Механіка XIX століття

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Маріо Льоцці

Добовий рух ЗЕМЛІ

Розробка ньютонівської механіки завершилася створенням аналітичної механіки Лагранжа, що панувала у фізиці протягом усього XIX століття аж до появи релятивістської і квантової теорій.

У XIX столітті механіка збагатилася кількома приватними результатами, удосконалилася в дидактичному відношенні, краще усвідомила природу своїх фундаментальних понять в результаті критики її принципів, характерною для другої половини цього століття.

Серед приватних результатів для історії фізики істотні дві теореми Гюстава Гаспара Коріоліса (1792-1843) про складові прискорення, сформульовані в 1831 і 1835 рр.., А також досвід Фуко з експериментального доказу руху Землі навколо своєї осі. У сучасних підручниках питання про відцентрової сили Коріоліса і досвід Фуко з маятником викладаються спільно. Проте історично обидва ці факту незалежні: відкриття Коріоліса носить математичний характер і фактично не вплинуло на досвід Фуко, тому що Фуко, блискучий експериментатор, але досить посередній математик, робіт Коріоліса не знав, коли в 1851 р. представив свою історичну працю про експериментальному доведенні обертального руху Землі.

Фуко виходив з експериментального факту, що якщо крутити навколо самої себе нитку, на якій підвішений маятник, то площина коливань маятника залишиться незмінною. Тому якби ми помістили маятник на земній полюсі, підвісивши його в точці, розташованої на осі обертання Землі, площина його коливань залишалася б фіксованої в просторі.

«Рух Землі, безперервно обертається в напрямку з заходу на схід, стало б відчутним по відношенню до нерухомої площини коливань, слід якої на поверхні Землі здавався б беруть участь в уявній русі небесної сфери. Якби коливання могли тривати протягом двадцяти чотирьох годин, то слід цієї площини зробив би за цей час повний оборот навколо вертикальної проекції точки підвісу ».

Якщо переміститися з полюса на наші широти, то явище ускладнюється, тому що горизонтальна площина в даній точці поверхні Землі нахилена по відношенню до земної осі, так що вертикаль, замість того щоб обертатися навколо самої себе, описує конічну поверхню з кутом розчину, що все збільшується, по міру віддалення від полюса до екватора. Фуко відчував, що і на середніх широтах явище має бути якісно таким же, змінюючись лише в кількісному відношенні, що він і сформулював у вигляді закону, відкритого ним майже інтуїтивно, але згодом підтвердженого розрахунками математиків.

Фуко почав свої досліди в підвалі, а потім завдяки підтримці Араго переніс їх до залу Паризької астрономічної обсерваторії і, нарешті, в заповнений глядачами Паризький пантеон. Куля маятника важив 28 кг і підвішувався на нитки завдовжки 67 м.

Досвід Фуко мав величезний успіх. За ним послідувала велика кількість робіт математичного характеру, які роз'яснюють усі деталі досвіду. Як би там не було, але Фуко хотів дати ще більш переконливий доказ добового обертання Землі, і ось в наступному році (1852 р.) він винайшов гіроскоп, технічні застосування якого, що стають все більш численними, майже змусили забути про його перший наукового застосування.

Досвід Фуко повторив у Флоренції Вінченцо Антінорі (1792 - 1865), який вирішив, крім того, провести дослідження рукописів Галілея, щоб встановити, чи не було коли-небудь проведено подібних дослідів. Серед паперів Академії дослідів він знайшов запис Вінченцо Вівіані, в якій зазначено, що маятник, підвішений на нитці, «непомітно відхиляється від свого першого шляху», а в іншій замітці, вже опублікованої Тарджоні Тодзетті, наголошується, що маятник «малює свій шлях на пилу мармуру ». Таким чином, Академія дослідів ставила досвід Фуко, але не намагалася його пояснити.

Інше експериментальний доказ добового руху Землі - відхилення падаючих тіл на схід - для суворого свого пояснення також вимагає врахування складної відцентрової сили Коріоліса. Тим не менше це відхилення можна передбачати і на основі простого інтуїтивного міркування, проведеного ще Бореллі і підтвердженого дослідами Гульельміні (див. гл. 5), повтореними в дослідах на вежі св. Михайла в Гамбурзі (1802 р.) і в шахті в Шлеебуше (1804 р.) Іоганном Фрідріхом Бенценбергом (1777 - 1846). Більш відомі і більш точні досліди були проведені Фердинандом Райхом (1799-1882) в 1833 р. в Фрейбургський шахті: при вільному падінні з висоти 158 м він одержав у середньому по 106 дослідам відхилення в 28,3 мм.

