Die klassische Mechanik behauptet, dass ihre Formeln. Klassische Physik. Klassische Mechanik. Grundlegende Konzepte und Definitionen
EINFÜHRUNG
Physik ist eine Naturwissenschaft, die die allgemeinsten Eigenschaften der materiellen Welt untersucht, die allgemeinsten Bewegungsformen der Materie, die allen Naturphänomenen zugrunde liegen. Die Physik legt die Gesetze fest, denen diese Phänomene gehorchen.
Die Physik untersucht auch die Eigenschaften und Struktur materieller Körper und zeigt Wege zur praktischen Nutzung physikalischer Gesetze in der Technik auf.
Entsprechend der Formenvielfalt der Materie und ihrer Bewegung gliedert sich die Physik in mehrere Abschnitte: Mechanik, Thermodynamik, Elektrodynamik, Physik der Schwingungen und Wellen, Optik, Physik des Atoms, des Kerns und der Elementarteilchen.
An der Schnittstelle von Physik und anderen Naturwissenschaften entstanden neue Wissenschaften: Astrophysik, Biophysik, Geophysik, physikalische Chemie usw.
Die Physik ist die theoretische Grundlage der Technik. Die Entwicklung der Physik diente als Grundlage für die Schaffung neuer Technologiezweige wie Weltraumtechnologie, Nukleartechnologie, Quantenelektronik usw. Die Entwicklung der technischen Wissenschaften wiederum trägt zur Schaffung völlig neuer Methoden der physikalischen Forschung bei, die Bestimmen Sie den Fortschritt der Physik und verwandter Wissenschaften.
PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DER KLASSISCHEN MECHANIK
ICH. Mechanik. Allgemeine Konzepte
Die Mechanik ist ein Teilgebiet der Physik, das die einfachste Form der Bewegung von Materie untersucht – die mechanische Bewegung.
Unter mechanischer Bewegung versteht man eine zeitliche Änderung der Position des untersuchten Körpers im Raum relativ zu einem bestimmten Ziel oder System von Körpern, die üblicherweise als bewegungslos gelten. Ein solches System von Körpern zusammen mit einer Uhr, für die jeder periodische Prozess gewählt werden kann, nennt man Referenzsystem(ALSO.). ALSO. oft aus Bequemlichkeitsgründen gewählt.
Für eine mathematische Beschreibung der Bewegung mit S.O. Sie assoziieren ein Koordinatensystem, oft rechteckig.
Der einfachste Körper in der Mechanik ist ein materieller Punkt. Dies ist ein Körper, dessen Dimensionen unter den Bedingungen des vorliegenden Problems vernachlässigt werden können.
Jeder Körper, dessen Abmessungen nicht vernachlässigt werden können, wird als System materieller Punkte betrachtet.
Mechanik ist unterteilt in Kinematik, das sich mit der geometrischen Beschreibung der Bewegung befasst, ohne ihre Ursachen zu untersuchen, Dynamik, die die Bewegungsgesetze von Körpern unter dem Einfluss von Kräften untersucht, und die Statik, die die Gleichgewichtsbedingungen von Körpern untersucht.
2. Kinematik eines Punktes
Die Kinematik untersucht die raumzeitliche Bewegung von Körpern. Es arbeitet mit Konzepten wie Weg, Weg, Zeit t, Geschwindigkeit, Beschleunigung.
Die Linie, die ein materieller Punkt während seiner Bewegung beschreibt, wird Trajektorie genannt. Je nach Form der Bewegungsbahnen werden sie in geradlinige und krummlinige unterteilt. Vektor , Die Verbindung der ersten I- und letzten beiden Punkte wird als Bewegung bezeichnet (Abb. I.I).
Jeder Zeitpunkt t hat seinen eigenen Radiusvektor:
Somit kann die Bewegung eines Punktes durch eine Vektorfunktion beschrieben werden.
was wir definieren Vektor Art der Bewegungsangabe oder drei Skalarfunktionen
X= X(T); j= j(T); z= z(T) , (1.2)
die man kinematische Gleichungen nennt. Sie bestimmen die Bewegungsaufgabe Koordinate Weg.
Die Bewegung eines Punktes wird auch dann bestimmt, wenn für jeden Zeitpunkt die Position des Punktes auf der Flugbahn ermittelt wird, d.h. Sucht
Es bestimmt die Bewegungsaufgabe natürlich Weg.
Jede dieser Formeln repräsentiert Gesetz Bewegung des Punktes.
3. Geschwindigkeit
Wenn der Zeitpunkt t 1 dem Radiusvektor entspricht , und , dann erhält der Körper während des Intervalls eine Verschiebung . In diesem Fall Durchschnittsgeschwindigkeitt ist die Menge
was in Bezug auf die Flugbahn eine Sekante darstellt, die durch die Punkte I und 2 verläuft. Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t heißt ein Vektor
Aus dieser Definition folgt, dass die Geschwindigkeit an jedem Punkt der Flugbahn tangential zu diesem gerichtet ist. Aus (1.5) folgt, dass die Projektionen und die Größe des Geschwindigkeitsvektors durch die Ausdrücke bestimmt werden:
Wenn das Bewegungsgesetz (1.3) gegeben ist, dann wird der Betrag des Geschwindigkeitsvektors wie folgt bestimmt:
Wenn Sie also das Bewegungsgesetz (I.I), (1.2), (1.3) kennen, können Sie den Vektor und den Modul des Geschwindigkeitsmessers berechnen und umgekehrt, wenn Sie die Geschwindigkeit aus den Formeln (1.6), (1.7) kennen Berechnen Sie die Koordinaten und den Pfad.
4. Beschleunigung
Bei einer willkürlichen Bewegung ändert sich der Geschwindigkeitsvektor kontinuierlich. Die Größe, die die Änderungsrate des Geschwindigkeitsvektors charakterisiert, wird Beschleunigung genannt.
Wenn drin. Zum Zeitpunkt t 1 ist die Geschwindigkeit des Punktes und bei t 2 - dann beträgt das Geschwindigkeitsinkrement (Abb. 1.2). Die durchschnittliche Beschleunigung in diesem Fall
und augenblicklich
Für das Projektions- und Beschleunigungsmodul gilt: , (1.10)
Wenn ein natürlicher Bewegungsablauf gegeben ist, kann die Beschleunigung auf diese Weise bestimmt werden. Die Geschwindigkeit ändert sich in Betrag und Richtung, der Geschwindigkeitszuwachs wird in zwei Größen aufgeteilt; - entlang gerichtet (Geschwindigkeitszunahme in der Größe) und - senkrecht gerichtet (Geschwindigkeitszunahme in der Richtung), d. h. = + (Abb. I.З). Aus (1.9) erhalten wir:
Tangentiale (tangentiale) Beschleunigung charakterisiert die Änderungsrate der Größe (1.13)
Normal (Zentripetalbeschleunigung) charakterisiert die Geschwindigkeit der Richtungsänderung. Berechnen A N halten
OMN und MPQ unter der Bedingung einer kleinen Bewegung des Punktes entlang der Flugbahn. Aus der Ähnlichkeit dieser Dreiecke finden wir PQ:MP=MN:OM:
Die Gesamtbeschleunigung wird in diesem Fall wie folgt ermittelt:
5. Beispiele
I. Ebenso variable geradlinige Bewegung. Dies ist eine Bewegung mit konstanter Beschleunigung() . Aus (1.8) finden wir
oder wo v 0 - Geschwindigkeit im Moment T 0 . Glauben T 0 =0, finden wir , und die zurückgelegte Strecke S aus Formel (I.7):
Wo S 0 ist eine Konstante, die aus den Anfangsbedingungen bestimmt wird.
2. Gleichmäßige Bewegung im Kreis. In diesem Fall ändert sich die Geschwindigkeit nur in der Richtung, also der Zentripetalbeschleunigung.
I. Grundkonzepte
Die Bewegung von Körpern im Raum ist das Ergebnis ihrer mechanischen Wechselwirkung untereinander, wodurch es zu einer Änderung der Bewegung von Körpern oder ihrer Verformung kommt. Als Maß für die mechanische Wechselwirkung in der Dynamik wird eine Größe eingeführt – Kraft. Für einen bestimmten Körper ist Kraft ein äußerer Faktor, und die Art der Bewegung hängt von den Eigenschaften des Körpers selbst ab – der Einhaltung äußerer Einflüsse, die auf ihn ausgeübt werden, oder dem Grad der Trägheit des Körpers. Das Maß für die Trägheit eines Körpers ist seine Masse T, abhängig von der Menge der Körpermasse.
Somit sind die Grundbegriffe der Mechanik: bewegte Materie, Raum und Zeit als Existenzformen bewegter Materie, Masse als Maß für die Trägheit von Körpern, Kraft als Maß für die mechanische Wechselwirkung zwischen Körpern. Die Beziehungen zwischen diesen Begriffen werden bestimmt durch Gesetze! Bewegungen, die von Newton als Verallgemeinerung und Klärung experimenteller Fakten formuliert wurden.
2. Gesetze der Mechanik
1. Gesetz. Jeder Körper behält einen Zustand der Ruhe oder gleichmäßigen geradlinigen Bewegung bei, solange äußere Einflüsse diesen Zustand nicht verändern. Das erste Gesetz enthält das Trägheitsgesetz sowie die Definition von Kraft als Ursache, die den Trägheitszustand des Körpers verletzt. Um es mathematisch auszudrücken, führte Newton das Konzept des Impulses oder Impulses eines Körpers ein:
dann wenn
2. Gesetz. Die Impulsänderung ist proportional zur ausgeübten Kraft und erfolgt in der Wirkungsrichtung dieser Kraft. Maßeinheiten auswählen M und damit der Proportionalitätskoeffizient gleich eins ist, erhalten wir
Wenn beim Umzug M= const , Das
In diesem Fall wird der 2. Hauptsatz wie folgt formuliert: Die Kraft ist gleich dem Produkt aus der Masse des Körpers und seiner Beschleunigung. Dieses Gesetz ist das Grundgesetz der Dynamik und ermöglicht es uns, das Bewegungsgesetz von Körpern auf der Grundlage gegebener Kräfte und Anfangsbedingungen zu finden. 3. Gesetz. Die Kräfte, mit denen zwei Körper aufeinander wirken, sind gleich und in entgegengesetzte Richtungen gerichtet, d. h. (2.4)
Newtons Gesetze erhalten eine spezifische Bedeutung, nachdem die spezifischen Kräfte angegeben werden, die auf den Körper wirken. Beispielsweise wird in der Mechanik die Bewegung von Körpern häufig durch die Einwirkung solcher Kräfte verursacht: Die Gravitationskraft, wobei r der Abstand zwischen Körpern ist, ist die Gravitationskonstante; Schwerkraft – die Schwerkraft nahe der Erdoberfläche, P= mg; Reibungskraft, wo k-Basis klassisch Mechanik Newtons Gesetze lügen. Kinematikstudien...
