Зміст
Введення
Застосування концепцій класичної механіки і термодинаміки в автотехнічної, балістичної і пожежно-технічної експертизи. Гіроскопічні системи навігації. Елементи біомеханіки в спорті
Висновок
Введення
Загальною метою природознавства є створення наукової картини світу, яка б показала єдність і цілісність людини і навколишнього його світу. Наукова картина світу надзвичайно важлива для формування світогляду людини. Однак вона є однією зі складових особистісної загальної картини світу. Іншими компонентами служать релігійна картина світу і метафізична картина світу. Дещо спрощуючи, можна представити наступну схему формування загальної картини світу у свідомості конкретної людини.
Першої фундаментальної фізичної теорією, яка має високий статус і в сучасній фізиці, є класична механіка, основи якої заклав І. Ньютон.
Закони механіки, сформульовані Ньютоном, не є прямим наслідком емпіричних фактів. Вони з'явилися як результат узагальнення численних спостережень, дослідів і теоретичних досліджень Галілея, Гюйгенса, Ньютона та ін в широкому світоглядному, культурному контексті.
Нова фізична гравітаційна картина світу, що спирається на суворі математичні обгрунтування, представлена в класичній механіці І. Ньютона. Її вершиною стала теорія тяжіння, що проголосила універсальний закон природи - закон всесвітнього тяжіння. Згідно з цим законом сила тяжіння універсальна і проявляється між будь-якими матеріальними тілами незалежно від їх конкретних властивостей. Вона завжди пропорційна добутку мас тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.
Поширивши на весь Всесвіт закон тяжіння, Ньютон розглянув і можливу її структуру. Він прийшов до висновку, що Всесвіт є не кінцевою, а нескінченною. Лише в цьому випадку в ній може існувати безліч космічних об'єктів - центрів гравітації. Так, в рамках ньютонівської гравітаційної моделі Всесвіту стверджується уявлення про нескінченному просторі, в якому знаходяться космічні об'єкти, пов'язані між собою силою тяжіння.
Підсумком ньютонівської картини світу з'явився образ Всесвіту як гігантського і повністю детермінованого механізму, де події та процеси являють собою ланцюг взаємозалежних причин і наслідків. Звідси і віра в те, що теоретично можна точно реконструювати будь-яку минулу ситуацію у Всесвіті або передбачити майбутнє з абсолютною певністю.
1. Основні концепції
Система відліку, в якій справедливий закон інерції: матеріальна точка, коли на неї не діють ніякі сили (або діють сили взаємно урівноважені), знаходиться в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху - називається інерціальної. Будь-яка система відліку, що рухається по відношенню до неї поступально, рівномірно і прямолінійно, є також інерціальна.
«Зміна кількості руху пропорційно прикладеній рушійній силі і відбувається по напрямку тієї прямої, по якій ця сила діє» - це другий закон Ньютона, який є основним законом динаміки, у формулюванні Ньютона (1687).
«Дії завжди є рівна і протилежна протидія, інакше, взаємодії двох тіл один на одного між собою рівні і спрямовані в протилежні сторони» - це третій закон механіки Ньютона.
Закони Ньютона справедливі тільки для інерційних систем. Однак жодне реальне тіло не може з ідеальною точністю виконувати функцію такої системи, оскільки в реальності завжди присутні сили, які порушують закон інерції та інші закони механіки. Мабуть, це і призвело Ньютона до поняття абсолютного простору, для якого закон інерції і всі інші закони механіки мали б абсолютну силу.
Ньютон писав: "Абсолютна простір в силу своєї природи, безвідносно до чого-небудь зовнішнього, залишається завжди однаковим і нерухомим. Відносне простір являє собою деяке рухоме вимір або міру абсолютних просторів; його ми визначаємо за допомогою своїх почуттів через взаємне розташування тіл, його вульгарно і витлумачують як нерухомий простір ... »
«Абсолютна істинне або математичний час, - писав Ньютон, - саме по собі і в силу своєї внутрішньої природи тече однаково, безвідносно до будь-чого зовнішнього й інакше зветься тривалістю; відносне, що здається або звичайний час являє собою деякого роду чуттєву, або зовнішню ( яким би воно не було точним і незрівняним), міру тривалості, визначається за допомогою руху, яке зазвичай використовується замість істинного часу; це - годинник, день, місяць, рік ... »
У Ньютона абсолютна час існує і триває рівномірно саме по собі, безвідносно до яких-небудь подій. Абсолютна час і абсолютний простір є хіба що вмістилища матеріальних тіл і процесів і не залежать не тільки від цих тіл і процесів, але і один від одного.
Сформулювавши основні закони механіки, Ньютон заклав фундамент фізичної теорії. Однак побудувати на цьому фундаменті стрункий будівлю теорії належало його послідовникам. Вирішальну роль для становлення класичної механіки мало використання диференціального й інтегрального числень, апарату математичного аналізу.
Протягом всього 18 століття створюється математичний апарат класичної механіки на базі диференціального й інтегрального числень. Розробку аналітичних методів механіки завершив Лагранж, отримав рівняння руху системи в узагальнених координатах, названі його ім'ям.
З цією діяльністю зі створення математичного апарату механіки пов'язане її становлення як першої фундаментальної наукової теорії.
Важливу роль у створенні наукової картини світу зіграв принцип відносності Галілея - принцип рівноправності усіх інерційних систем відліку в класичній механіці, який стверджує, що ніякими механічними дослідами, що вживаються в якійсь інерційній системі відліку, не можна визначити, покоїться дана система рухається рівномірно і прямолінійно . Це положення було вперше встановлено Галілеєм в 1636.
Математично принцип відносності Галілея висловлює інваріантність рівнянь механіки відносно перетворень координат рухомих точок (і часу) при переході від однієї інерціальної системи відліку до іншої - перетворень Галілея
З ім'ям Ньютона пов'язано відкриття й такого фундаментального фізичного закону, як закон всесвітнього тяжіння. Закон всесвітнього тяжіння, встановлений І. Ньютоном, має надзвичайно простий вигляд:
F = К * m1 * m2 / R * R
де чисельна величина До повинна визначатися досвідченим шляхом, m і т, - маси притягуються тіл, R - відстань між ними.
Перші висловлювання про тяжіння як загальному властивості тіл відносяться до античності. І. Кеплер говорив, що «тяжкість є взаємне прагнення всіх тіл». Остаточне формулювання закону всесвітнього тяжіння була зроблена Ньютоном в 1687 в його головній праці «Математичні начала натуральної філософії». Закон тяжіння Ньютона говорить, що дві будь-які матеріальні частинки притягуються у напрямку один до одного з силою, прямо пропорційною добутку мас і обернено пропорційною квадрату відстані між ними. Коефіцієнт пропорційності називається гравітаційною сталою.
Спочатку у фізиці утвердилося уявлення про те, що взаємодія тіл має характер дальнодії - миттєвої передачі дії тіл один на одного через порожній простір, який не бере участі в передачі взаємодії.