КРИТИКА Ньютонівська ПРИНЦИПІВ

Друга половина XIX століття характеризується, як ми вже говорили, жвавою дискусією з питання про фундаментальні поняття ньютонівської механіки: силі, масі, інерції, дії та протидії. Ще на початку століття Лазар Карно зазначав окультну і метафізичну природу ньютонівської сили. У 1851 р. Барре де Сен-Відень (1797-1886) продовжив критику Саді Карно, проти «цих проблематичних сутностей або, краще сказати, субстантівірованних властивостей», пророкуючи, що вони будуть поступово виключені з науки як первинні поняття і замінені зв'язками між взаємними рухами тел. У 1861 р. французький математик і економіст Антуан Курно (1801 - 1877) надав поняттю сили антропоморфний характер, зв'язавши його з м'язовими відчуттями, що випробовуються при виконанні певних операцій, наприклад при піднятті ваг, розтягуванні або стисканні пружних тіл і т. п. Таке антропоморфне розуміння сили, що збереглося до наших днів, не було явно виражено у Ньютона, який узагальнив галілеївські поняття тяги або тиску, вироблених вагою.

З цим галілеївські розумінням у відомому сенсі пов'язана «нитяним школа», заснована Ф. Реехом, найбільш послідовним виразником ідей якої був Андраде. Згідно цим ідеям, нам інтуїтивно ясно поняття натягу розтягнутої нитки, яка вважається не має маси. Матеріальна точка (тут ми опустимо дискусію з приводу поняття «матеріальної точки» і можливості його застосування), підвішена на нитці, подовжує її і тим породжує силу. Силу можна безпосередньо виміряти по подовженню нитки, пропорційної якому вона вважається. Ця сила врівноважується «силою інерції» (у розумінні Ейлера) матеріальної точки. Зрештою, «нитяним школа», як зауважив Пуанкаре, приймає закон рівності дії і протидії за визначення сили, замість того щоб розглядати його як досвідчений факт. Таке визначення сили вельми надумане і дивне. Якщо, наприклад, Земля пов'язана з Сонцем невидимою ниткою, то яким чином ми можемо виміряти розтягнення цієї нитки?

Все з тією ж метою уникнути побудови механіки на основі антропоморфного поняття, Кірхгоф (1876 р.) визначив силу чисто аналітичним шляхом, користуючись лише найпростішими поняттями простору, часу і матерії. Піддаючись тенденції математиків до номіналізму, він називає «прискорюючою силою» певну математичне вираз, не цікавлячись його фізичним змістом, тому що переконаний, що досвід не здатний дати повне визначення поняття сили.

Герцу традиційне виклад ньютонівської механіки, засноване на поняттях простору, маси, сили та рухи, також не було вільним від протиріч. Хіба при обертальному русі каменю, прив'язаного до мотузки, відцентрова сила відмінна від інерції самого каменя? Не враховується чи при звичайному розгляді цього завдання камінь двічі - один раз як маса і один раз як сила? Взагалі, заявляє Герц, нам не вдасться зрозуміти руху навколишніх нас тіл, звертаючись лише до того, що ми безпосередньо відчуваємо органами чуття. Щоб отримати чітке уявлення про світ, які підпорядковуються якимсь законам, ми повинні «за речами, які ми бачимо, уявляти собі інші, невидимі речі і шукати за межами наших почуттів приховані дійові особи».

При класичному розгляді ідеалізація такого типу є сила і енергія. Але ми маємо право прийняти, що приховані дійові особи - це не що інше, як маси та утворення, що мають ту ж природу, що і сприймаються нашими почуттями маси та руху. Тому Герц розвинув механіку, побудовану лише на поняттях простору, часу та маси. Сила вводиться тут як суто допоміжне поняття, і вся механіка спочиває на єдиному принципі: якщо матеріальна точка має прискоренням, то вона знаходиться під дією не залежить від часу зв'язку без тертя. Звідси випливає система побудови механіки, яку »Герц вважав формально більш логічною, ніж класична, хоча і менш-практичною.

Ще більший вплив справили на фізиків кінця XIX століття роботи Ернеста Маха (1838-1916). Ейнштейн визнавав, що читання філософських робіт Давида Юма (1711-1776) і Маха «значно полегшило» його критичні дослідження.

Мах починає з поняття маси, що визначається за традицією як постійне відношення сили, прикладеної до тіла, до величини викликаного нею прискорення. Мах висунув по суті такі заперечення. Поняття маси й тут залежить від різних прискорень, які одне і те ж тіло відчуває під дією різних сил, тим часом як, здавалося б, поняття маси, виявляється з очевидністю, коли ми бачимо, що одна сила, діючи на різні тіла, викликає різне їх прискорення. У зв'язку з цим значення поняття маси в механіці полягає в тому, що, знаючи, як веде себе одне-єдине тіло під дією певної сили, ми можемо визначити рушійне дію цієї ж сили на різні тіла.