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Das Zusammenspiel dieser beiden Effekte ist das Hauptthema der Newtonschen Mechanik.
Weitere wichtige Konzepte in diesem Teilgebiet der Physik sind Energie, Impuls und Drehimpuls, die bei der Wechselwirkung zwischen Objekten übertragen werden können. Die Energie eines mechanischen Systems besteht aus seiner kinetischen (Bewegungsenergie) und potentiellen (abhängig von der Position des Körpers relativ zu anderen Körpern) Energie. Für diese physikalischen Größen gelten grundlegende Erhaltungssätze.
1. Geschichte
Die Grundlagen der klassischen Mechanik wurden von Galilei sowie Kopernikus und Kepler mit der Untersuchung der Bewegungsmuster von Himmelskörpern gelegt, und lange Zeit wurden Mechanik und Physik im Zusammenhang mit der Beschreibung astronomischer Ereignisse betrachtet.
Die Ideen des heliozentrischen Systems wurden von Kepler in seinen drei Bewegungsgesetzen der Himmelskörper weiter formalisiert. Insbesondere besagt das zweite Keplersche Gesetz, dass sich alle Planeten im Sonnensystem auf elliptischen Bahnen bewegen, wobei die Sonne einer ihrer Brennpunkte ist.
Den nächsten wichtigen Beitrag zur Begründung der klassischen Mechanik leistete Galileo, der die Grundgesetze der mechanischen Bewegung von Körpern, insbesondere unter dem Einfluss der Schwerkraft, erforschte und fünf universelle Bewegungsgesetze formulierte.
Dennoch gehören die Lorbeeren des Hauptbegründers der klassischen Mechanik Isaac Newton, der in seinem Werk „Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“ eine Synthese der von seinen Vorgängern formulierten Konzepte der Physik der mechanischen Bewegung durchführte. Newton formulierte drei grundlegende Bewegungsgesetze, die nach ihm benannt wurden, sowie das Gesetz der universellen Gravitation, das einen Schlussstrich unter Galileis Untersuchungen zum Phänomen frei fallender Körper zog. So entstand ein neues Weltbild und seine Grundgesetze, das das veraltete Aristotelische ersetzte.
2. Grenzen der klassischen Mechanik
Die klassische Mechanik liefert genaue Ergebnisse für die Systeme, denen wir im Alltag begegnen. Sie werden jedoch falsch für Systeme, deren Geschwindigkeit sich der Lichtgeschwindigkeit nähert, wo sie durch die relativistische Mechanik ersetzt werden, oder für sehr kleine Systeme, in denen die Gesetze der Quantenmechanik gelten. Für Systeme, die diese beiden Eigenschaften vereinen, wird anstelle der klassischen Mechanik die relativistische Quantenfeldtheorie verwendet. Für Systeme mit sehr vielen Komponenten bzw. Freiheitsgraden kann auch die klassische Mechanik ausreichend sein, es werden jedoch Methoden der statistischen Mechanik verwendet
Die klassische Mechanik wird häufig verwendet, weil sie erstens viel einfacher und leichter anzuwenden ist als die oben aufgeführten Theorien und zweitens ein großes Potenzial für die Annäherung und Anwendung für eine sehr breite Klasse physikalischer Objekte bietet, angefangen bei vertrauten Objekten wie z ein Kreisel oder eine Kugel, in großen astronomischen Objekten (Planeten, Galaxien) und sehr mikroskopischen Objekten (organische Moleküle).
3. Mathematischer Apparat
Grundlegende Mathematik klassische Mechanik- Differential- und Integralrechnung, speziell dafür von Newton und Leibniz entwickelt. In ihrer klassischen Formulierung basiert die Mechanik auf den drei Newtonschen Gesetzen.
4. Darlegung der Grundlagen der Theorie
Im Folgenden werden die Grundkonzepte der klassischen Mechanik vorgestellt. Der Einfachheit halber verwenden wir das Konzept eines materiellen Punktes als eines Objekts, dessen Abmessungen vernachlässigt werden können. Die Bewegung eines materiellen Punktes wird durch eine kleine Anzahl von Parametern bestimmt: Position, Masse und auf ihn ausgeübte Kräfte.
In Wirklichkeit sind die Abmessungen jedes Objekts, mit dem sich die klassische Mechanik befasst, ungleich Null. Ein materieller Punkt, beispielsweise ein Elektron, gehorcht den Gesetzen der Quantenmechanik. Objekte mit Abmessungen ungleich Null weisen ein wesentlich komplexeres Verhalten auf, da sich ihr innerer Zustand ändern kann – beispielsweise kann sich eine Kugel während der Bewegung auch drehen. Dennoch lassen sich die für materielle Punkte gewonnenen Ergebnisse auf solche Körper übertragen, wenn wir sie als eine Ansammlung vieler interagierender materieller Punkte betrachten. Solche komplexen Objekte können sich wie materielle Punkte verhalten, wenn ihre Größe im Maßstab eines bestimmten physikalischen Problems unbedeutend ist.
4.1. Position, Radiusvektor und seine Ableitungen
Die Position eines Objekts (materieller Punkt) wird relativ zu einem festen Punkt im Raum bestimmt, der als Ursprung bezeichnet wird. Er kann durch die Koordinaten dieses Punktes (zum Beispiel im kartesischen Koordinatensystem) oder durch einen Radiusvektor angegeben werden R, vom Ursprung bis zu diesem Punkt gezogen. In Wirklichkeit kann sich ein materieller Punkt im Laufe der Zeit bewegen, daher ist der Radiusvektor im Allgemeinen eine Funktion der Zeit. In der klassischen Mechanik geht man im Gegensatz zur relativistischen Mechanik davon aus, dass der Zeitfluss in allen Bezugssystemen gleich ist.
4.1.1. Flugbahn
Eine Trajektorie ist die Gesamtheit aller Positionen eines sich bewegenden materiellen Punktes – im Allgemeinen handelt es sich um eine gekrümmte Linie, deren Aussehen von der Art der Bewegung des Punktes und dem gewählten Bezugssystem abhängt.
4.1.2. Ziehen um
.Wenn alle auf ein Teilchen wirkenden Kräfte konservativ sind und V ist dann die gesamte potentielle Energie, die man durch Addition der potentiellen Energien aller Kräfte erhält
| . |
Diese. Gesamtenergie E = T + V bleibt im Laufe der Zeit bestehen. Dies ist eine Manifestation eines der grundlegenden physikalischen Gesetze der Erhaltung. In der klassischen Mechanik kann es praktisch nützlich sein, da viele Arten von Kräften in der Natur konservativ sind.
Startseite > VortragNewton ist der Begründer der klassischen Mechanik. Und obwohl Newtons mechanistisches Weltbild heute aus der Sicht der modernen Wissenschaft grob und begrenzt erscheint, gab es der Entwicklung der theoretischen und angewandten Wissenschaften in den nächsten fast 200 Jahren den Anstoß. Newton verdanken wir Konzepte wie absoluten Raum, Zeit, Masse, Kraft, Geschwindigkeit, Beschleunigung; Er entdeckte die Bewegungsgesetze physikalischer Körper und legte damit den Grundstein für die Entwicklung der Physik. (Allerdings hätte nichts davon passieren können, wenn ihm nicht Galileo, Kopernikus und andere vorausgegangen wären. Kein Wunder, dass er selbst sagte: „Ich stand auf den Schultern von Riesen.“) Bleiben wir bei der wichtigsten Errungenschaft von Newtons wissenschaftlicher Forschung – der mechanistisches Weltbild. Es enthält folgende Bestimmungen:
- Die Aussage, dass die gesamte Welt, das Universum, nichts anderes ist als eine Ansammlung einer riesigen Anzahl unteilbarer und unveränderlicher Teilchen, die sich in Raum und Zeit bewegen und durch Gravitationskräfte miteinander verbunden sind, die von Körper zu Körper durch die Leere übertragen werden. Daraus folgt, dass alle Ereignisse streng vorherbestimmt sind und den Gesetzen der klassischen Mechanik unterliegen, was es ermöglicht, den Ablauf der Ereignisse vorherzubestimmen und vorherzuberechnen. Die elementare Einheit der Welt ist das Atom, und alle Körper bestehen aus absolut festen, unteilbaren, unveränderlichen Teilchen – Atomen. Bei der Beschreibung mechanischer Prozesse verwendete er die Begriffe „Körper“ und „Körperchen“. Die Bewegung von Atomen und Körpern wurde als einfache Bewegung von Körpern in Raum und Zeit dargestellt. Die Eigenschaften von Raum und Zeit wiederum wurden als unveränderlich und unabhängig von den Körpern selbst dargestellt. Die Natur wurde als großer Mechanismus (Maschine) dargestellt, in dem jeder Teil seinen eigenen Zweck hatte und bestimmten Gesetzen strikt gehorchte. Die Essenz dieses Weltbildes ist die Synthese naturwissenschaftlicher Erkenntnisse und der Gesetze der Mechanik, die die gesamte Vielfalt der Phänomene und Prozesse auf mechanische reduziert (reduziert) hat.
| № | Klassische Wissenschaft | Postklassische Wissenschaft |
| 1. | Das Subjekt über das Objekt hinausführen. | Anerkennung der Subjektivität von Wissen und Erkenntnis. |
| 2. | Einstellung zur Rationalität. | Berücksichtigung nichtrationaler Wissensweisen. |
| 3. | Die Dominanz dynamischer Muster. | Berücksichtigung der Rolle und Bedeutung probabilistisch-statistischer Gesetze. |
| 4. | Das Untersuchungsobjekt ist die Makrowelt. | Untersuchungsgegenstand ist die Mikro-, Makro- und Megawelt. |
| 5. | Die führende Erkenntnismethode ist das Experiment. | Modellierung (einschließlich mathematisch). |
| 6. | Bedingungslose Sichtbarkeit. | Bedingte Sichtbarkeit. |
| 7. | Eine klare Grenze zwischen Naturwissenschaften und Geisteswissenschaften. | Diese Zeile löschen. |
| 8. | Ausgeprägte Disziplin. Die Vorherrschaft der Differenzierung der Wissenschaften. | Differenzierung und Integration (Systemtheorie, Synergetik, Strukturmethode). |
- Vielfalt wissenschaftlicher Erkenntnisse. Empirisches Wissen, seine Struktur und Merkmale. Struktur und Besonderheiten des theoretischen Wissens. Grundlagen der Wissenschaft.