Однак концепція дальнодії була визнана не відповідною дійсності після відкриття і дослідження електромагнітного поля, що виконує роль посередника при взаємодії електрично заряджених тіл. Виникла нова концепція взаємодії - концепція блізкодействія, яка потім була поширена і на будь-які інші взаємодії. Відповідно до цієї концепції, взаємодія між тілами здійснюється за допомогою тих чи інших полів (наприклад, тяжіння - за допомогою гравітаційного поля), які безперервно розподілені в просторі.
У науці 19 століття переносником електромагнітних взаємодій вважалася всепроникна середовище - ефір. На уявлення про ефір як переносника електромагнітних взаємодій в минулому столітті спиралася вся електродинаміка та оптика. Спочатку ефір розуміли як механічну середу, подібну пружному тілу. Відповідно поширення світлових хвиль уподібнювалися поширенню звуку в пружному середовищі. Гіпотеза механічного ефіру зустрілася з великими труднощами. Так, поперечне світлових хвиль вимагала від ефіру властивостей абсолютно твердого тіла, але в той же час повністю відсутнє опір ефіру руху небесних тіл. Протягом довгого часу покоління математиків і фізиків намагалися внести свій внесок у вирішення проблеми ефіру. У результаті спроб побудувати модель ефіру була, наприклад, ретельно розроблена механіка суцільних середовищ і її апарат, проте адекватну модель ефіру побудувати так і не вдалося. Невирішеним залишалося питання про участь ефіру в рух тел. Ефір наполегливо продовжував залишатися «виродком в середовищі фізичних субстанцій».
Проблема ефіру придбала фундаментальний характер, оскільки це середовище зайняла у фізиці надзвичайно важливе місце. Виявлялося, що фізика спочиває на хитких підставах. Вони і були переглянуті в процесі створення теорії відносності.
Американський фізик Майкельсон в 1881 році поставив досвід для з'ясування участі ефіру в рух тел. Ряд явищ (аберація світла, досвід Физо) приводив до висновку, що ефір нерухомий або частково захоплюється тілами при їх русі. Відповідно до гіпотези нерухомого ефіру, можна спостерігати «ефірний вітер» при русі Землі крізь ефір, і швидкість світла по відношенню до Землі повинна залежати від напрямку світлового променя щодо напрямку її руху в ефірі. Однак цього не було виявлено - досвід Майкельсона дав негативний результат. Досвід Майкельсона не зіграла вирішальної ролі у створенні теорії відносності. Про це говорив і сам Ейншейн. Він використовував результати досвіду Майкельсона для обгрунтування вже створеної теорії.
Результати досвіду Майкельсона, як і інших подібних дослідів, могли бути пояснені і без радикальних змін класичних уявлень про простір і час. Взагалі, результати дослідів допускають різні теоретичні інтерпретації. Глибокі світоглядні зміни у фізиці були викликані не окремими експериментальними результатами, а неудовлетворительностью положення справ в електродинаміці, оптиці, фізиці взагалі.
Всю сукупність результатів у галузі електродинаміки рухомих тіл на початку століття можна було пояснити на базі перетворень Лоренца, які були отримані в 1904 році як перетворення, по відношенню до яких рівняння класичної електродинаміки мікроскопічної зберігають свій вигляд.
Лоренц і Пуанкаре інтерпретували ці перетворення як результат стискання тел постійним тиском ефіру, тобто динамічно в рамках класичних уявлень про простір і час.
Ейнштейн інтерпретував перетворення Лоренца кінетично, тобто як характеризують властивості руху у просторі та часі, тим самим заклавши основи теорії відносності. Він зняв проблему ефіру, скасувавши його, радикально змінив класичні уявлення про простір і час. Явища, що описуються теорією відносності, називаються релятивістськими (від латинського - відносний) і виявляються при швидкостях, близьких до швидкості світла у вакуумі (ці швидкості теж прийнято називати релятивістськими).
У відповідності з теорією відносності, існує гранична швидкість передачі будь-яких взаімодейсвій і сигналів з однієї точки простору в іншу - це швидкість світла у вакуумі. Існування граничної швидкості означає необхідність глибокого зміни звичайних просторово-часових уявлень, заснованих на повсякденному досвіді, оскільки веде до таких явищ, як уповільнення часу, релятивістське скорочення розмірів тіл, відносність одночасності.
Теорія тяжіння Ньютона передбачає миттєве поширення тяжіння, і вже тому не може бути узгоджена зі спеціальною теорією відносності, яка каже, що ніяке взаємодія не може поширюватися зі швидкістю, що перевищує швидкість світла у вакуумі. Узагальнення теорії тяжіння на основі спеціальної теорії відносності було зроблено Ейнштейном. Нова теорія була названа їм загальною теорією відносності.
Найважливішою особливістю поля тяжіння, відомої в ньютонівської теорії і належної Ейнштейном в основу загальної теорії відносності, є те, що тяжіння абсолютно однаково діє на різні тіла, повідомляючи їм однакові прискорення незалежно від маси, хімічного складу та інших властивостей тіл. Так, на поверхні Землі всі тіла падають під впливом її поля тяжіння з однаковим прискоренням - прискоренням вільного падіння. Цей факт був встановлений досвідченим шляхом Галілеєм. Він може бути сформульований як факт рівності інертної маси (яка входить у другий закон Ньютона) і гравітаційної маси (яка входить в закон тяжіння)
У картині світу сучасної фізики фундаментальну роль відіграє принцип еквівалентності, згідно з яким поле тяжіння в невеликій області простору і часу (в якій його можна вважати однорідним і постійним у часі) за своїм прояву тотожне прискореної системі відліку. Принцип еквівалентності випливає з рівності інертної і гравітаційної мас. Відповідно до цього принципу загальна теорія відносності трактує тяжіння як викривлення (відмінність геометрії від евклідової) чотиривимірного просторово-часового континууму. У будь-якої кінцевої області простір виявляється викривленим - неевклідових. Це означає, що в тривимірному просторі геометрія, взагалі кажучи, буде неевклідової, а час у різних точках буде текти по-різному.
Ряд висновків якісно відрізняються від висновків ньютонівської теорії гравітації. Найважливіші серед них пов'язані з виникненням чорних дір, сингулярностей простору-часу, існуванням гравітаційних хвиль (гравітаційного випромінювання).
Як зазначалося раніше, фундаментальні закони класичної механіки мають обмежене застосування. Це призводить до питання про існування ще більш загальних законів. Такими є закони збереження. Наявний досвід розвитку природознавства показує, що закони збереження не втрачають свого сенсу при заміні однієї системи фундаментальних законів іншої. Це властивість тепер використовується як евристичний принцип, що дозволяє апріорно відбирати «життєздатні» фундаментальні закони при побудові нових теорій. У більшості випадків закони збереження не здатні дати настільки повного опису явищ, яке дають фундаментальні закони, а лише накладають певні заборони на реалізацію тих чи інших станів при еволюції системи.
