiale de hidrodinamică ținând cont de vâscozitatea lichidului. Odată cu aceasta, există o aprofundare a cunoștințelor în domeniul hidrodinamicii unui fluid ideal: apar lucrările lui Helmholtz asupra vârtejurilor , Kirchhoff , Jukovski și Reynolds asupra turbulențelor și Prandtl asupra efectelor la limită. Saint-Venant a dezvoltat un model matematic care descrie proprietățile plastice ale metalelor.
În secolul al XX-lea , interesul cercetătorilor a trecut la efectele neliniare în domeniul mecanicii clasice. Lyapunov și Henri Poincaré au pus bazele teoriei oscilațiilor neliniare . Meshchersky și Tsiolkovsky au analizat dinamica corpurilor de masă variabilă . Aerodinamica iese în evidență din mecanica continuumului , ale cărei fundații au fost dezvoltate de Jukovski. La mijlocul secolului al XX-lea, o nouă direcție în mecanica clasică se dezvolta activ - teoria haosului . Probleme de stabilitate a sistemelor dinamice complexe, mecanica sistemelor discrete, teoria sistemelor giroscopice și inerțiale, teoria mecanismelor și mașinilor, mecanica corpurilor de masă variabilă, mecanica unui corp solid deformabil, hidroaerodinamica, dinamica gazelor, mecanica non-euclidiană rămân de asemenea importante [20] .
Predicțiile mecanicii clasice devin inexacte pentru sistemele care se apropie de viteza luminii (comportamentul unor astfel de sisteme trebuie descris de mecanica relativistă ), sau pentru sistemele foarte mici în care se aplică legile mecanicii cuantice . Pentru a descrie comportamentul sistemelor în care atât efectele relativiste, cât și cele cuantice sunt semnificative, se folosește teoria relativistică a câmpului cuantic . Pentru sistemele cu un număr foarte mare de componente sau grade de libertate, nici mecanica clasică nu poate fi adecvată, caz în care se folosesc metodele mecanicii statistice .
Mecanica clasică este o teorie auto-consistentă, adică în cadrul ei nu există afirmații care să se contrazică. În general, este compatibil cu alte teorii „clasice” (cum ar fi electrodinamica clasică și termodinamica clasică ), dar la sfârșitul secolului al XIX-lea au apărut unele neconcordanțe între aceste teorii; depăşirea acestor discrepanţe a marcat formarea fizicii moderne. În special:
![]() | |
---|---|
În cataloagele bibliografice |
Secțiuni de mecanică | |
---|---|
Mecanica continuului | |
teorii | |
mecanica aplicata |