Historie klasické mechaniky - History of classical mechanics

Tento článek se zabývá historií klasické mechaniky .

Předchůdci klasické mechaniky

Starověk

Aristotelovy pohybové zákony. Ve fyzice uvádí, že objekty padají rychlostí úměrnou jejich hmotnosti a nepřímo úměrnou hustotě tekutiny, do které jsou ponořeny. Toto je správná aproximace pro objekty v gravitačním poli Země pohybující se vzduchem nebo vodou.

Starověcí řečtí filozofové , zejména Aristoteles , byli mezi prvními, kteří navrhli, aby se přírodní principy řídily příroda. Aristoteles tvrdil v knize On the Heavens , že pozemská těla stoupají nebo klesají na své „přirozené místo“, a uvedl jako zákon správnou aproximaci, že rychlost pádu předmětu je úměrná jeho hmotnosti a nepřímo úměrná hustotě tekutiny, kterou je propadnutí. Aristoteles věřil v logiku a pozorování, ale trvalo by více než osmnáct set let, než Francis Bacon poprvé vyvinul vědeckou metodu experimentování, kterou nazval stísněním přírody .

Aristoteles viděl rozdíl mezi „přirozeným pohybem“ a „nuceným pohybem“ a věřil, že „v prázdnotě“, tj. Vakuu , těleso v klidu zůstane v klidu a tělo v pohybu bude mít stále stejný pohyb. Tímto způsobem se Aristoteles jako první přiblížil něčemu podobnému zákonu setrvačnosti. Věřil však, že vakuum bude nemožné, protože okolní vzduch by spěchal, aby ho okamžitě naplnil. Věřil také, že se předmět přestane pohybovat nepřirozeným směrem, jakmile budou odstraněny aplikované síly. Později Aristotelians vyvinuli komplikované vysvětlení, proč šíp pokračuje v letu vzduchem poté, co opustil luk, a navrhl, aby šíp po svém probuzení vytvořil vakuum, do kterého se řítí vzduch a tlačí ho zezadu. Aristotelova víra byla ovlivněna Platónovým učením o dokonalosti kruhových rovnoměrných pohybů nebes. V důsledku toho pojal přirozený řád, ve kterém byly pohyby nebes nutně dokonalé, na rozdíl od pozemského světa měnících se prvků, kde jednotlivci začínají být a mizí.

Existuje další tradice, která sahá až do starověkých Řeků, kde se k analýze přírody používá matematika; příklady zahrnují Euclid ( optika ), Archimedes ( o rovnováze rovin , o plovoucích tělesech ) a Ptolemaios ( optika , harmonické ). Později na těchto dílech stavěli islámští a byzantští učenci a ti byli nakonec znovu zavedeni nebo se stali dostupnými Západu ve 12. století a znovu během renesance .

Středověká myšlenka

Perský islámský polymath Ibn Sīnā publikoval svou teorii pohybu v knize uzdravení (1020). Řekl, že vrhač uděluje projektilu impuls a pohlížel na něj jako na trvalý, který vyžaduje vnější síly, jako je odpor vzduchu, aby jej rozptýlil. Ibn Sina rozlišoval mezi „silou“ a „sklonem“ (nazývanou „májka“) a tvrdil, že předmět získal máj, když je objekt v opozici vůči jeho přirozenému pohybu. Došel tedy k závěru, že pokračování pohybu je přičítáno sklonu, který je na předmět přenesen, a že předmět bude v pohybu, dokud se nevyčerpá máj. Také tvrdil, že projektil ve vakuu se nezastaví, pokud se s ním nebude jednat. Toto pojetí pohybu je v souladu s Newtonovým prvním pohybovým zákonem, setrvačností. Který uvádí, že předmět v pohybu zůstane v pohybu, pokud na něj nepůsobí vnější síla. Tuto myšlenku, která se rozcházela s aristotelským pohledem, později John Buridan , který byl ovlivněn knihou Ibn Siny o léčení, později popsal jako „impuls“ .

Ve 12. století Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi přijal a upravil Avicennovu teorii o pohybu střel . Ve svém Kitab al-Mu'tabar Abu'l-Barakat uvedl, že stěhovák přenáší na pohybovaný násilný sklon ( mayl qasri ) a že toto se zmenšuje, když se pohybující se předmět vzdaluje od pohybujícího se. Podle Shlomo Pines byla Al-Baghdaadiho teorie pohybu „nejstarší negací Aristotelova základního dynamického zákona [totiž, že konstantní síla produkuje rovnoměrný pohyb], [a je tedy] očekáváním nejasných základních zákon klasické mechaniky [totiž, že síla působící nepřetržitě vytváří zrychlení]. “ Ve stejném století Ibn Bajjah navrhl, aby pro každou sílu vždy existovala reakční síla. I když neupřesnil, že tyto síly jsou stejné, stále je to raná verze třetího pohybového zákona, který říká, že pro každou akci existuje stejná a opačná reakce.

Ve 14. století vyvinul francouzský kněz Jean Buridan teorii impulsu s možným vlivem Ibn Sina. Albert , biskup z Halberstadtu , tuto teorii dále rozvinul.