Закон збереження імпульсу. Кожній матеріальної точки з масою m, що рухається зі швидкістю V, приписується векторна характеристика - імпульс, який визначається як добуток m V. З законів Ньютона випливає, що при русі в порожньому просторі імпульс зберігається в часі, а при наявності взаємодії швидкість його зміни визначається сумою прикладених сил. У випадку системи матеріальних точок (сукупністю яких можна вважати будь-який реальний тіло) повний імпульс визначається як векторна сума всіх імпульсів. Швидкість зміни повного імпульсу визначається сумою зовнішніх сил. що діють на систему (тобто тільки сил, які описують взаємодію елементів системи з не належать їй об'єктами).
Системи, на які не діють зовнішні сили, називаються замкненими. У них повний імпульс не змінюється в часі. Це властивість знаходить велике практичне застосування, оскільки лежить в основі принципу реактивного руху.
Закон збереження механічної енергії стверджує, що сума кінетичних і потенціальних енергій елементів системи не змінюється в часі за умови, що в системі діють лише потенційні сили. Цей закон механіки є окремим випадком більш загального закону збереження енергії, що виконується в будь-якої замкнутої (ізольованою від зовнішнього світу) системою. При взаємодіях між тілами енергія може переходити з однієї форми в іншу і описуватися зовсім несхожими один на одного математичними виразами.
Введення
1. Основні концепції
Принцип відносності. Принцип інерції. Основні поняття і закони механіки Ньютона. Закон всесвітнього тяжіння. Закони збереження. Закони термодинаміки
2 Прикладне значенняЗастосування концепцій класичної механіки і термодинаміки в автотехнічної, балістичної і пожежно-технічної експертизи. Гіроскопічні системи навігації. Елементи біомеханіки в спорті
Висновок
Введення
Загальною метою природознавства є створення наукової картини світу, яка б показала єдність і цілісність людини і навколишнього його світу. Наукова картина світу надзвичайно важлива для формування світогляду людини. Однак вона є однією зі складових особистісної загальної картини світу. Іншими компонентами служать релігійна картина світу і метафізична картина світу. Дещо спрощуючи, можна представити наступну схему формування загальної картини світу у свідомості конкретної людини.
Першої фундаментальної фізичної теорією, яка має високий статус і в сучасній фізиці, є класична механіка, основи якої заклав І. Ньютон.
Закони механіки, сформульовані Ньютоном, не є прямим наслідком емпіричних фактів. Вони з'явилися як результат узагальнення численних спостережень, дослідів і теоретичних досліджень Галілея, Гюйгенса, Ньютона та ін в широкому світоглядному, культурному контексті.
Нова фізична гравітаційна картина світу, що спирається на суворі математичні обгрунтування, представлена в класичній механіці І. Ньютона. Її вершиною стала теорія тяжіння, що проголосила універсальний закон природи - закон всесвітнього тяжіння. Згідно з цим законом сила тяжіння універсальна і проявляється між будь-якими матеріальними тілами незалежно від їх конкретних властивостей. Вона завжди пропорційна добутку мас тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.
Поширивши на весь Всесвіт закон тяжіння, Ньютон розглянув і можливу її структуру. Він прийшов до висновку, що Всесвіт є не кінцевою, а нескінченною. Лише в цьому випадку в ній може існувати безліч космічних об'єктів - центрів гравітації. Так, в рамках ньютонівської гравітаційної моделі Всесвіту стверджується уявлення про нескінченному просторі, в якому знаходяться космічні об'єкти, пов'язані між собою силою тяжіння.
Підсумком ньютонівської картини світу з'явився образ Всесвіту як гігантського і повністю детермінованого механізму, де події та процеси являють собою ланцюг взаємозалежних причин і наслідків. Звідси і віра в те, що теоретично можна точно реконструювати будь-яку минулу ситуацію у Всесвіті або передбачити майбутнє з абсолютною певністю.
1. Основні концепції
Принцип відносності. Принцип інерції. Основні поняття і закони механіки Ньютона. Закон всесвітнього тяжіння. Закони збереження. Закони термодинаміки
«Усяке тіло продовжує утримуватися в своєму стані спокою або рівномірного і прямолінійного руху, поки й оскільки воно не примушується прикладеними силами змінити цей стан» - так Ньютон сформулював закон, який зараз називається першим законом механіки Ньютона, або законом інерції.Система відліку, в якій справедливий закон інерції: матеріальна точка, коли на неї не діють ніякі сили (або діють сили взаємно урівноважені), знаходиться в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху - називається інерціальної. Будь-яка система відліку, що рухається по відношенню до неї поступально, рівномірно і прямолінійно, є також інерціальна.
«Зміна кількості руху пропорційно прикладеній рушійній силі і відбувається по напрямку тієї прямої, по якій ця сила діє» - це другий закон Ньютона, який є основним законом динаміки, у формулюванні Ньютона (1687).
«Дії завжди є рівна і протилежна протидія, інакше, взаємодії двох тіл один на одного між собою рівні і спрямовані в протилежні сторони» - це третій закон механіки Ньютона.
Закони Ньютона справедливі тільки для інерційних систем. Однак жодне реальне тіло не може з ідеальною точністю виконувати функцію такої системи, оскільки в реальності завжди присутні сили, які порушують закон інерції та інші закони механіки. Мабуть, це і призвело Ньютона до поняття абсолютного простору, для якого закон інерції і всі інші закони механіки мали б абсолютну силу.
Ньютон писав: "Абсолютна простір в силу своєї природи, безвідносно до чого-небудь зовнішнього, залишається завжди однаковим і нерухомим. Відносне простір являє собою деяке рухоме вимір або міру абсолютних просторів; його ми визначаємо за допомогою своїх почуттів через взаємне розташування тіл, його вульгарно і витлумачують як нерухомий простір ... »
«Абсолютна істинне або математичний час, - писав Ньютон, - саме по собі і в силу своєї внутрішньої природи тече однаково, безвідносно до будь-чого зовнішнього й інакше зветься тривалістю; відносне, що здається або звичайний час являє собою деякого роду чуттєву, або зовнішню ( яким би воно не було точним і незрівняним), міру тривалості, визначається за допомогою руху, яке зазвичай використовується замість істинного часу; це - годинник, день, місяць, рік ... »
У Ньютона абсолютна час існує і триває рівномірно саме по собі, безвідносно до яких-небудь подій. Абсолютна час і абсолютний простір є хіба що вмістилища матеріальних тіл і процесів і не залежать не тільки від цих тіл і процесів, але і один від одного.
Сформулювавши основні закони механіки, Ньютон заклав фундамент фізичної теорії. Однак побудувати на цьому фундаменті стрункий будівлю теорії належало його послідовникам. Вирішальну роль для становлення класичної механіки мало використання диференціального й інтегрального числень, апарату математичного аналізу.