- als problematische und unzuverlässige Form des Wissens; als Methode wissenschaftlicher Erkenntnis.
- Einhaltung der in der Wissenschaft festgelegten Gesetze; Übereinstimmung mit Faktenmaterial; Konsistenz aus formallogischer Sicht (wenn wir von einem Widerspruch in der objektiven Realität selbst sprechen, dann muss die Hypothese Widersprüche enthalten); Fehlen subjektiver, willkürlicher Annahmen (was die Aktivität des Subjekts selbst nicht negiert); die Möglichkeit ihrer Bestätigung oder Widerlegung entweder bei direkter Beobachtung oder indirekt – durch Ableitung von Konsequenzen aus der Hypothese.
- Die Theorie sollte nicht im Widerspruch zu Fakten und Erfahrungen stehen und anhand des verfügbaren experimentellen Materials überprüfbar sein. Es sollte den Prinzipien der formalen Logik nicht widersprechen und sich gleichzeitig durch logische Einfachheit und „Natürlichkeit“ auszeichnen. Eine Theorie ist „gut“, wenn sie ein breites Spektrum an Themen abdeckt und zu einem kohärenten System von Abstraktionen verknüpft.
Die Entstehung der klassischen Mechanik war der Beginn der Umwandlung der Physik in eine strenge Wissenschaft, das heißt ein Wissenssystem, das die Wahrheit, Objektivität, Gültigkeit und Überprüfbarkeit sowohl seiner ursprünglichen Prinzipien als auch seiner endgültigen Schlussfolgerungen behauptet. Diese Entstehung fand im 16.-17. Jahrhundert statt und ist mit den Namen Galileo Galilei, Rene Descartes und Isaac Newton verbunden. Sie waren es, die die „Mathematisierung“ der Natur durchführten und den Grundstein für eine experimentell-mathematische Sicht auf die Natur legten. Sie stellten die Natur als eine Menge „materieller“ Punkte dar, die räumlich-geometrische (Form), quantitativ-mathematische (Anzahl, Größe) und mechanische (Bewegung) Eigenschaften haben und durch Ursache-Wirkungs-Beziehungen verbunden sind, die in mathematischen Gleichungen ausgedrückt werden können .
Den Beginn der Umwandlung der Physik in eine strenge Wissenschaft legte G. Galileo. Galileo formulierte eine Reihe grundlegender Prinzipien und Gesetze der Mechanik. Nämlich:
- Prinzip der Trägheit, Danach ist, wenn sich ein Körper entlang einer horizontalen Ebene bewegt, ohne auf einen Bewegungswiderstand zu stoßen, seine Bewegung gleichmäßig und würde sich ständig fortsetzen, wenn sich die Ebene im Raum ohne Ende ausdehnen würde;
- Relativitätsprinzip, wonach in Inertialsystemen alle Gesetze der Mechanik gleich sind und es im Inneren keine Möglichkeit gibt, festzustellen, ob es sich geradlinig und gleichmäßig bewegt oder ruht;
- Prinzip der Geschwindigkeitserhaltung und Erhaltung räumlicher und zeitlicher Intervalle beim Übergang von einem Inertialsystem zum anderen. Das ist berühmt Galileische Transformation.
Die Mechanik erhielt in den Werken von Isaac Newton eine ganzheitliche Sicht auf ein logisch und mathematisch organisiertes System grundlegender Konzepte, Prinzipien und Gesetze. Zunächst stellt Newton in der Arbeit „Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“ die Konzepte vor: Gewicht oder Menge an Materie, Trägheit oder die Eigenschaft eines Körpers, Veränderungen in seinem Ruhe- oder Bewegungszustand zu widerstehen, Gewicht, als Maß für die Masse, Gewalt oder eine Aktion, die an einem Körper ausgeführt wird, um seinen Zustand zu ändern.
Newton unterschied zwischen absolutem (wahrem, mathematischem) Raum und Zeit, die nicht von den Körpern in ihnen abhängen und immer sich selbst gleich sind, und relativem Raum und relativer Zeit – sich bewegenden Teilen des Raums und messbaren Zeitdauern.
Einen besonderen Platz in Newtons Konzept nimmt die Lehre von ein Schwere oder Schwerkraft, in der er die Bewegung von „Himmelskörpern“ und Erdkörpern kombiniert. Diese Lehre beinhaltet die Aussagen:
Die Schwerkraft eines Körpers ist proportional zur Menge der darin enthaltenen Materie oder Masse;
Die Schwerkraft ist proportional zur Masse;
Schwerkraft bzw Schwere und ist die Kraft, die zwischen der Erde und dem Mond umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen wirkt;
Diese Gravitationskraft wirkt zwischen allen entfernten materiellen Körpern.
Über die Natur der Schwerkraft sagte Newton: „Ich erfinde keine Hypothesen.“
Die Galileo-Newton-Mechanik, entwickelt in den Werken von D. Alembert, Lagrange, Laplace, Hamilton... erhielt schließlich eine harmonische Form, die das physikalische Bild der damaligen Welt bestimmte. Dieses Bild basierte auf den Prinzipien der Selbstidentität des physischen Körpers; seine Unabhängigkeit von Raum und Zeit; Determiniertheit, das heißt eine strikte eindeutige Ursache-Wirkungs-Beziehung zwischen bestimmten Zuständen physischer Körper; Reversibilität aller physikalischen Prozesse.
Thermodynamik.
Studien zum Prozess der Umwandlung von Wärme in Arbeit und zurück, die im 19. Jahrhundert von S. Kalno, R. Mayer, D. Joule, G. Hemholtz, R. Clausius und W. Thomson (Lord Kelvin) durchgeführt wurden, führten zu dem Schlussfolgerungen, über die R. Mayer schrieb: „Bewegung, Wärme..., Elektrizität sind Phänomene, die aneinander gemessen werden und sich nach bestimmten Gesetzen ineinander umwandeln.“ Hemholtz verallgemeinert diese Aussage von Mayer zu der Schlussfolgerung: „Die Summe der in der Natur vorhandenen gespannten und lebendigen Kräfte ist konstant.“ William Thomson verdeutlichte die Konzepte der „intensiven und lebendigen Kräfte“ mit den Konzepten der potenziellen und kinetischen Energie und definierte Energie als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. R. Clausius fasste diese Ideen in der Formulierung zusammen: „Die Energie der Welt ist konstant.“ Somit wurde durch die gemeinsamen Anstrengungen der Physikergemeinschaft ein Grundprinzip für alle physikalischen Systeme geschaffen Kenntnis des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung.
Die Erforschung der Prozesse der Energieerhaltung und -umwandlung führte zur Entdeckung eines weiteren Gesetzes – Gesetz der zunehmenden Entropie. „Der Übergang der Wärme von einem kälteren Körper zu einem wärmeren“, schrieb Clausius, „kann nicht ohne Ausgleich stattfinden.“ Clausius bezeichnete das Maß für die Umwandlungsfähigkeit der Wärme Entropie. Das Wesen der Entropie kommt darin zum Ausdruck, dass in jedem isolierten System Prozesse in der Richtung ablaufen müssen, alle Arten von Energie in Wärme umzuwandeln und gleichzeitig die im System vorhandenen Temperaturunterschiede auszugleichen. Das bedeutet, dass reale physikalische Prozesse irreversibel ablaufen. Das Prinzip, das die Tendenz der Entropie zu einem Maximum angibt, wird als zweiter Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet. Das erste Prinzip ist das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung.
Das Prinzip der zunehmenden Entropie stellte das physikalische Denken vor eine Reihe von Problemen: die Beziehung zwischen der Reversibilität und Irreversibilität physikalischer Prozesse, die Formalität der Energieerhaltung, die bei homogener Körpertemperatur keine Arbeit leisten kann. All dies erforderte eine tiefere Begründung der Prinzipien der Thermodynamik. Zunächst einmal die Natur der Wärme.
Ein Versuch einer solchen Begründung wurde von Ludwig Boltzmann unternommen, der auf der Grundlage der molekular-atomaren Vorstellung von der Natur der Wärme zu dem Schluss kam, dass statistisch die Natur des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, da wir aufgrund der großen Anzahl von Molekülen, aus denen makroskopische Körper bestehen, und der extremen Geschwindigkeit und Zufälligkeit ihrer Bewegung nur beobachten durchschnittliche Werte. Die Bestimmung von Durchschnittswerten ist eine Aufgabe der Wahrscheinlichkeitstheorie. Bei maximalem Temperaturgleichgewicht ist auch das Chaos der molekularen Bewegung maximal, wobei jegliche Ordnung verschwindet. Es stellt sich die Frage: Kann und wenn ja, wie kann aus dem Chaos wieder Ordnung entstehen? Die Physik wird dies erst in hundert Jahren beantworten können, indem sie das Prinzip der Symmetrie und das Prinzip der Synergie einführt.
Elektrodynamik.
Mitte des 19. Jahrhunderts hatte die Physik elektrischer und magnetischer Phänomene einen gewissen Abschluss erreicht. Eine Reihe der wichtigsten Coulomb-Gesetze, das Ampere-Gesetz, das Gesetz der elektromagnetischen Induktion, die Gesetze des Gleichstroms usw. wurden entdeckt. Alle diese Gesetze basierten auf Langstreckenprinzip. Die Ausnahme bildeten die Ansichten von Faraday, der glaubte, dass elektrische Wirkungen durch ein kontinuierliches Medium, also basierend auf, übertragen werden Kurzstreckenprinzip. Basierend auf Faradays Ideen stellt der englische Physiker J. Maxwell das Konzept vor elektromagnetisches Feld und beschreibt den von ihm „entdeckten“ Zustand der Materie in seinen Gleichungen. „... Das elektromagnetische Feld“, schreibt Maxwell, „ist der Teil des Raums, der Körper enthält und umgibt, die sich in einem elektrischen oder magnetischen Zustand befinden.“ Durch die Kombination der elektromagnetischen Feldgleichungen erhält Maxwell die Wellengleichung, aus der die Existenz von hervorgeht Elektromagnetische Wellen, dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Luft gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Die Existenz solcher elektromagnetischer Wellen wurde 1888 vom deutschen Physiker Heinrich Hertz experimentell bestätigt.