Formování klasické mechaniky

Vývoj dalekohledu Galileo Galilei a jeho pozorování dále zpochybnily myšlenku, že nebesa byla vytvořena z dokonalé, neměnné látky. Přijetím Koperníkovy heliocentrické hypotézy Galileo věřil, že Země je stejná jako jiné planety. Ačkoli realita slavného experimentu Tower of Pisa je sporná, provedl kvantitativní experimenty válcováním koulí na nakloněné rovině ; jeho správná teorie zrychleného pohybu byla zřejmě odvozena z výsledků experimentů. Galileo také zjistil, že těleso spadlé svisle dopadá na zem současně s tělesem promítaným vodorovně, takže rovnoměrně rotující Země bude stále mít objekty dopadající na zem gravitací. Ještě důležitější je, že tvrdil, že rovnoměrný pohyb je k nerozeznání od klidu , a tak tvoří základ teorie relativity. S výjimkou přijetí kopernické astronomie nebyl přímý vliv Galilea na vědu v 17. století mimo Itálii příliš velký. Ačkoli jeho vliv na vzdělané laiky v Itálii i v zahraničí byl značný, mezi univerzitními profesory byl až na několik málo vlastních žáků zanedbatelný.

Mezi dobou Galilea a Newtona byl Christiaan Huygens nejvýznamnějším matematikem a fyzikem v západní Evropě. Formuloval zákon zachování pružných srážek, vytvořil první věty o dostředivé síle a rozvinul dynamickou teorii oscilačních systémů. Vylepšil také dalekohled, objevil Saturnův měsíc Titan a vynalezl kyvadlové hodiny. Jeho vlnovou teorii světla, publikovanou v Traite de la Lumiere , později přijal Fresnel v podobě Huygens-Fresnelova principu .

Sir Isaac Newton jako první sjednotil tři pohybové zákony (zákon setrvačnosti, jeho druhý výše uvedený zákon a zákon akce a reakce) a dokázal, že tyto zákony řídí pozemské i nebeské objekty. Newton a většina jeho současníků doufali, že klasická mechanika bude schopna vysvětlit všechny entity, včetně (ve formě geometrické optiky) světla. Newtonovo vlastní vysvětlení Newtonových prstenů se vyhýbalo principům vln a předpokládalo, že světelné částice byly sklem změněny nebo excitovány a rezonovaly.

Newton také vyvinul počet, který je nezbytný k provedení matematických výpočtů zapojených do klasické mechaniky. Byl to však Gottfried Leibniz, kdo nezávisle na Newtonovi vyvinul kalkul se zápisem derivátu a integrálu, které se používají dodnes. Klasická mechanika zachovává Newtonovu tečkovou notaci pro časové derivace.

Leonhard Euler rozšířil Newtonovy pohybové zákony od částic k rigidním tělesům o dva další zákony . Práce s pevnými materiály pod silami vede k deformacím, které lze kvantifikovat. Tuto myšlenku vyslovil Euler (1727) a v roce 1782 Giordano Riccati začal určovat pružnost některých materiálů, následován Thomasem Youngem . Simeon Poisson rozšířil studii do třetí dimenze pomocí Poissonova poměru . Gabriel Lamé čerpal ze studie pro zajištění stability struktur a představil parametry Lamé . Tyto koeficienty zavedly teorii lineární elasticity a zahájily oblast mechaniky kontinua .

Po Newtonovi nové formulace postupně umožňovaly řešení mnohem většího počtu problémů. První byla postavena v roce 1788 Joseph Louis Lagrange , což je italský - francouzský matematik . V Lagrangeově mechanice řešení využívá cestu nejmenší akce a sleduje počet variací . William Rowan Hamilton přeformuloval Lagrangeovu mechaniku v roce 1833. Výhodou hamiltonovské mechaniky bylo, že její rámec umožňoval hlouběji nahlédnout na základní principy. Většinu rámce hamiltonovské mechaniky lze vidět v kvantové mechanice, přesný význam těchto pojmů se však liší v důsledku kvantových efektů.

Ačkoli je klasická mechanika do značné míry kompatibilní s jinými teoriemi „ klasické fyziky “, jako je klasická elektrodynamika a termodynamika , koncem 19. století byly objeveny určité potíže, které bylo možné vyřešit pouze modernější fyzikou. V kombinaci s klasickou termodynamikou vede klasická mechanika ke Gibbsovu paradoxu, ve kterém entropie není přesně definovanou veličinou. Když experimenty dosáhly atomové úrovně, klasická mechanika nedokázala vysvětlit, ani přibližně, takové základní věci, jako jsou energetické hladiny a velikosti atomů. Snaha vyřešit tyto problémy vedla k rozvoji kvantové mechaniky. Podobně odlišné chování klasického elektromagnetismu a klasické mechaniky při rychlostních transformacích vedlo k teorii relativity .

Klasická mechanika v současné době

Koncem 20. století již klasická fyzika ve fyzice nebyla nezávislou teorií. Spolu s klasickým elektromagnetismem se začlenil do relativistické kvantové mechaniky nebo teorie kvantového pole . Definuje nerelativistický, nekvantově mechanický limit pro masivní částice.

Klasická mechanika byla také zdrojem inspirace pro matematiky. Uvědomění si toho, že fázový prostor v klasické mechanice připouští přirozený popis jako symplektický varieta ( ve většině případů fyzického zájmu ve skutečnosti kotangentní svazek ) a symplektickou topologii , o které lze uvažovat jako o studiu globálních problémů hamiltonovské mechaniky, má je od 80. let plodnou oblastí matematického výzkumu.

Viz také

Poznámky

Reference