Протягом всього 18 століття створюється математичний апарат класичної механіки на базі диференціального й інтегрального числень. Розробку аналітичних методів механіки завершив Лагранж, отримав рівняння руху системи в узагальнених координатах, названі його ім'ям.
З цією діяльністю зі створення математичного апарату механіки пов'язане її становлення як першої фундаментальної наукової теорії.
Важливу роль у створенні наукової картини світу зіграв принцип відносності Галілея - принцип рівноправності усіх інерційних систем відліку в класичній механіці, який стверджує, що ніякими механічними дослідами, що вживаються в якійсь інерційній системі відліку, не можна визначити, покоїться дана система рухається рівномірно і прямолінійно . Це положення було вперше встановлено Галілеєм в 1636.
Математично принцип відносності Галілея висловлює інваріантність рівнянь механіки відносно перетворень координат рухомих точок (і часу) при переході від однієї інерціальної системи відліку до іншої - перетворень Галілея
З ім'ям Ньютона пов'язано відкриття й такого фундаментального фізичного закону, як закон всесвітнього тяжіння. Закон всесвітнього тяжіння, встановлений І. Ньютоном, має надзвичайно простий вигляд:
F = К * m1 * m2 / R * R
де чисельна величина До повинна визначатися досвідченим шляхом, m і т, - маси притягуються тіл, R - відстань між ними.
Перші висловлювання про тяжіння як загальному властивості тіл відносяться до античності. І. Кеплер говорив, що «тяжкість є взаємне прагнення всіх тіл». Остаточне формулювання закону всесвітнього тяжіння була зроблена Ньютоном в 1687 в його головній праці «Математичні начала натуральної філософії». Закон тяжіння Ньютона говорить, що дві будь-які матеріальні частинки притягуються у напрямку один до одного з силою, прямо пропорційною добутку мас і обернено пропорційною квадрату відстані між ними. Коефіцієнт пропорційності називається гравітаційною сталою.
Спочатку у фізиці утвердилося уявлення про те, що взаємодія тіл має характер дальнодії - миттєвої передачі дії тіл один на одного через порожній простір, який не бере участі в передачі взаємодії.
Однак концепція дальнодії була визнана не відповідною дійсності після відкриття і дослідження електромагнітного поля, що виконує роль посередника при взаємодії електрично заряджених тіл. Виникла нова концепція взаємодії - концепція блізкодействія, яка потім була поширена і на будь-які інші взаємодії. Відповідно до цієї концепції, взаємодія між тілами здійснюється за допомогою тих чи інших полів (наприклад, тяжіння - за допомогою гравітаційного поля), які безперервно розподілені в просторі.
У науці 19 століття переносником електромагнітних взаємодій вважалася всепроникна середовище - ефір. На уявлення про ефір як переносника електромагнітних взаємодій в минулому столітті спиралася вся електродинаміка та оптика. Спочатку ефір розуміли як механічну середу, подібну пружному тілу. Відповідно поширення світлових хвиль уподібнювалися поширенню звуку в пружному середовищі. Гіпотеза механічного ефіру зустрілася з великими труднощами. Так, поперечне світлових хвиль вимагала від ефіру властивостей абсолютно твердого тіла, але в той же час повністю відсутнє опір ефіру руху небесних тіл. Протягом довгого часу покоління математиків і фізиків намагалися внести свій внесок у вирішення проблеми ефіру. У результаті спроб побудувати модель ефіру була, наприклад, ретельно розроблена механіка суцільних середовищ і її апарат, проте адекватну модель ефіру побудувати так і не вдалося. Невирішеним залишалося питання про участь ефіру в рух тел. Ефір наполегливо продовжував залишатися «виродком в середовищі фізичних субстанцій».
Проблема ефіру придбала фундаментальний характер, оскільки це середовище зайняла у фізиці надзвичайно важливе місце. Виявлялося, що фізика спочиває на хитких підставах. Вони і були переглянуті в процесі створення теорії відносності.
Американський фізик Майкельсон в 1881 році поставив досвід для з'ясування участі ефіру в рух тел. Ряд явищ (аберація світла, досвід Физо) приводив до висновку, що ефір нерухомий або частково захоплюється тілами при їх русі. Відповідно до гіпотези нерухомого ефіру, можна спостерігати «ефірний вітер» при русі Землі крізь ефір, і швидкість світла по відношенню до Землі повинна залежати від напрямку світлового променя щодо напрямку її руху в ефірі. Однак цього не було виявлено - досвід Майкельсона дав негативний результат. Досвід Майкельсона не зіграла вирішальної ролі у створенні теорії відносності. Про це говорив і сам Ейншейн. Він використовував результати досвіду Майкельсона для обгрунтування вже створеної теорії.
Результати досвіду Майкельсона, як і інших подібних дослідів, могли бути пояснені і без радикальних змін класичних уявлень про простір і час. Взагалі, результати дослідів допускають різні теоретичні інтерпретації. Глибокі світоглядні зміни у фізиці були викликані не окремими експериментальними результатами, а неудовлетворительностью положення справ в електродинаміці, оптиці, фізиці взагалі.
Всю сукупність результатів у галузі електродинаміки рухомих тіл на початку століття можна було пояснити на базі перетворень Лоренца, які були отримані в 1904 році як перетворення, по відношенню до яких рівняння класичної електродинаміки мікроскопічної зберігають свій вигляд.
Лоренц і Пуанкаре інтерпретували ці перетворення як результат стискання тел постійним тиском ефіру, тобто динамічно в рамках класичних уявлень про простір і час.
Ейнштейн інтерпретував перетворення Лоренца кінетично, тобто як характеризують властивості руху у просторі та часі, тим самим заклавши основи теорії відносності. Він зняв проблему ефіру, скасувавши його, радикально змінив класичні уявлення про простір і час. Явища, що описуються теорією відносності, називаються релятивістськими (від латинського - відносний) і виявляються при швидкостях, близьких до швидкості світла у вакуумі (ці швидкості теж прийнято називати релятивістськими).
У відповідності з теорією відносності, існує гранична швидкість передачі будь-яких взаімодейсвій і сигналів з однієї точки простору в іншу - це швидкість світла у вакуумі. Існування граничної швидкості означає необхідність глибокого зміни звичайних просторово-часових уявлень, заснованих на повсякденному досвіді, оскільки веде до таких явищ, як уповільнення часу, релятивістське скорочення розмірів тіл, відносність одночасності.
Теорія тяжіння Ньютона передбачає миттєве поширення тяжіння, і вже тому не може бути узгоджена зі спеціальною теорією відносності, яка каже, що ніяке взаємодія не може поширюватися зі швидкістю, що перевищує швидкість світла у вакуумі. Узагальнення теорії тяжіння на основі спеціальної теорії відносності було зроблено Ейнштейном. Нова теорія була названа їм загальною теорією відносності.