Um die Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit Materie zu erklären, stellte der deutsche Physiker Hendrik Anton Lorenz die Existenzhypothese auf Elektron, also ein kleines elektrisch geladenes Teilchen, das in allen schweren Körpern in großen Mengen vorhanden ist. Diese Hypothese erklärte das Phänomen der Aufspaltung von Spektrallinien in einem Magnetfeld, das 1896 vom deutschen Physiker Zeeman entdeckt wurde. Im Jahr 1897 bestätigte Thomson experimentell die Existenz des kleinsten negativ geladenen Teilchens oder Elektrons.
So entstand im Rahmen der klassischen Physik ein recht harmonisches und vollständiges Weltbild, das Bewegung, Schwerkraft, Wärme, Elektrizität und Magnetismus sowie Licht beschreibt und erklärt. Dies veranlasste Lord Kelvin (Thomson) zu der Aussage, dass das Gebäude der Physik fast vollständig sei und nur noch wenige Details fehlten ...
Erstens stellte sich heraus, dass die Maxwell-Gleichungen unter galiläischen Transformationen nicht invariant sind. Zweitens hat die Theorie des Äthers als absolutes Koordinatensystem, an das Maxwells Gleichungen „gebunden“ sind, keine experimentelle Bestätigung gefunden. Das Michelson-Morley-Experiment zeigte, dass es in einem bewegten Koordinatensystem keine Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Richtung gibt Nein. Hendrik Lorentz, ein Befürworter der Bewahrung der Maxwellschen Gleichungen, „band“ diese Gleichungen an den Äther als absoluten Bezugsrahmen, opferte Galileis Relativitätsprinzip und seine Transformationen und formulierte seine eigenen Transformationen. Aus den Transformationen von G. Lorentz folgte, dass räumliche und zeitliche Intervalle beim Übergang von einem Inertialbezugssystem zu einem anderen nichtinvariant sind. Alles wäre gut, aber die Existenz eines absoluten Mediums – des Äthers – wurde, wie erwähnt, experimentell nicht bestätigt. Das ist eine Krise.
Nichtklassische Physik. Spezielle Relativitätstheorie.
Albert Einstein beschreibt in einem gemeinsamen Buch mit L. Infeld die Logik der Entstehung der speziellen Relativitätstheorie: „Lasst uns nun die Tatsachen zusammentragen, die durch Erfahrung ausreichend bestätigt wurden, ohne uns weiter um das Problem der Relativitätstheorie zu kümmern.“ Äther:
1. Die Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum ist immer konstant, unabhängig von der Bewegung der Lichtquelle oder des Lichtempfängers.
2. In zwei Koordinatensystemen, die sich geradlinig und gleichmäßig relativ zueinander bewegen, sind alle Naturgesetze streng gleich, und es gibt keine Möglichkeit, eine absolute geradlinige und gleichmäßige Bewegung zu erfassen ...
Die erste Position drückt die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit aus, die zweite verallgemeinert das für mechanische Phänomene formulierte Relativitätsprinzip von Galileo auf alles, was in der Natur geschieht.“ Einstein stellt fest, dass die Akzeptanz dieser beiden Prinzipien und die Ablehnung des Prinzips der Die Galileische Transformation legte, da sie der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit widerspricht, den Grundstein für den Beginn der speziellen Relativitätstheorie. Zu den akzeptierten zwei Prinzipien: der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und der Äquivalenz aller Trägheitsbezugssysteme, Einstein fügt das Prinzip der Invarianz aller Naturgesetze in Bezug auf die Transformationen von G. Lorentz hinzu. Daher gelten in allen Inertialsystemen die gleichen Gesetze, und der Übergang von einem System zum anderen ist durch Lorentz-Transformationen gegeben. Dies bedeutet, dass die Der Rhythmus einer sich bewegenden Uhr und die Länge der sich bewegenden Stäbe hängen von der Geschwindigkeit ab: Der Stab schrumpft auf Null, wenn seine Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit erreicht, und der Rhythmus der sich bewegenden Uhr verlangsamt sich, die Uhr würde dann vollständig stehen bleiben könnte sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.
Damit wurden Newtons absolute Zeit, Raum und Bewegung, die sozusagen unabhängig von sich bewegenden Körpern und ihrem Zustand waren, aus der Physik eliminiert.
Allgemeine Relativitätstheorie.
In dem bereits zitierten Buch fragt Einstein: „Können wir physikalische Gesetze so formulieren, dass sie für alle Koordinatensysteme gelten, nicht nur für Systeme, die sich geradlinig und gleichmäßig bewegen, sondern auch für Systeme, die sich völlig willkürlich im Verhältnis zueinander bewegen?“ ” . Und er antwortet: „Es stellt sich heraus, dass es möglich ist.“
Nachdem Raum und Zeit in der speziellen Relativitätstheorie ihre „Unabhängigkeit“ von sich bewegenden Körpern und voneinander verloren hatten, schienen sie sich in einem einzigen vierdimensionalen Raum-Zeit-Kontinuum „zu finden“. Der Autor des Kontinuums, der Mathematiker Hermann Minkowski, veröffentlichte 1908 das Werk „Grundlagen der Theorie elektromagnetischer Prozesse“, in dem er argumentierte, dass Raum und Zeit selbst von nun an nur noch in die Rolle von Schatten verbannt werden sollten Eine Art Verbindung beider sollte weiterhin die Unabhängigkeit bewahren. A. Einsteins Idee war stellen alle physikalischen Gesetze als Eigenschaften dar dieses Kontinuums, wie es ist metrisch. Von dieser neuen Position aus betrachtete Einstein Newtons Gravitationsgesetz. Anstatt Schwere er begann zu operieren Schwerkraftfeld. Gravitationsfelder wurden als „Krümmung“ in das Raum-Zeit-Kontinuum einbezogen. Die Kontinuumsmetrik wurde zu einer nichteuklidischen, „Riemannschen“ Metrik. Man begann, die „Krümmung“ des Kontinuums als Ergebnis der Verteilung der sich darin bewegenden Massen zu betrachten. Die neue Theorie erklärte die Flugbahn der Merkurrotation um die Sonne, die nicht mit Newtons Schwerkraftgesetz übereinstimmt, sowie die Ablenkung eines Sternlichtstrahls, der in der Nähe der Sonne vorbeizieht.
Damit wurde das Konzept eines „Trägheitskoordinatensystems“ aus der Physik eliminiert und die Aussage eines verallgemeinert Relativitätsprinzip: Jedes Koordinatensystem eignet sich gleichermaßen zur Beschreibung von Naturphänomenen.
Quantenmechanik.
Das zweite, laut Lord Kelvin (Thomson) fehlende Element zur Vervollständigung des Gebäudes der Physik an der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert war eine schwerwiegende Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment bei der Untersuchung der Gesetze der Wärmestrahlung eines absolut Schwarzen Körper. Nach der vorherrschenden Theorie sollte es kontinuierlich sein, kontinuierlich. Dies führte jedoch zu paradoxen Schlussfolgerungen, beispielsweise zu der Tatsache, dass die von einem schwarzen Körper bei einer bestimmten Temperatur emittierte Gesamtenergie gleich unendlich ist (Rayleigh-Jean-Formel). Um das Problem zu lösen, stellte der deutsche Physiker Max Planck im Jahr 1900 die Hypothese auf, dass Materie nur in endlichen Anteilen (Quanten) Energie abgeben oder absorbieren kann, die proportional zur emittierten (oder absorbierten) Frequenz sind. Die Energie eines Teils (Quanten) E=hn, wobei n die Frequenz der Strahlung und h eine universelle Konstante ist. Plancks Hypothese wurde von Einstein verwendet, um den photoelektrischen Effekt zu erklären. Einstein führte das Konzept eines Lichtquants oder Photons ein. Das hat er auch vorgeschlagen Licht, gemäß Plancks Formel, hat sowohl Wellen- als auch Quanteneigenschaften. Die Physiker begannen, über Welle-Teilchen-Dualität zu sprechen, insbesondere seit 1923 ein weiteres Phänomen entdeckt wurde, das die Existenz von Photonen bestätigte – den Compton-Effekt.
Im Jahr 1924 erweiterte Louis de Broglie die Idee der dualen Korpuskularwellennatur des Lichts auf alle Materieteilchen und führte die Idee ein Wellen der Materie. Von hier aus können wir über die Welleneigenschaften des Elektrons sprechen, beispielsweise über die Elektronenbeugung, die experimentell festgestellt wurden. Die Experimente von R. Feynman mit dem „Beschuss“ von Elektronen auf einen Schild mit zwei Löchern zeigten jedoch, dass es einerseits unmöglich ist, zu sagen, durch welches Loch das Elektron fliegt, d. h. seine Koordinate genau zu bestimmen, und andererseits Andererseits darf das Verteilungsmuster der detektierten Elektronen nicht verzerrt werden, ohne die Art der Interferenz zu stören. Das bedeutet, dass wir entweder die Koordinaten des Elektrons oder seinen Impuls kennen können, aber nicht beides.
Dieses Experiment stellte das eigentliche Konzept eines Teilchens im klassischen Sinne einer präzisen Lokalisierung in Raum und Zeit in Frage.
Die Erklärung des „nichtklassischen“ Verhaltens von Mikropartikeln lieferte erstmals der deutsche Physiker Werner Heisenberg. Letzterer formulierte das Bewegungsgesetz eines Mikroteilchens, wonach die Kenntnis der genauen Koordinate eines Teilchens zu einer völligen Unsicherheit seines Impulses führt und umgekehrt die genaue Kenntnis des Impulses eines Teilchens zu einer völligen Unsicherheit seiner Koordinaten führt. W. Heisenberg stellte den Zusammenhang zwischen den Unsicherheiten der Koordinaten und dem Impuls eines Mikropartikels her:
Dx * DP x ³ h, wobei Dx die Unsicherheit im Koordinatenwert ist; DP x - Unsicherheit im Wert des Impulses; h ist die Plancksche Konstante. Dieses Gesetz und die Unschärferelation heißen Unschärferelation Heisenberg.
Der dänische Physiker Niels Bohr zeigte durch Analyse des Unschärfeprinzips, dass ein Mikroteilchen je nach Versuchsaufbau entweder seine Korpuskularnatur oder seine Wellennatur offenbart. aber nicht beides gleichzeitig. Folglich schließen sich diese beiden Arten von Mikropartikeln gegenseitig aus und sollten gleichzeitig als komplementär zueinander betrachtet werden, und ihre Beschreibung auf der Grundlage von zwei Klassen experimenteller Situationen (Korpuskular und Welle) sollte eine ganzheitliche Beschreibung des Mikropartikels sein. Es gibt kein Teilchen „an sich“, sondern ein System „Teilchen – Gerät“. Diese Schlussfolgerungen von N. Bohr werden aufgerufen Prinzip der Komplementarität.