Потім Мах переходить до побудови поняття маси, залучаючи при цьому принцип симетрії: якщо яке-небудь тіло А зазнає прискорення, то це прискорення обумовлено яких-небудь тілом В, яке у свою чергу зазнає прискорення з боку тіла А. Він ілюструє цей принцип прикладом ( висхідним ще до Ньютона) з двома поплавцями, на одному з яких - магніт, а на іншому - шматок заліза: коли вони приходять у контакт один з одним, то залишаються нерухомими.

Далі Мах переходить до іншої серії дослідів з відцентровою машиною. Два тіла А і В різної ваги, пов'язані ниткою, протягнутої крізь стрижень, можуть залишатися в рівновазі при будь-якій швидкості обертання відцентрової машини. У цьому випадку, як відомо, прискорення а і а 'обернено пропорційні відстаням до осі. Зворотне відношення прискорень приймається, за визначенням, за ставлення мас цих тіл. Звідси випливає таке явне визначення: відношенням мас двох тіл називається зворотне відношення прискорень (взяте з протилежним знаком), які два тіла повідомляють один одному. По суті Мах, замість того щоб визначити масу тіла, визначає сенс «відносини мас двох тіл», тобто дає для маси визначення через абстракцію. Очевидно, для цього зовсім не обов'язково вдаватися до відцентровій машині. Мах ввів такий експериментальний метод, мабуть, для того, щоб відвести заперечення, що висував його колега Больцман: наведене раніше визначення має на увазі прийняття дії на відстані; це питання складне і розумніше його не торкатися.

У наведеному визначенні маси, зауважує з задоволенням Мах, не використовується ніяка теорія і «кількість речовини», про який говорив Ньютон, виявляється абсолютно непотрібним. Це визначення робить також непотрібним формулювання принципу рівності дії і протидії, який вдруге виражав би той же самий факт.

Мах був одним з найбільш різких критиків ньютонівської механіки. У своїй критиці він завжди керувався «антіметафізіческім» духом і своєрідним розумінням науки, яка, на його думку, керується принципом економії. Кожна наука, по Маху, має на меті зекономити досвід, замінити його розумовою зображенням фактів. Тому кожна наука повинна безперервно підтверджуватися або оскаржуватися досвідом і рухається в області неповного досвіду. Таким чином, згідно Маху, якщо визнати, що закони природи є формулюванням правил, економічно резюмують послідовність наших відчуттів, то «всякий містицизм» зникне з області науки.

Більш відомі критичні зауваження Анрі Пуанкаре про класичній механіці, викладені у властивому йому блискучому стилі, який зробив популярними його висловлювання про філософію науки. У своїй книзі «La science et l'hypothtese» («Наука і гіпотеза», Париж, 1906) Пуанкаре зауважує, що механіка, хоча має справу тільки з відносними рухами, поміщає їх в абсолютному просторі і абсолютний час, що є чистою умовністю. Класична механіка приймає принцип інерції, який не є експериментальним фактом і не дано апріорі нашому розуму, так що грецькі механіки обходилися без нього. З іншого боку, сила як причина руху є поняття метафізичне, а для її вимірювання доводиться вдаватися до закону рівності дії і протидії, який тим самим стає не досвідченим законом, а визначенням. Що стосується закону всесвітнього тяжіння, то це гіпотеза, яка може виявитися спростованою досвідом.

Що ж, таким чином, залишається від класичної механіки? Ми бачимо, що сила дорівнює добутку маси на прискорення виключно за визначенням і що виключно за визначенням дія дорівнює протидії. Ці принципи можна було б перевірити тільки в ізольованих системах, однак ніякі експерименти з ними неможливі. Але оскільки існують майже ізольовані системи, до них наближено застосовні закони Ньютона, звідси ясно, яким чином досвід може служити їх підставою.

Згадані коротко критичні течії не були безпосередньо спрямовані на релятивістський перегляд класичної механіки. Тим не менше їх поява свідчила про труднощі класичної механіки і про усвідомлення того, що аксіоми класичної механіки, незважаючи на їх двохсотлітній успіх, теж можуть виявитися спростованими досвідом.

Укладач Савельєва Ф.Н.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Історія та історичні особистості | Виклад
26.4кб. | скачати


Схожі роботи:
Реформи 60-70 років XIX століття в Росії і контрреформи 80-90 рр. XIX століття
Реформи 60 70 років XIX століття в Росії і контрреформи 80 90 г р XIX століття
Квантова механіка наука XX століття
Неоптолемеевская механіка як механіка ери космосу
Побут жінки дворянки у другій половині XIX століття і на початку XX століття
Побут чиновництва і різночинців у другій половині XIX століття та початку XX століття
Історія російської літератури XVIII століття і перша половина XIX століття
Побут жінки-дворянки у другій половині XIX століття і на початку XX століття
Збірник творів російської літератури з XIX століття до 80-х років XX століття
© Усі права захищені
написати до нас