Найважливішою особливістю поля тяжіння, відомої в ньютонівської теорії і належної Ейнштейном в основу загальної теорії відносності, є те, що тяжіння абсолютно однаково діє на різні тіла, повідомляючи їм однакові прискорення незалежно від маси, хімічного складу та інших властивостей тіл. Так, на поверхні Землі всі тіла падають під впливом її поля тяжіння з однаковим прискоренням - прискоренням вільного падіння. Цей факт був встановлений досвідченим шляхом Галілеєм. Він може бути сформульований як факт рівності інертної маси (яка входить у другий закон Ньютона) і гравітаційної маси (яка входить в закон тяжіння)
У картині світу сучасної фізики фундаментальну роль відіграє принцип еквівалентності, згідно з яким поле тяжіння в невеликій області простору і часу (в якій його можна вважати однорідним і постійним у часі) за своїм прояву тотожне прискореної системі відліку. Принцип еквівалентності випливає з рівності інертної і гравітаційної мас. Відповідно до цього принципу загальна теорія відносності трактує тяжіння як викривлення (відмінність геометрії від евклідової) чотиривимірного просторово-часового континууму. У будь-якої кінцевої області простір виявляється викривленим - неевклідових. Це означає, що в тривимірному просторі геометрія, взагалі кажучи, буде неевклідової, а час у різних точках буде текти по-різному.
Ряд висновків якісно відрізняються від висновків ньютонівської теорії гравітації. Найважливіші серед них пов'язані з виникненням чорних дір, сингулярностей простору-часу, існуванням гравітаційних хвиль (гравітаційного випромінювання).
Як зазначалося раніше, фундаментальні закони класичної механіки мають обмежене застосування. Це призводить до питання про існування ще більш загальних законів. Такими є закони збереження. Наявний досвід розвитку природознавства показує, що закони збереження не втрачають свого сенсу при заміні однієї системи фундаментальних законів іншої. Це властивість тепер використовується як евристичний принцип, що дозволяє апріорно відбирати «життєздатні» фундаментальні закони при побудові нових теорій. У більшості випадків закони збереження не здатні дати настільки повного опису явищ, яке дають фундаментальні закони, а лише накладають певні заборони на реалізацію тих чи інших станів при еволюції системи.
Закон збереження імпульсу. Кожній матеріальної точки з масою m, що рухається зі швидкістю V, приписується векторна характеристика - імпульс, який визначається як добуток m V. З законів Ньютона випливає, що при русі в порожньому просторі імпульс зберігається в часі, а при наявності взаємодії швидкість його зміни визначається сумою прикладених сил. У випадку системи матеріальних точок (сукупністю яких можна вважати будь-який реальний тіло) повний імпульс визначається як векторна сума всіх імпульсів. Швидкість зміни повного імпульсу визначається сумою зовнішніх сил. що діють на систему (тобто тільки сил, які описують взаємодію елементів системи з не належать їй об'єктами).
Системи, на які не діють зовнішні сили, називаються замкненими. У них повний імпульс не змінюється в часі. Це властивість знаходить велике практичне застосування, оскільки лежить в основі принципу реактивного руху.
Закон збереження механічної енергії стверджує, що сума кінетичних і потенціальних енергій елементів системи не змінюється в часі за умови, що в системі діють лише потенційні сили. Цей закон механіки є окремим випадком більш загального закону збереження енергії, що виконується в будь-якої замкнутої (ізольованою від зовнішнього світу) системою. При взаємодіях між тілами енергія може переходити з однієї форми в іншу і описуватися зовсім несхожими один на одного математичними виразами.
Закон збереження енергії має велике практичне значення, оскільки істотно обмежує число можливих каналів еволюції системи без її детального аналізу. Так, на підставі цього закону виявляється можливим апріорно відкинути будь-який вельми проект економічно привабливого вічного двигуна першого роду - пристрою, здатного виконувати роботу, що перевершує необхідні для його функціонування витрати енергії.
Молекулярно-кінетична теорія дозволила дати просте пояснення так званого першого початку термодинаміки. Цей досить загальний закон спочатку був сформульований в результаті узагальнення досвіду численних невдалих спроб створення вічного двигуна першого роду - вельми привабливого з економічної точки зору технічного пристрою, здатного виробляти механічну роботу, більшу ніж підведена до нього теплова (або інша) енергія. Однією з формулювань першого початку є твердження про неможливість подібного пристрою, інший - закон збереження енергії, де другий доданок описує «непоправну втрату» частини підведеної до пристрою енергії.
Відповідно до загального закону збереження, енергія не зникає, а переходить в інші форми. З точки зору молекулярно-кінетичної теорії введена в рівняння закону додаткова величина (т.зв. внутрішня енергія) має простий механічний зміст і являє собою суму кінетичних енергій теплового руху всіх молекул і потенційних енергій їх взаємодії. Таким чином, частина підводиться до двигуна (або будь-який інший термодинамічній системі) енергії витрачається на її нагрівання.
Велике філософське значення має проблема розуміння механізму виникнення незворотності. Наявність необоротних процесів визначає спрямованість плину часу. У світі, де існують тільки оборотні процеси, мабуть, було б неможливо відрізнити минуле від майбутнього. Існування незворотних процесів у макросвіті не викликає сумніву. До них належить встановлення рівноважної температури при тепловому контакті гарячих і холодних тіл, перемішування спочатку розділених газів в результаті дифузії і багато інших.
З точки зору молекулярно-кінетичної теорії, що зводить теплові макроскопічні процеси до механічних взаємодій на мікроскопічному рівні, виникнення незворотності досить несподівано, оскільки механічні явища оборотні в часі. Формально це випливає з того, що в другій закон Ньютона входить друга похідна за часом (прискорення), не змінює знак при операції звернення часу t ® - t. Зокрема це, наприклад, означає, що зняте при великому збільшенні на кіноплівку зіткнення і розліт двох молекул буде виглядати на екрані цілком правдоподібно, незалежно від того, як плівка вставлена в проектор. Якщо ж на плівку знято процес дифузії газів (наприклад пофарбованих у різні кольори) так, що молекули не помітні, а система спостерігається в цілому, вибір правильного напрямку руху плівки не викличе сумнівів.
Механізм виникнення незворотності легко зрозуміти на прикладі розрахунку інтуїтивно дуже малоймовірному явища: утворення вакууму в одній половині кімнати внаслідок випадкового переміщення всіх хаотично рухаються молекул в іншу половину. Очевидно, що ймовірність перебування однієї молекули в обраній половині обсягу дорівнює 0,5. Якщо руху молекул незалежні, то ймовірність всім N молекулам опинитися в цій половині дорівнює добутку ймовірностей для кожної з молекул. Таким чином, повний вакуум у половині кімнати виникає з дуже малою ймовірністю. Про те, наскільки мала ця величина, можна говорити, порівнявши її з імовірністю повсякденно спостережуваного явища - рівномірного розподілу газу в двох половинах кімнати. Якщо подумки занумеровані всі молекули, то ймовірність виявлення всіх перших N / 2 молекул в одній половині обсягу збігається з ймовірністю знайти все, що залишилися молекули в другій половині.