Im Rahmen dieses Ansatzes erweisen sich Unsicherheit und Zusätzlichkeit nicht als Maß unserer Unwissenheit, sondern objektive Eigenschaften von Mikropartikeln, Mikrowelt als Ganzes. Daraus folgt, dass statistische, probabilistische Gesetze in den Tiefen der physikalischen Realität liegen und die dynamischen Gesetze der eindeutigen Ursache-Wirkungs-Abhängigkeit nur ein besonderer und idealisierter Fall des Ausdrucks statistischer Gesetze sind.
Relativistische Quantenmechanik.
Im Jahr 1927 machte der englische Physiker Paul Dirac darauf aufmerksam, dass zur Beschreibung der Bewegung der damals entdeckten Mikroteilchen Elektron, Proton und Photon, da sie sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, die Anwendung der speziellen Theorie von Relativität ist erforderlich. Dirac stellte eine Gleichung auf, die die Bewegung eines Elektrons beschrieb und dabei die Gesetze der Quantenmechanik und Einsteins Relativitätstheorie berücksichtigte. Für diese Gleichung gab es zwei Lösungen: Eine Lösung ergab ein bekanntes Elektron mit positiver Energie, die andere ergab ein unbekanntes Zwillingselektron, aber mit negativer Energie. So entstand die Idee von zu ihnen symmetrischen Teilchen und Antiteilchen. Dies warf die Frage auf: Ist ein Vakuum leer? Nach Einsteins „Vertreibung“ des Äthers schien dieser zweifellos leer zu sein.
Moderne, bewährte Konzepte gehen davon aus, dass das Vakuum nur im Durchschnitt „leer“ ist. In ihm entstehen und verschwinden ständig eine Vielzahl virtueller Teilchen und Antiteilchen. Dies widerspricht nicht der Unschärferelation, die auch den Ausdruck DE * Dt ³ h hat. Vakuum wird in der Quantenfeldtheorie als der niedrigste Energiezustand eines Quantenfeldes definiert, dessen Energie nur im Durchschnitt Null ist. Das Vakuum ist also „etwas“, das „Nichts“ genannt wird.
Auf dem Weg zur Konstruktion einer einheitlichen Feldtheorie.
Im Jahr 1918 bewies Emmy Noether, dass ein bestimmtes System einen bestimmten Erhaltungswert hat, wenn es bei einer globalen Transformation invariant ist. Daraus folgt, dass das Gesetz der Erhaltung (der Energie) eine Konsequenz ist Symmetrien, in realer Raumzeit existierend.
Symmetrie als philosophisches Konzept bedeutet den Prozess der Existenz und Bildung identischer Momente zwischen verschiedenen und gegensätzlichen Zuständen der Phänomene der Welt. Das bedeutet, dass es bei der Untersuchung der Symmetrie beliebiger Systeme notwendig ist, deren Verhalten bei verschiedenen Transformationen zu berücksichtigen und im gesamten Satz von Transformationen diejenigen zu identifizieren, die sie verlassen unveränderlich, unveränderlich Einige Funktionen entsprechen den betrachteten Systemen.
In der modernen Physik wird das Konzept verwendet Eichsymmetrie. Mit Eichung meinen die Eisenbahner den Übergang von der Schmal- zur Breitspur. Unter Kalibrierung verstand man in der Physik ursprünglich auch eine Änderung des Niveaus oder Maßstabs. In der speziellen Relativitätstheorie ändern sich die Gesetze der Physik hinsichtlich der Translation oder Verschiebung bei der Kalibrierung des Abstands nicht. Bei der Eichsymmetrie führt das Erfordernis der Invarianz zu einer bestimmten spezifischen Art von Wechselwirkung. Folglich ermöglicht uns die Eichinvarianz die Beantwortung der Frage: „Warum und warum gibt es solche Wechselwirkungen in der Natur?“ Derzeit definiert die Physik die Existenz von vier Arten physikalischer Wechselwirkungen: gravitativ, stark, elektromagnetisch und schwach. Sie alle haben Eichcharakter und werden durch Eichsymmetrien beschrieben, bei denen es sich um unterschiedliche Darstellungen von Lie-Gruppen handelt. Dies deutet auf die Existenz einer Primärquelle hin supersymmetrisches Feld, in dem es noch keine Unterscheidung zwischen Interaktionsarten gibt. Die Unterschiede und Wechselwirkungsarten sind das Ergebnis einer spontanen, spontanen Verletzung der Symmetrie des ursprünglichen Vakuums. Die Entwicklung des Universums erscheint dann als synergetischer selbstorganisierender Prozess: Während des Expansionsprozesses aus einem vakuumsupersymmetrischen Zustand erhitzte sich das Universum bis zum „Urknall“. Der weitere Verlauf seiner Geschichte verlief durch kritische Punkte – Bifurkationspunkte, an denen es zu spontanen Verletzungen der Symmetrie des ursprünglichen Vakuums kam. Stellungnahme Selbstorganisation von Systemen durch spontane Verletzung des ursprünglichen Symmetrietyps an Gabelungspunkten und da ist Prinzip der Synergie.
Die Wahl der Richtung der Selbstorganisation an Bifurkationspunkten, also an Punkten spontaner Verletzung der ursprünglichen Symmetrie, ist kein Zufall. Es wird so definiert, als ob es bereits auf der Ebene der Vakuum-Supersymmetrie vorhanden wäre, durch das „Projekt“ einer Person, also das „Projekt“ eines Wesens, das fragt, warum die Welt so ist. Das Anthropisches Prinzip, das 1962 von D. Dicke in der Physik formuliert wurde.
Die Prinzipien der Relativität, Unsicherheit, Komplementarität, Symmetrie, Synergie, des anthropischen Prinzips sowie die Bestätigung der tiefen Grundnatur probabilistischer Ursache-Wirkungs-Abhängigkeiten in Bezug auf dynamische, eindeutige Ursache-Wirkungs-Abhängigkeiten bilden die kategorisch-konzeptionelle Struktur der modernen Gestalt, das Abbild der physischen Realität.
Literatur
1. Akhiezer A.I., Rekalo M.P. Modernes physisches Weltbild. M., 1980.
2. Bohr N. Atomphysik und menschliche Erkenntnis. M., 1961.
3. Bohr N. Kausalität und Komplementarität // Bohr N. Ausgewählte wissenschaftliche Arbeiten in 2 Bänden. T.2. M., 1971.
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8. Einstein A., Infeld L. Evolution der Physik. M., 1965.
Staatliche Universität für Management
Institut für Korrespondenzstudien
Spezialität – Management
nach Disziplin: KSE
„Die Newtonsche Mechanik ist die Grundlage der klassischen Naturbeschreibung. Die Hauptaufgabe der Mechanik und die Grenzen ihrer Anwendbarkeit.“
Vollendet
Studierendenausweis Nr. 1211
Gruppennr. UP4-1-98/2
1. Einleitung.________________________________________________________________ 3
2. Newtonsche Mechanik.__________________________________________ 5
2.1. Newtons Bewegungsgesetze._____________________________________________________________ 5
2.1.1. Newtons erstes Gesetz.________________________________________________ 6
2.1.2. Newtons zweites Gesetz.________________________________________________ 7
2.1.3. Newtons drittes Gesetz._________________________________________________ 8
2.2. Gesetz der universellen Gravitation.__________________________________________ 11
2.3. Die Hauptaufgabe der Mechanik._____________________________________________ 13
2.4. Geltungsgrenzen._____________________________________________________________ 15
3. Fazit.________________________________________________ 18
4. Referenzliste._______________________________________ 20
Newton (1643-1727)
Diese Welt war in tiefe Dunkelheit gehüllt.
Es werde Licht! Und dann erschien Newton.
1. Einleitung.
Der Begriff „Physik“ hat seine Wurzeln in der tiefen Vergangenheit; aus dem Griechischen übersetzt bedeutet er „Natur“. Die Hauptaufgabe dieser Wissenschaft besteht darin, die „Gesetze“ der umgebenden Welt festzulegen. Eines der Hauptwerke von Platon, einem Schüler des Aristoteles, hieß „Physik“.
Die Wissenschaft jener Jahre hatte einen naturphilosophischen Charakter, d.h. ging davon aus, dass die direkt beobachteten Bewegungen der Himmelskörper ihre tatsächlichen Bewegungen sind. Daraus wurde der Rückschluss auf die zentrale Position der Erde im Universum gezogen. Dieses System spiegelte einige Merkmale der Erde als Himmelskörper korrekt wider: dass die Erde eine Kugel ist und dass alles zu ihrem Zentrum hin gravitiert. In dieser Lehre ging es also tatsächlich um die Erde. Es erfüllte auf dem Niveau seiner Zeit die Grundvoraussetzungen für wissenschaftliche Erkenntnisse. Erstens erklärte es die beobachteten Bewegungen von Himmelskörpern aus einem einzigen Blickwinkel und ermöglichte zweitens die Berechnung ihrer zukünftigen Positionen. Gleichzeitig waren die theoretischen Konstruktionen der alten Griechen rein spekulativer Natur – sie waren völlig losgelöst vom Experiment.
Ein solches System existierte bis zum 16. Jahrhundert, bis zum Aufkommen der Lehren von Kopernikus, die in der experimentellen Physik von Galileo ihre weitere Begründung erhielten und in der Schaffung der Newtonschen Mechanik gipfelten, die die Bewegung von Himmelskörpern und irdischen Objekten zu einem einheitlichen System vereinte Bewegungsgesetze. Es war die größte Revolution in der Naturwissenschaft, die den Beginn der Entwicklung der Wissenschaft in ihrem modernen Verständnis markierte.
Galileo Galilei glaubte, dass die Welt unendlich und die Materie ewig sei. Bei allen Prozessen wird nichts zerstört oder erzeugt – es kommt lediglich zu einer Veränderung der relativen Anordnung von Körpern oder ihren Teilen. Materie besteht aus absolut unteilbaren Atomen, ihre Bewegung ist die einzige universelle mechanische Bewegung. Die Himmelskörper ähneln der Erde und gehorchen den gleichen Gesetzen der Mechanik.
Für Newton war es wichtig, durch Experimente und Beobachtungen die Eigenschaften des untersuchten Objekts eindeutig herauszufinden und eine auf Induktion basierende Theorie ohne Hypothesen aufzubauen. Er ging davon aus, dass in der Physik als experimenteller Wissenschaft kein Platz für Hypothesen ist. Er erkannte die Unvollkommenheit der induktiven Methode und hielt sie unter anderen für die vorzuziehende.
