Ирина Богданова - Концепции современного естествознания. Шпаргалки

Представления Аристотеля о механике продержались до времени Галилея. Галилей создал новую механику, отвергающую принципы Аристотеля. Он установил физические законы для движения тел, ввел определения для силы, скорости, ускорения, равномерного движения, инерции, понятия средней скорости и среднего ускорения, впервые сопоставил понятие силы с математическим понятием вектора (при определении характера движения в зависимости от приложенной силы, он исходил из направления этой силы или взаимодействия сил), сформулировал четыре аксиомы механики (две о свободном падении, одна – по поводу инерции и одна по поводу относительности движения):

1. Закон инерции. Свободное движение по горизонтальной плоскости происходит с постоянной по величине и направлению скоростью.

2. Свободно падающее тело движется с постоянным ускорением и конечная скорость тела, падающего из состояния покоя, связана с высотой, которая пройдена к этому моменту.

3. Свободное падение тел можно рассматривать как движение по наклонной плоскости, а горизонтальной плоскости соответствует закон инерции.

4. Внутри равномерно движущейся (так называемой инерциальной) системы все механические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся.

Принцип относительности он вывел в 1632 г. при помощи мысленных экспериментов, путем абстракции. Принцип предполагает, что траектория падающего тела отклоняется от вертикали из-за сопротивления воздуха и в безвоздушном пространстве тело упадет точно над точкой, из которой началось падение.

Рассуждая о падении тела с мачты движущегося с абсолютно постоянной скоростью корабля, Галилей замечал, что наблюдателю, стоящему на берегу, траектория падения тела представится в виде параболы, поскольку определяющим траекторию тела фактором будет сам корабль, сообщивший телу начальную скорость V0, и траектория падения тела с мачты равносильна траектории снаряда, вылетающего из пушки, то есть тело для наблюдателя падает по параболе.

Рассматривая принцип относительности, Галилей исходил из относительности восприятия движения корабля (для наблюдателя на берегу корабль движется, для наблюдателя внутри корабля – стоит на месте). Потребовалось почти 300 лет, чтобы появилась теория относительности Альберта Эйнштейна.

I закон, или закон инерции, открытый еще Галилеем: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил.

II закон: изменение импульса тела в единицу времени равно действующей на него силе и происходит в направлении ее действия. F = mи· a, где F – вынуждающая сила, a – ускорение, mи – инерциальная масса.

Второй закон Ньютона связывает изменение импульса тела (количества движения) с действующей на него силой и является ядром механики. Он был революционным для своего времени, но неприменим в современной физике, так как Ньютон считал, что масса не зависит от скорости. Ньютон рассматривал массу как меру инертности, а ускорение и инерцию как равные по величине противодействия, направленные в противоположные стороны, то есть чем массивнее тело, тем меньшее ускорение можно ему придать.

III закон: силы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению.

IV закон, сформулированный Ньютоном, – это закон всемирного тяготения: сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния: Fгр= γ · mгр· Mгр/r2, где γ – гравитационная постоянная.

Закон он вывел из допущения, что на Луну, движущуюся по земной орбите, и на камень, падающий на Землю, действует одна и та же сила: Луна тяготеет к Земле и силой тяготения постоянно отклоняется от прямолинейного движения и удерживается на своей орбите. Из этого допущения он рассчитал постоянную величину силы тяготения: если расстояние от центра Земли до центра Луны в 60 раз больше радиуса Земли, то сила тяготения убывает пропорционально квадрату расстояния; а поскольку силы, которыми главные планеты отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к Солнцу и обратно пропорциональны квадратам расстояний до центра его, то вес тела на всякой планете пропорционален массе этой планеты, и следовательно, сила тяготения между телами пропорциональна массе этих тел; согласно современным расчетам гравитационная постоянная: G = (6,673 ± 0,003) · 10-11 нм2кг-2.

Ньютон придерживался воззрений механистического материализма (то есть стремился объяснить законы физики, исходя из объективного существования материи, пространства и времени), хотя был человеком религиозным в духе своей эпохи и даже на склоне лет написал теологическое сочинение. Пытаясь определить точнее методы своего подхода к научным исследованиям, Ньютон вывел четыре основополагающих принципа :

1. Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений (повторив знаменитый принцип бритвы Оккама).

2. Одинаковым явлениям следует приписывать одинаковые причины.

3. Независимые и неизменные при экспериментах свойства тел, подвергнутых исследованию, надо принимать за общие свойства материальных тел.

4. Законы, индуктивно выведенные из опыта, нужно считать верными, пока им не противоречат другие наблюдения.

Этот метод называется сегодня гипотетико-дедукционным и используется в современной физике.

Неизгладимый след оставил Ньютон не только в механике. Большое значение имели его исследования в области оптики, которые сразу же получили мировое признание и стали основополагающими на несколько столетий. Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц, которые он назвал корпускулами, так возникла корпускулярная теория света. Теория не объясняла некоторых явлений – например, интерференции и дифракции света, поскольку это волновые процессы.

Ньютон понимал неполноту корпускулярной теории и собирался объединить ее с волновой, что, собственно, произошло только в XX в., когда пришедшая на смену корпускулярной волновая теория тоже не смогла объяснить всех явлений.

Ньютон также сделал заявку на теорию возможности превращения тел в свет и света в тела, что было открыто учеными для сверхмалых частиц только в XX в., и теорию влияния тел на распространение света, что было экспериментально доказано Эйнштейном и легло в основу общей теории относительности. Большой заслугой последователей Ньютона было введение в физику методов интегрально-дифференциального исчисления и создание механической картины мира.