Отриманий «дивний» результат не означає того, що в кімнаті легко задихнутися. Помилка розрахунку полягає в тому, що для дихання людини неістотно, які саме молекули кисню знаходяться в його половині кімнати: якщо яку-небудь пару молекул, що знаходяться в різних частинах обсягу, поміняти місцями, цього «ніхто не помітить». Таким чином, вірогідність рівномірного розподілу молекул між двома половинами обсягу перевищує ймовірність утворення вакууму в одній з половин у величезне число разів, яке дорівнює кількості всіляких перестановок молекул між цими половинами.
Наведений приклад дозволяє сформулювати загальний механізм виникнення незворотних макроскопічних процесів. Різні макроскопічні стани можуть реалізовуватися різним числом відрізняються один від одного мікроскопічних, перехід між якими не призводить до нових макро станам. Найбільш ймовірними є ті макроскопічні стану, яким відповідає найбільше число мікроскопічних. Такі стани і є термодинамічними рівноважними. Якщо ж штучно створити нерівноважний макроскопічне стан, що реалізовується малим числом мікроскопічних, ймовірність їх повторної реалізації виявляється дуже малою, що і означає перехід системи в макроскопічне стан, що відповідає термодинамічної рівноваги. Самовільний вихід макроскопічної системи зі стану термодинамічної рівноваги можливий, але вкрай малоймовірний.
Кількісною мірою ймовірності реалізації макроскопічного стану є його ентропія. Очевидно, що в ході необоротних процесів (тобто при переході до більш імовірним станам) ентропія системи зростає, а при оборотних переходах - зберігається. Закон зростання ентропії носить не строгий, а імовірнісний характер. Іноді кажуть, що ентропія є мірою безладу в системі.
Другий закон термодинаміки накладає заборону на існування вічного двигуна другого роду, який представляє собою гіпотетичний пристрій, призначений для здійснення макроскопічної роботи за рахунок енергії теплового руху речовини. Функціонування подібного пристрою в замкнутій системі не суперечить закону збереження енергії, але вкрай малоймовірно, оскільки дозволило б здійснити процес, що супроводжується зменшенням ентропії (теплий газ, що знаходиться в стані термодинамічної рівноваги, за допомогою такого «двигуна» можна було б трохи остудити, а отриману за рахунок цього енергію використовувати на нагрівання частини газу, що вивело б його з рівноваги).
Дотепний приклад нездійсненного вічного двигуна другого роду був запропонований Максвеллом («демон Максвелла»). Його основу складав замкнутий об'єм з перегородкою, невеликий отвір в якій перекривався дверцятами, керованої що була всередині демоном так, що в одну сторону пропускалися тільки швидко летять молекули, а в іншу - повільні. У результаті роботи такого «демона» в замкнутій системі відбулося б розподіл газу на холодний і гарячий, тобто виникло б нерівноважний стан. Неможливість подібної роботи «демона» пояснюється тим, що будучи ізольованим від навколишнього середовища, він, прагнучи до термодинамічної рівноваги з газом в посудині, неминуче нагріється до його температури, почне сама чинити хаотичні теплові коливання і, отже, втратить здатність відрізняти «швидкі» молекули від «повільних».
Наш світ можна розглядати як гігантську термодинамічну систему, що знаходиться в нерівноважному стані (енергія сконцентрована головним чином у гарячих зірках і поступово мігрує в набагато більш холодне міжзоряний простір). Всі наявні двигуни (до яких цілком можуть бути віднесені і біологічні об'єкти) виявляються працездатними в кінцевому підсумку за рахунок існування зазначеної глобальної нерівноважності. Природними є питання про причини її виникнення та перспективи, пов'язані з прагненням глобальної системи до термодинамічної рівноваги.
Виникнення глобальної нерівноважності зазвичай пов'язують з випадковою флуктуації, що має гігантські масштаби і, тому, вкрай малоймовірною. Проблема малої ймовірності частково знімається антропогенним принципом (до тих пір, поки флуктуація не виникла, не було кому її чекати і замислюватися над тим, наскільки це буде маловірогідним подією). Після виникнення нерівноважності стали можливими незворотні процеси, тобто виникло поняття часу. Роль такого «початку відліку світового часу» зазвичай приписується великому вибуху, вичерпний опис якого лежить далеко за рамками класичного опису природи.
2 Прикладне значення
Застосування концепцій класичної механіки і термодинаміки в автотехнічної, балістичної і пожарнотехніческой експертизах. Гіроскопічні системи навігації. Елементи біомеханіки в спорті
Внаслідок розвитку фізики на початку XX століття визначилася область застосування класичної механіки: її закони виконуються для рухів, швидкість яких багато менше швидкості світла. Було встановлено, що із зростанням швидкості маса тіла зростає. Взагалі закони класичної механіки Ньютона справедливі для випадку інерціальних систем відліку. У разі неінерційній систем відліку ситуація інша. При прискореному русі неінерційній системи координат відносно інерціальної системи перший закон Ньютона (закон інерції) у цій системі не має місця, - вільні тіла в ній будуть з плином часу міняти свою швидкість руху.
Експерт при виробництві пожежно-технічних досліджень повинен володіти знаннями не лише в різних галузях наук, а й фундаментальні концепції класичної механіки. При будівництві житлових будинків використовується велика кількість різноманітних будівельних матеріалів, які складаються з складних хімічних сполук. При пожежі, в результаті впливу на будівельні матеріали теплоти пожежі, вони по різному проявляють зміни свого не тільки хімічного, а й фізичного стану. Так, наприклад, дерев'яні конструкції окислюються до газоподібних продуктів, металеві конструкції змінюють свої фізичні властивості (з'являється деформація) або переходять в рідкий стан (розплавляються). Причому під час пожежі ці зміни відбуваються в різний час. Отже, при аналізі розвитку пожежі від місця загоряння експерту необхідно знати, при якій кількості тепла відбуваються фізико-хімічні зміни в тому чи іншому речовині і матеріалі, і яка кількість часу потрібно для їх перетворення з одного стану в інший.