Sowohl in der Antike als auch im 17. Jahrhundert erkannte man die Bedeutung der Erforschung der Bewegung von Himmelskörpern. Hatte dieses Problem für die alten Griechen jedoch eher eine philosophische Bedeutung, so überwiegte im 17. Jahrhundert der praktische Aspekt. Die Entwicklung der Navigation erforderte die Entwicklung genauerer astronomischer Tabellen für Navigationszwecke im Vergleich zu denen, die für astrologische Zwecke erforderlich sind. Die Hauptaufgabe bestand darin, den für Astronomen und Navigatoren so wichtigen Längengrad zu bestimmen. Um dieses wichtige praktische Problem zu lösen, wurden die ersten staatlichen Observatorien geschaffen (Pariser Observatorien 1672, Greenwich 1675). Im Wesentlichen ging es dabei um die Bestimmung der absoluten Zeit, die im Vergleich zur Ortszeit ein Zeitintervall ergab, das in Längengrade umgerechnet werden konnte. Diese Zeit könnte durch Beobachtung der Bewegungen des Mondes zwischen den Sternen sowie durch Verwendung einer genauen Uhr bestimmt werden, die nach der absoluten Zeit eingestellt und vom Beobachter geführt wird. Im ersten Fall waren sehr genaue Tabellen zur Vorhersage der Position von Himmelskörpern erforderlich, im zweiten Fall absolut genaue und zuverlässige Uhrwerke. Die Arbeit in diese Richtungen war nicht erfolgreich. Eine Lösung konnte erst Newton finden, der dank der Entdeckung des Gesetzes der universellen Gravitation und der drei Grundgesetze der Mechanik sowie der Differential- und Integralrechnung der Mechanik den Charakter einer integralen wissenschaftlichen Theorie verlieh.
2. Newtonsche Mechanik.
Der Höhepunkt von I. Newtons wissenschaftlicher Kreativität ist sein unsterbliches Werk „Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“, das erstmals 1687 veröffentlicht wurde. Darin fasste er die Ergebnisse seiner Vorgänger und seiner eigenen Forschungen zusammen und schuf erstmals ein einheitliches, harmonisches System der Erd- und Himmelsmechanik, das die Grundlage der gesamten klassischen Physik bildete. Hier definierte Newton die ursprünglichen Konzepte – die der Masse entsprechende Materiemenge, die Dichte; Impuls äquivalent zu Impuls und verschiedenen Arten von Kraft. Bei der Formulierung des Konzepts der Materiemenge ging er von der Idee aus, dass Atome aus einer einzigen Primärmaterie bestehen; Unter Dichte wurde der Grad der Füllung einer Volumeneinheit eines Körpers mit Primärmaterie verstanden. Dieses Werk legt Newtons Lehre von der universellen Gravitation dar, auf deren Grundlage er die Theorie der Bewegung von Planeten, Satelliten und Kometen entwickelte, die das Sonnensystem bilden. Basierend auf diesem Gesetz erklärte er das Phänomen der Gezeiten und der Kompression des Jupiter.
Newtons Konzept war im Laufe der Zeit die Grundlage für viele technologische Fortschritte. Auf seiner Grundlage wurden viele Methoden der wissenschaftlichen Forschung in verschiedenen Bereichen der Naturwissenschaften entwickelt.
2.1. Newtons Bewegungsgesetze.
Wenn die Kinematik die Bewegung eines geometrischen Körpers untersucht, der keine Eigenschaften eines materiellen Körpers besitzt, außer der Eigenschaft, einen bestimmten Platz im Raum einzunehmen und diese Position im Laufe der Zeit zu ändern, dann untersucht die Dynamik die Bewegung realer Körper unter dem Einfluss der auf sie ausgeübten Kräfte. Die drei von Newton aufgestellten Gesetze der Mechanik liegen der Dynamik zugrunde und bilden den Hauptzweig der klassischen Mechanik.
Sie können direkt auf den einfachsten Bewegungsfall angewendet werden, wenn ein bewegter Körper als materieller Punkt betrachtet wird, d. h. wenn die Größe und Form des Körpers nicht berücksichtigt wird und wenn die Bewegung des Körpers als Bewegung eines Punktes mit Masse betrachtet wird. In kochendem Wasser können Sie zur Beschreibung der Bewegung eines Punktes ein beliebiges Koordinatensystem wählen, relativ zu dem die diese Bewegung charakterisierenden Größen bestimmt werden. Als Referenzkörper kann jeder Körper gelten, der sich relativ zu anderen Körpern bewegt. In der Dynamik beschäftigen wir uns mit inertialen Koordinatensystemen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sich relativ zu ihnen ein freier materieller Punkt mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.
2.1.1. Newtons erstes Gesetz.
Das Trägheitsgesetz wurde erstmals von Galilei für den Fall der horizontalen Bewegung aufgestellt: Wenn sich ein Körper entlang einer horizontalen Ebene bewegt, ist seine Bewegung gleichmäßig und würde sich ständig fortsetzen, wenn sich die Ebene im Raum ohne Ende ausdehnen würde. Newton formulierte das Trägheitsgesetz als erstes Bewegungsgesetz allgemeiner: Jeder Körper bleibt in einem Ruhezustand oder einer gleichmäßigen linearen Bewegung, bis die auf ihn einwirkenden Kräfte diesen Zustand ändern.
Im Leben beschreibt dieses Gesetz den Fall, dass, wenn man aufhört, einen sich bewegenden Körper zu ziehen oder zu schieben, dieser anhält und sich nicht mit konstanter Geschwindigkeit weiterbewegt. So bleibt ein Auto mit ausgeschaltetem Motor stehen. Nach dem Newtonschen Gesetz muss eine Bremskraft auf ein rollendes Auto aufgrund der Trägheit wirken, die in der Praxis aus dem Luftwiderstand und der Reibung der Autoreifen auf der Straßenoberfläche besteht. Sie verleihen dem Auto eine negative Beschleunigung, bis es zum Stillstand kommt.
Der Nachteil dieser Gesetzesformulierung besteht darin, dass sie keinen Hinweis auf die Notwendigkeit enthielt, Bewegung mit einem Trägheitskoordinatensystem in Beziehung zu setzen. Tatsache ist, dass Newton nicht das Konzept eines Trägheitskoordinatensystems verwendete, sondern das Konzept des absoluten Raums – homogen und bewegungslos – einführte, mit dem er ein bestimmtes absolutes Koordinatensystem verband, relativ zu dem die Geschwindigkeit des Körpers bestimmt wurde . Als die Leere des absoluten Raums als absolutes Bezugssystem offenbart wurde, begann man, das Trägheitsgesetz anders zu formulieren: Relativ zum Trägheitskoordinatensystem behält ein freier Körper einen Ruhezustand oder eine gleichmäßige geradlinige Bewegung bei.
2.1.2. Newtons zweites Gesetz.
Bei der Formulierung des zweiten Hauptsatzes führte Newton die Konzepte ein:
Beschleunigung ist eine Vektorgröße (Newton nannte sie Impuls und berücksichtigte sie bei der Formulierung der Geschwindigkeitsparallelogrammregel), die die Änderungsrate der Geschwindigkeit eines Körpers bestimmt.
Kraft ist eine Vektorgröße, verstanden als Maß für die mechanische Einwirkung anderer Körper oder Felder auf einen Körper, wodurch der Körper eine Beschleunigung erhält oder seine Form und Größe verändert.
Die Körpermasse ist eine physikalische Größe – eine der Haupteigenschaften der Materie und bestimmt ihre Trägheits- und Gravitationseigenschaften.
Der zweite Hauptsatz der Mechanik besagt: Die auf einen Körper wirkende Kraft ist gleich dem Produkt aus der Masse des Körpers und der durch diese Kraft ausgeübten Beschleunigung. Das ist seine moderne Formulierung. Newton hat es anders formuliert: Die Impulsänderung ist proportional zur wirkenden Kraft und erfolgt in Richtung der Geraden, entlang der diese Kraft wirkt, und umgekehrt proportional zur Masse des Körpers, oder mathematisch:
Dieses Gesetz lässt sich experimentell leicht bestätigen: Wenn Sie einen Wagen am Ende einer Feder befestigen und die Feder loslassen, dann mit der Zeit T Der Wagen wird die Strecke zurücklegen s 1(Abb. 1), dann befestigen Sie zwei Laufkatzen an derselben Feder, d.h. Verdoppeln Sie Ihr Körpergewicht und lassen Sie die Feder los, dann gleichzeitig T Sie werden die Distanz gehen s 2, zweimal weniger als s 1 .
Auch dieses Gesetz gilt nur in Inertialbezugssystemen. Der erste Hauptsatz ist aus mathematischer Sicht ein Sonderfall des zweiten Hauptsatzes, denn wenn die resultierenden Kräfte Null sind, ist auch die Beschleunigung Null. Das erste Newtonsche Gesetz gilt jedoch als unabhängiges Gesetz, weil Er behauptet die Existenz von Inertialsystemen.
2.1.3. Newtons drittes Gesetz.
Newtons drittes Gesetz besagt: Eine Aktion hat immer eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion, andernfalls wirken Körper aufeinander mit Kräften ein, die entlang derselben Geraden gerichtet, gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind, oder mathematisch:
Newton erweiterte die Wirkung dieses Gesetzes sowohl auf den Fall der Kollision von Körpern als auch auf den Fall ihrer gegenseitigen Anziehung. Die einfachste Demonstration dieses Gesetzes ist ein Körper, der sich auf einer horizontalen Ebene befindet und der Schwerkraft unterliegt F t und Bodenreaktionskraft F o, auf derselben Geraden liegend, gleichwertig und entgegengesetzt gerichtet, ermöglicht die Gleichheit dieser Kräfte, dass der Körper ruht (Abb. 2).