Усі будівельні конструкції при зведенні житлового будинку залежно від призначення несуть певне навантаження як від інших конструктивних елементів, так і від навантаження, створюваної внутрішнім оздобленням приміщень, є теплоізолюючими перешкодами або використовуються як декоративні для створення внутрішнього інтер'єру приміщень і зовнішньої архітектури будівлі. Несучі будівельні конструкції будівлі взаємопов'язані між собою і сприймають як вертикальні, так і горизонтальні навантаження. При втраті несучої здатності в результаті пожежі хоча б однієї з них відбувається перерозподіл навантажень на інші несучі будівельні елементи будівлі, які можуть змінити своє початкове положення. Для оцінки цих змін пожежно-технічному експерту необхідно мати пізнання в будівельній механіці, в основі якої лежить наука про опір матеріалів. Житлові будинки в залежності від функціонального призначення поділяються огороджувальними конструкціями: стінами, перекриттями й перегородками на окремі приміщення: житлові кімнати, кухні, сходові клітини, коридори і т.д. При виникненні пожежі в одному з приміщень ці огороджувальні конструкції перешкоджають поширенню пожежі за межі приміщення протягом якогось часу, яке для кожної огороджувальної конструкції різному. Визначаючи час опору розвитку пожежі в суміжне приміщення для кожної огороджувальної конструкції, можна встановити приміщення, де він виник (методом «зворотного відліку»). У свою чергу опірність конструкції теплового впливу залежить від теплофізичних властивостей матеріалів, з яких ці конструкції виготовлені. Отже, пожежно-технічний експерт повинен знати основи теплофізики. У залежності від призначення приміщень у них знаходиться різна кількість пожежного навантаження (горючі будівельні матеріали, предмети меблів і внутрішнього оздоблення приміщень і т.д.). При її згорянні виділяються гарячі продукти горіння, які через наявні отвори в будівельних конструкціях (дверні прорізи, вентиляційні канали, зазори в конструкціях при прокладанні інженерних комунікацій і т.д.) проникають в суміжні приміщення і за певних умов можуть запалити що знаходиться в них горючу пожежну навантаження. Для дослідження цього процесу пожежно-технічний експерт повинен мати відповідні знання з термогазодинаміка. Як вже було сказано вище, для запалення горючої речовини необхідна певна кількість теплоти. Ця теплота може бути присутнім як при нормальному режимі роботи в нагрівальних пристроях (наприклад, для забезпечення комфортних умов проживання в будинках влаштовуються: печі, використовуються електронагрівальні прилади тощо), так і при аварійних режимах його роботи (наприклад, теплове прояв струму короткого замикання в електроустановці). Ця теплота при певних умовах може стати джерелом запалювання горючої навантаження. Отже, пожежно-технічний експерт повинен розбиратися в основах електротехніки і теплопередачі.
Засновником сучасної балістики прийнято вважати І. Ньютона (1643-1727). Формулюючи закони руху і розраховуючи траєкторію матеріальної точки в просторі, він спирався на математичну теорію динаміки твердого тіла, яку розробили І. Мюллер (Німеччина) та італійці М. Фонтану та Г. Галілей в 15 і 16 ст. При виробництві балістичної експертизи застосовуються класичні принципи гравітації, інерції.
У автотехнічної експертизи є фундаментальним використання в якості їх теоретичної бази законів механіки. Отримані на основі теорії механічного руху розрахункові формули дозволяють експерту надійно і достовірно оцінити ті чи інші параметри руху лише за умови постановки в формули достовірних числових значень відповідних розрахункових даних - результатів вимірювань, параметрів і коефіцієнтів. Останнє має принципове значення, бо тільки за умови достовірності вихідних даних можна говорити про обгрунтованість, об'єктивності, достовірності висновків та висновків експерта і в кінцевому підсумку - про допустимість висновку експерта як доказу. Практично всі розрахунки, що виконуються за формулами, що містить величини, отримані за допомогою вимірів (незалежно від того, чи отримані їх значення експериментально або витягнуті з відповідних довідкових таблиць) представляють собою типовий випадок так званих непрямих вимірювань. Непрямими називають виміри, при яких результат вимірювання розраховується за формулою, а величини, що входять у формулу, знаходяться за допомогою вимірів. Отже, результати непрямих вимірювань (тобто розрахунку), повинні включати оцінку похибки результату розрахунку. З метою одноманітності правила обробки результатів і оцінювання похибки непрямих вимірювань регламентовані нормативними документами Державної системи забезпечення єдності вимірювань.
Біомеханіка - вчення про рухових можливостях і рухової діяльності людини і тварин. Вона базується на анатомії, фізіології і фундаментальних наукових дисциплінах - фізики (механіці), математики та теорії управління. Але головне - біомеханіка служить сполучною ланкою між теорією і практикою фізичного виховання, спорту і масової фізичної культури. Спираючись на знання біомеханіки, педагогу легше вчити своїх вихованців. Але для цього необхідно вміти аналізувати рухову діяльність, або, кажучи професійною мовою, читати руху.
Найбільш елементарною формою руху матерії є механічний рух, тобто переміщення тіла в просторі. Закономірності механічного руху вивчаються механікою. Предметом механіки як науки є вивчення змін просторового розташування тіл і тих причин, або сил, які викликають ці зміни. Розкриваючи і описуючи умови, необхідні для здійснення того чи іншого механічного руху, механіка є важливою теоретичною основою техніки, особливо техніки побудови різноманітних механізмів. Механічна точка зору може бути використана і при вивченні механічних рухів людини.
Рухова діяльність людини практично здійснюється за участю всіх органів тіла. Однак безпосереднім виконавцем функції руху є руховий апарат, що складається з кісток, скелета, зв'язок і м'язів з їх іннервацією і кровоносними судинами. З механічної точки зору, руховий апарат поєднує в собі робочу машину і машину-двигун.
Механічний підхід до вивчення рухів людини дозволяє визначити кількісну міру рухових процесів, пояснити фізичну сутність механічних явищ, розкриває величезну складність будови тіла людини і його рухів з точки зору фізики. Застосування законів механіки в біомеханіки абсолютно необхідно, але воно недостатньо. Як біомеханічна система тіло людини істотно відрізняється від абсолютно твердого тіла або матеріальної точки, які розглядаються в класичній механіці. Внутрішні сили, які при вирішенні завдань в механіці твердого тіла намагаються виключити, мають визначальне значення для рухів людини. Байдужість до джерела сили в механіці змінюється крайнім інтересом до цього питання в біомеханіки. Поряд з механічними причинами особливої складності рухів тварин існують немеханічні причини, які грають ще більшу роль. Саме ці причини представники даного напрямку зазвичай не розглядають. Чисто механічний підхід створює підгрунтя для невиправданих спрощень, що часто призводить до неправильних висновків. Крім того, з'являється небезпека недооцінки якісної специфіки фізики живого. Виникають механістичні тенденції пояснення якісно більш високих явищ найпростішими механічними факторами.
Під навігацією розуміють процес формування програми траекторного руху об'єкта і її реалізації при русі об'єкта з одного пункту в заданий. Параметри траекторного руху об'єкта та інші параметри, використовувані для формування програми траекторного руху, називають навігаційними. Це - параметри траєкторії, координати, швидкість, просторові і тимчасові інтервали, напрямок руху. Динамічні властивості гіроскопа визначаються такими основними параметрами, як кутова швидкість власного обертання, момент інерції і кінетичний момент гіроскопа. Кутова швидкість власного обертання ротора гіроскопа - це величина, що враховує кут, на який повертається кожна точка тіла за одиницю часу t. Власне обертання ротора гіроскопа відбувається навколо головної осі x, тому кутову швидкість обертання ротора Ω можна виразити співвідношенням:
,
де ψ - кут повороту ротора навколо осі x.