Folgerungen ergeben sich aus den drei grundlegenden Bewegungsgesetzen Newtons, von denen eines die Impulsaddition gemäß der Parallelogrammregel ist. Die Beschleunigung eines Körpers hängt von den Größen ab, die die Einwirkung anderer Körper auf einen bestimmten Körper charakterisieren, sowie von den Größen, die die Eigenschaften dieses Körpers bestimmen. Die mechanische Einwirkung anderer Körper auf einen Körper, die die Bewegungsgeschwindigkeit eines bestimmten Körpers verändert, wird als Kraft bezeichnet. Es kann unterschiedlicher Natur sein (Schwerkraft, elastische Kraft usw.). Die Änderung der Geschwindigkeit eines Körpers hängt nicht von der Art der Kräfte ab, sondern von deren Größe. Da Geschwindigkeit und Kraft Vektoren sind, summiert sich die Wirkung mehrerer Kräfte nach der Parallelogrammregel. Die Eigenschaft eines Körpers, von der die Beschleunigung abhängt, die er erhält, ist die Trägheit, gemessen an der Masse. In der klassischen Mechanik, die sich mit Geschwindigkeiten befasst, die deutlich unter der Lichtgeschwindigkeit liegen, ist die Masse eine Eigenschaft des Körpers selbst, unabhängig davon, ob er sich bewegt oder nicht. Die Masse eines Körpers hängt in der klassischen Mechanik nicht von der Wechselwirkung des Körpers mit anderen Körpern ab. Diese Eigenschaft der Masse veranlasste Newton dazu, die Masse als Maß für die Materie zu nehmen und zu glauben, dass ihre Größe die Menge der Materie in einem Körper bestimmt. Daher wurde unter Masse die Menge der Materie verstanden.
Die Menge an Materie kann gemessen werden, da sie proportional zum Gewicht des Körpers ist. Gewicht ist die Kraft, mit der ein Körper auf eine Unterlage einwirkt und ihn daran hindert, frei zu fallen. Numerisch ist das Gewicht gleich dem Produkt aus Körpermasse und Erdbeschleunigung. Aufgrund der Kompression der Erde und ihrer täglichen Rotation ändert sich das Körpergewicht mit der Breite und ist am Äquator 0,5 % geringer als an den Polen. Da Masse und Gewicht streng proportional sind, war eine praktische Messung der Masse oder Menge einer Materie möglich. Die Erkenntnis, dass Gewicht eine variable Wirkung auf den Körper ist, veranlasste Newton, eine innere Eigenschaft des Körpers zu etablieren – die Trägheit, die er als die inhärente Fähigkeit des Körpers ansah, eine gleichmäßige lineare Bewegung proportional zur Masse aufrechtzuerhalten. Die Masse als Maß für die Trägheit kann wie Newton mit einer Waage gemessen werden.
Im Zustand der Schwerelosigkeit kann die Masse anhand der Trägheit gemessen werden. Die Trägheitsmessung ist eine gängige Methode zur Massenmessung. Aber Trägheit und Gewicht sind unterschiedliche physikalische Konzepte. Ihre Proportionalität zueinander ist praktisch sehr praktisch – zur Massenmessung mittels Waage. Die Festlegung der Konzepte von Kraft und Masse sowie der Methode zu deren Messung ermöglichte es Newton, das zweite Gesetz der Mechanik zu formulieren.
Das erste und zweite Gesetz der Mechanik beziehen sich jeweils auf die Bewegung eines materiellen Punktes oder eines Körpers. In diesem Fall wird nur die Einwirkung anderer Körper auf einen bestimmten Körper berücksichtigt. Allerdings ist jede Aktion eine Interaktion. Da in der Mechanik eine Wirkung durch Kraft gekennzeichnet ist, wirkt dann, wenn ein Körper mit einer bestimmten Kraft auf einen anderen einwirkt, der zweite mit der gleichen Kraft auf den ersten, was durch das dritte Gesetz der Mechanik festgelegt ist. In Newtons Formulierung gilt das dritte Gesetz der Mechanik nur für den Fall der direkten Wechselwirkung von Kräften oder wenn die Wirkung eines Körpers sofort auf einen anderen übertragen wird. Bei einer Klageübertragung über einen endlichen Zeitraum hinweg gilt dieses Gesetz dann, wenn der Zeitpunkt der Klageübertragung vernachlässigbar ist.
2.2. Das Gesetz der universellen Gravitation.
Es wird angenommen, dass der Kern der Newtonschen Dynamik das Konzept der Kraft ist und die Hauptaufgabe der Dynamik darin besteht, das Gesetz aus einer gegebenen Bewegung zu ermitteln und umgekehrt das Gesetz der Bewegung von Körpern auf der Grundlage einer gegebenen Kraft zu bestimmen. Aus den Keplerschen Gesetzen leitete Newton die Existenz einer auf die Sonne gerichteten Kraft ab, die umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung der Planeten von der Sonne war. Nachdem er die Ideen von Kepler, Huygens, Descartes, Borelli, Hooke verallgemeinert hatte, gab Newton ihnen die genaue Form eines mathematischen Gesetzes, nach dem die Existenz der Kraft der universellen Schwerkraft in der Natur behauptet wurde, die die Anziehungskraft von Körpern bestimmt. Die Schwerkraft ist direkt proportional zum Produkt der Massen der gravitierenden Körper und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen, oder mathematisch:
Wobei G die Gravitationskonstante ist.
Dieses Gesetz beschreibt die Wechselwirkung beliebiger Körper – wichtig ist nur, dass der Abstand zwischen den Körpern im Verhältnis zu ihrer Größe groß genug ist, damit die Körper als materielle Punkte akzeptiert werden können. In Newtons Gravitationstheorie wird angenommen, dass die Schwerkraft von einem gravitierenden Körper auf einen anderen sofort und ohne die Vermittlung irgendwelcher Medien übertragen wird. Das Gesetz der universellen Gravitation hat lange und heftige Debatten ausgelöst. Dies war kein Zufall, da dieses Gesetz eine wichtige philosophische Bedeutung hatte. Der Punkt war, dass das Ziel der Erstellung physikalischer Theorien vor Newton darin bestand, den Mechanismus physikalischer Phänomene in all seinen Details zu identifizieren und darzustellen. In Fällen, in denen dies nicht möglich war, wurde das Argument der sogenannten „verborgenen Eigenschaften“ vorgebracht, die sich nicht für eine detaillierte Interpretation eignen. Bacon und Descartes erklärten Verweise auf „verborgene Qualitäten“ für unwissenschaftlich. Descartes glaubte, dass das Wesen eines Naturphänomens nur verstanden werden kann, wenn man es sich visuell vorstellt. So stellte er die Phänomene der Schwerkraft mit Hilfe ätherischer Wirbel dar. Im Kontext der weit verbreiteten Verbreitung solcher Ideen wurde Newtons Gesetz der universellen Gravitation, obwohl es die Übereinstimmung der auf seiner Grundlage gemachten astronomischen Beobachtungen mit beispielloser Genauigkeit bewies, mit der Begründung in Frage gestellt, dass die gegenseitige Anziehung von Körpern sehr ähnlich sei der peripatetischen Lehre von „verborgenen Eigenschaften“. Und obwohl Newton die Tatsache ihrer Existenz auf der Grundlage mathematischer Analysen und experimenteller Daten feststellte, ist die mathematische Analyse als ausreichend zuverlässige Methode noch nicht fest im Bewusstsein der Forscher verankert. Aber der Wunsch, die physikalische Forschung auf Tatsachen zu beschränken, die keinen Anspruch auf absolute Wahrheit erheben, ermöglichte es Newton, die Bildung der Physik als eigenständige Wissenschaft zu vollenden und sie von der Naturphilosophie mit ihrem Anspruch auf absolutes Wissen zu trennen.
Mit dem Gesetz der universellen Gravitation erhielt die Wissenschaft ein Modell des Naturgesetzes als einer absolut präzisen, ausnahmslos überall anwendbaren Regel mit genau definierten Konsequenzen. Dieses Gesetz wurde von Kant in seine Philosophie aufgenommen, in der die Natur als das Reich der Notwendigkeit im Gegensatz zur Moral – das Reich der Freiheit – dargestellt wurde.
Newtons physikalisches Konzept war eine Art Krönung der Physik des 17. Jahrhunderts. Der statische Zugang zum Universum wurde durch einen dynamischen ersetzt. Die experimentell-mathematische Forschungsmethode, die die Lösung vieler Probleme der Physik des 17. Jahrhunderts ermöglichte, erwies sich noch zwei Jahrhunderte lang als geeignet zur Lösung physikalischer Probleme.
2.3. Die Hauptaufgabe der Mechanik.
Das Ergebnis der Entwicklung der klassischen Mechanik war die Schaffung eines einheitlichen mechanischen Weltbildes, in dessen Rahmen die gesamte qualitative Vielfalt der Welt durch Unterschiede in der Bewegung von Körpern erklärt wurde, die den Gesetzen der Newtonschen Mechanik unterliegen. Nach dem mechanischen Weltbild galt eine solche Erklärung als wissenschaftlich, wenn das physikalische Phänomen der Welt auf der Grundlage der Gesetze der Mechanik erklärt werden konnte. Damit wurde Newtons Mechanik zur Grundlage des mechanischen Weltbildes, das bis zur wissenschaftlichen Revolution an der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert dominierte.
Newtons Mechanik ermöglichte im Gegensatz zu früheren mechanischen Konzepten die Lösung des Problems jedes Bewegungsstadiums, sowohl des vorherigen als auch des nachfolgenden, und an jedem Punkt im Raum mit bekannten Tatsachen, die diese Bewegung verursachten, sowie das umgekehrte Problem der Bestimmung der Größe und Wirkungsrichtung dieser Faktoren an jedem Punkt mit bekannten Grundelementen der Bewegung. Dadurch konnte die Newtonsche Mechanik als Methode zur quantitativen Analyse mechanischer Bewegung eingesetzt werden. Alle physikalischen Phänomene könnten unabhängig von den sie verursachenden Faktoren untersucht werden. Sie können beispielsweise die Geschwindigkeit eines Erdsatelliten berechnen: Der Einfachheit halber ermitteln wir die Geschwindigkeit eines Satelliten mit einer Umlaufbahn, die dem Radius der Erde entspricht (Abb. 3). Mit ausreichender Genauigkeit können wir die Beschleunigung des Satelliten mit der Erdbeschleunigung gleichsetzen:
Zum anderen die Zentripetalbeschleunigung des Satelliten.
Wo . – Diese Geschwindigkeit wird als erste Fluchtgeschwindigkeit bezeichnet. Ein Körper beliebiger Masse, dem eine solche Geschwindigkeit verliehen wird, wird zu einem Satelliten der Erde.
Die Gesetze der Newtonschen Mechanik beziehen sich auf Kraft nicht auf Bewegung, sondern auf eine Bewegungsänderung. Dies ermöglichte es, die traditionelle Vorstellung, dass Kraft zur Aufrechterhaltung der Bewegung erforderlich sei, aufzugeben und der Reibung, die in bestehenden Mechanismen zur Aufrechterhaltung der Bewegung erforderlich war, eine untergeordnete Rolle zuzuweisen. Newton etablierte ein dynamisches Weltbild anstelle des traditionellen statischen und machte seine Dynamik zur Grundlage der theoretischen Physik. Obwohl Newton bei der mechanischen Interpretation von Naturphänomenen Vorsicht walten ließ, hielt er es dennoch für wünschenswert, andere Naturphänomene aus den Prinzipien der Mechanik abzuleiten. Die Weiterentwicklung der Physik begann in Richtung einer Weiterentwicklung des mechanischen Apparats in Bezug auf die Lösung spezifischer Probleme, da mit deren Lösung das mechanische Bild der Welt stärker wurde.
2.4. Grenzen der Anwendbarkeit.
Durch die Entwicklung der Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde der Anwendungsbereich der klassischen Mechanik festgelegt: Ihre Gesetze gelten für Bewegungen, deren Geschwindigkeit deutlich geringer als die Lichtgeschwindigkeit ist. Es wurde festgestellt, dass mit zunehmender Geschwindigkeit die Körpermasse zunimmt. Im Allgemeinen gelten die Newtonschen Gesetze der klassischen Mechanik für den Fall inertialer Bezugssysteme. Bei nichtinertialen Bezugssystemen ist die Situation anders. Bei der beschleunigten Bewegung eines nicht-inertialen Koordinatensystems relativ zu einem Inertialsystem gilt das erste Newtonsche Gesetz (Trägheitsgesetz) in diesem System nicht – freie Körper darin ändern ihre Bewegungsgeschwindigkeit im Laufe der Zeit.
Die erste Diskrepanz in der klassischen Mechanik wurde mit der Entdeckung des Mikrokosmos offenbart. In der klassischen Mechanik wurden Bewegungen im Raum und die Bestimmung von Geschwindigkeiten untersucht, unabhängig davon, wie diese Bewegungen realisiert wurden. In Bezug auf die Phänomene der Mikrowelt ist eine solche Situation, wie sich herausstellte, grundsätzlich unmöglich. Hier ist eine der Kinematik zugrunde liegende räumlich-zeitliche Lokalisierung nur für einige Sonderfälle möglich, die von bestimmten dynamischen Bewegungsbedingungen abhängen. Im Makromaßstab ist der Einsatz von Kinematik durchaus akzeptabel. Für Mikroskalen, in denen Quanten die Hauptrolle spielen, verliert die Kinematik, die Bewegung unabhängig von dynamischen Bedingungen untersucht, ihre Bedeutung.
Auch für die Größenordnung der Mikrowelt erwies sich Newtons zweites Gesetz als unhaltbar – es gilt nur für großräumige Phänomene. Es zeigte sich, dass Versuche, eine beliebige Größe zu messen, die das untersuchte System charakterisiert, eine unkontrollierte Änderung anderer dieses System charakterisierender Größen mit sich bringt: Wird versucht, eine Position in Raum und Zeit festzulegen, führt dies zu einer unkontrollierten Änderung der entsprechenden konjugierten Größe , die die dynamischen Zustandssysteme bestimmt. Daher ist es unmöglich, zwei zueinander konjugierte Größen gleichzeitig genau zu messen. Je genauer der Wert einer ein System charakterisierenden Größe bestimmt wird, desto unsicherer erweist sich der Wert der zugehörigen Größe. Dieser Umstand führte zu einer erheblichen Änderung der Ansichten über das Verständnis der Natur der Dinge.
Die Inkonsistenz in der klassischen Mechanik beruhte auf der Tatsache, dass die Zukunft gewissermaßen vollständig in der Gegenwart enthalten ist – dies bestimmt die Möglichkeit, das Verhalten eines Systems zu jedem zukünftigen Zeitpunkt genau vorherzusagen. Diese Möglichkeit bietet die gleichzeitige Bestimmung zueinander konjugierter Größen. Im Bereich der Mikrowelt erwies sich dies als unmöglich, was das Verständnis der Vorhersagemöglichkeiten und der Zusammenhänge von Naturphänomenen erheblich verändert: Denn der Wert von Größen, die den Zustand eines Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt charakterisieren kann nur mit einem gewissen Maß an Unsicherheit festgestellt werden, dann ist die Möglichkeit einer genauen Vorhersage der Werte dieser Größen in nachfolgenden Zeiträumen zu bestimmten Zeitpunkten ausgeschlossen, d. h. Man kann nur die Wahrscheinlichkeit vorhersagen, bestimmte Werte zu erhalten.
Eine weitere Entdeckung, die die Grundlagen der klassischen Mechanik erschütterte, war die Schaffung der Feldtheorie. Die klassische Mechanik versuchte, alle Naturphänomene auf Kräfte zu reduzieren, die zwischen Materieteilchen wirken – darauf basierte das Konzept der elektrischen Flüssigkeiten. Im Rahmen dieses Konzepts waren nur die Substanz und ihre Veränderungen real – hier war das Wichtigste die Beschreibung der Wirkung zweier elektrischer Ladungen mit Hilfe von damit verbundenen Konzepten. Die Beschreibung des Feldes zwischen diesen Ladungen und nicht der Ladungen selbst war für das Verständnis der Wirkung der Ladungen sehr wichtig. Hier ist ein einfaches Beispiel für eine Verletzung des dritten Newtonschen Gesetzes unter solchen Bedingungen: Wenn sich ein geladenes Teilchen von einem stromdurchflossenen Leiter entfernt und dementsprechend ein Magnetfeld um ihn herum entsteht, dann übt das geladene Teilchen eine resultierende Kraft aus der stromdurchflossene Leiter ist genau Null.
Die geschaffene neue Realität hatte im mechanischen Weltbild keinen Platz. Infolgedessen begann sich die Physik mit zwei Realitäten auseinanderzusetzen – Materie und Feld. Wenn die klassische Physik auf dem Konzept der Materie basierte, musste mit der Identifizierung einer neuen Realität das physikalische Bild der Welt überarbeitet werden. Versuche, elektromagnetische Phänomene mit dem Äther zu erklären, erwiesen sich als unhaltbar. Äther konnte experimentell nicht nachgewiesen werden. Dies führte zur Entstehung der Relativitätstheorie, die uns dazu zwang, die für die klassische Physik charakteristischen Konzepte von Raum und Zeit zu überdenken. So wurden zwei Konzepte – die Quantentheorie und die Relativitätstheorie – zur Grundlage neuer physikalischer Konzepte.
3. Fazit.
Newtons Beitrag zur Entwicklung der Naturwissenschaften bestand darin, dass er eine mathematische Methode zur Umwandlung physikalischer Gesetze in quantifizierbare Ergebnisse bereitstellte, die durch Beobachtungen bestätigt werden konnten, und umgekehrt zur Ableitung physikalischer Gesetze aus solchen Beobachtungen. Wie er selbst im Vorwort zu „Prinzipien“ schrieb: „... wir schlagen diese Arbeit als mathematische Grundlagen der Physik vor. Die ganze Schwierigkeit der Physik ... besteht darin, die Kräfte der Natur aus den Bewegungsphänomenen zu erkennen und dann.“ Diese Kräfte nutzen, um die verbleibenden Phänomene zu erklären ... Es wäre wünschenswert, aus den Prinzipien der Mechanik die übrigen Naturphänomene abzuleiten und dabei auf ähnliche Weise zu argumentieren, denn vieles lässt mich annehmen, dass alle diese Phänomene durch bestimmte Kräfte bestimmt werden mit denen die Teilchen von Körpern aus noch unbekannten Gründen entweder zueinander neigen und sich zu regelmäßigen Figuren verschränken oder sich gegenseitig abstoßen und voneinander entfernen. Da diese Kräfte unbekannt sind, sind die Versuche der Philosophen, Naturphänomene zu erklären, bis heute unbekannt sind ergebnislos geblieben. Ich hoffe jedoch, dass entweder diese Argumentationsmethode oder eine andere, korrektere, die hier angeführten Gründe etwas Aufschluss geben werden.“
Newtons Methode wurde zum wichtigsten Werkzeug zum Verständnis der Natur. Die Gesetze der klassischen Mechanik und Methoden der mathematischen Analyse haben ihre Wirksamkeit bewiesen. Das auf Messtechnik basierende physikalische Experiment gewährleistete eine beispiellose Genauigkeit. Physikalisches Wissen wurde zunehmend zur Grundlage der Industrietechnik und des Ingenieurwesens und stimulierte die Entwicklung anderer Naturwissenschaften. In der Physik wurden bisher isolierte Licht-, Elektrizitäts-, Magnetismus- und Wärmetheorien zur elektromagnetischen Theorie zusammengefasst. Und obwohl die Natur der Schwerkraft unklar blieb, konnten ihre Wirkungen berechnet werden. Das Konzept des mechanistischen Determinismus von Laplace wurde etabliert, basierend auf der Möglichkeit, das Verhalten eines Systems zu jedem Zeitpunkt eindeutig zu bestimmen, wenn die Anfangsbedingungen bekannt sind. Die Struktur der Mechanik als Wissenschaft schien solide, zuverlässig und nahezu vollständig abgeschlossen – d. h. Die aufgetretenen Phänomene, die nicht in den bestehenden klassischen Kanon passten, schienen in Zukunft von anspruchsvolleren Köpfen vom Standpunkt der klassischen Mechanik aus durchaus erklärbar zu sein. Man hatte den Eindruck, dass die Kenntnisse der Physik kurz vor ihrer vollständigen Vollendung standen – eine solch mächtige Kraft wurde durch die Grundlagen der klassischen Physik demonstriert.
4. Referenzliste.
1. Karpenkov S.Kh. Grundbegriffe der Naturwissenschaft. M.: UNITY, 1998.
2. Newton und philosophische Probleme der Physik des 20. Jahrhunderts. Autorenteam hrsg. M.D. Akhundova, S.V. Illarionow. M.: Nauka, 1991.
3. Gursky I.P. Elementare Physik. M.: Nauka, 1984.
4. Große sowjetische Enzyklopädie in 30 Bänden. Ed. Prokhorova A.M., 3. Auflage, M., Sowjetische Enzyklopädie, 1970.
5. Dorfman Ya.G. Weltgeschichte der Physik vom Anfang des 19. bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts. M., 1979.
S. Marshak, op. in 4 Bänden, Moskau, Goslitizdat, 1959, Bd. 3, S. 601
Zitat von: Bernal J. Wissenschaft in der Geschichte der Gesellschaft. M., 1956.S.265