Кутова швидкість обертання ротора визначається числом радіан в секунду або числом оборотів в хвилину. У сучасних гіроскопічних приладах кутові швидкості власного обертання роторів гіроскопів знаходяться в межах 6000-30000 об. / хв. Момент інерції ротора гіроскопа I. З законів Ньютона і принципів Даламбера відомо, що маса тіла є мірилом його інертності. Гіроскоп - Швидкообертаюча симетричне тіло. Згідно з положеннями теоретичної механіки маса повністю не визначає інертність тіла. Для визначення інертності тіла, що обертається необхідно окрім чисельного значення маси знати ще й її положення щодо точки, що лежить на осі обертання. Величина, що враховує масу тіла і положення її відносно осі обертання, називається моментом інерції. Однією з форм роторів, що застосовуються в гіроскопічних приладах, є ротор кільцевого типу, у якого диск переходить у масивний обід, сосредоточивающий основну масу ротора.
Висновок
Внесок, зроблений Ньютоном у розвиток природознавства, полягав у тому, що він дав математичний метод звернення фізичних законів у кількісно вимірні результати, які можна було підтвердити спостереженнями, і, навпаки, виводити фізичні закони на основі таких спостережень. Як він сам писав у передмові до «Початкам», »... твір це нами пропонується як математичні основи фізики. Усі труднощі фізики ... полягає в тому, щоб по явищах руху розпізнати сили природи, а потім по цих силах пояснити інші явища ... Було б бажано вивести з початків механіки й інші явища природи, розмірковуючи подібним же чином, бо багато чого змушує мене припускати, що всі ці явища зумовлюються деякими силами, з якими частки тел внаслідок причин, поки невідомих, або прагнуть один до одного і зчіплюються в правильні фігури, або ж взаємно відштовхуються і віддаляються один від одного. Так як ці сили невідомі, досі спроби філософів пояснити явища природи і залишалися безплідними. Я сподіваюся, однак, що або цього способу міркування, або іншому, більш правильному, викладені тут підстави доставлять деякий освітлення. »
Ньютонівської метод став головним інструментом пізнання природи. Закони класичної механіки і методи математичного аналізу демонстрували свою ефективність. Фізичний експеримент, спираючись на вимірювальну техніку, забезпечував небувалу раніше точність. Фізичне знання все більшою мірою ставало основою промислової технології і техніки, стимулювало розвиток інших природничих наук. У фізиці ізольовані раніше світло, електрику, магнетизм і теплота виявилися об'єднаними в електромагнітну теорію. І хоча природа тяжіння залишалася не з'ясованою, його дії можна було розрахувати. Утвердилася концепція механістичного детермінізму Лапласа, що виходила з можливості однозначно визначити поведінку системи в будь-який момент часу, якщо відомі вихідні умови. Структура механіки як науки здавалася міцною, надійною і майже повністю завершеною - тобто не укладаються в існуючі класичні канони феномени, з якими доводилося стикатися, здавалися цілком зрозумілими в майбутньому більш витонченими умами з позицій класичної механіки. Складалося враження, що знання фізики близько до свого повного завершення - настільки потужну силу демонстрував фундамент класичної фізики.
Молекулярно-кінетична теорія дозволила дати просте пояснення так званого першого початку термодинаміки. Цей досить загальний закон спочатку був сформульований в результаті узагальнення досвіду численних невдалих спроб створення вічного двигуна першого роду - вельми привабливого з економічної точки зору технічного пристрою, здатного виробляти механічну роботу, більшу ніж підведена до нього теплова (або інша) енергія. Однією з формулювань першого початку є твердження про неможливість подібного пристрою, інший - закон збереження енергії, де другий доданок описує «непоправну втрату» частини підведеної до пристрою енергії.
Відповідно до загального закону збереження, енергія не зникає, а переходить в інші форми. З точки зору молекулярно-кінетичної теорії введена в рівняння закону додаткова величина (т.зв. внутрішня енергія) має простий механічний зміст і являє собою суму кінетичних енергій теплового руху всіх молекул і потенційних енергій їх взаємодії. Таким чином, частина підводиться до двигуна (або будь-який інший термодинамічній системі) енергії витрачається на її нагрівання.
Велике філософське значення має проблема розуміння механізму виникнення незворотності. Наявність необоротних процесів визначає спрямованість плину часу. У світі, де існують тільки оборотні процеси, мабуть, було б неможливо відрізнити минуле від майбутнього. Існування незворотних процесів у макросвіті не викликає сумніву. До них належить встановлення рівноважної температури при тепловому контакті гарячих і холодних тіл, перемішування спочатку розділених газів в результаті дифузії і багато інших.
З точки зору молекулярно-кінетичної теорії, що зводить теплові макроскопічні процеси до механічних взаємодій на мікроскопічному рівні, виникнення незворотності досить несподівано, оскільки механічні явища оборотні в часі. Формально це випливає з того, що в другій закон Ньютона входить друга похідна за часом (прискорення), не змінює знак при операції звернення часу t ® - t. Зокрема це, наприклад, означає, що зняте при великому збільшенні на кіноплівку зіткнення і розліт двох молекул буде виглядати на екрані цілком правдоподібно, незалежно від того, як плівка вставлена в проектор. Якщо ж на плівку знято процес дифузії газів (наприклад пофарбованих у різні кольори) так, що молекули не помітні, а система спостерігається в цілому, вибір правильного напрямку руху плівки не викличе сумнівів.
Механізм виникнення незворотності легко зрозуміти на прикладі розрахунку інтуїтивно дуже малоймовірному явища: утворення вакууму в одній половині кімнати внаслідок випадкового переміщення всіх хаотично рухаються молекул в іншу половину. Очевидно, що ймовірність перебування однієї молекули в обраній половині обсягу дорівнює 0,5. Якщо руху молекул незалежні, то ймовірність всім N молекулам опинитися в цій половині дорівнює добутку ймовірностей для кожної з молекул. Таким чином, повний вакуум у половині кімнати виникає з дуже малою ймовірністю. Про те, наскільки мала ця величина, можна говорити, порівнявши її з імовірністю повсякденно спостережуваного явища - рівномірного розподілу газу в двох половинах кімнати. Якщо подумки занумеровані всі молекули, то ймовірність виявлення всіх перших N / 2 молекул в одній половині обсягу збігається з ймовірністю знайти все, що залишилися молекули в другій половині.
Отриманий «дивний» результат не означає того, що в кімнаті легко задихнутися. Помилка розрахунку полягає в тому, що для дихання людини неістотно, які саме молекули кисню знаходяться в його половині кімнати: якщо яку-небудь пару молекул, що знаходяться в різних частинах обсягу, поміняти місцями, цього «ніхто не помітить». Таким чином, вірогідність рівномірного розподілу молекул між двома половинами обсягу перевищує ймовірність утворення вакууму в одній з половин у величезне число разів, яке дорівнює кількості всіляких перестановок молекул між цими половинами.
Наведений приклад дозволяє сформулювати загальний механізм виникнення незворотних макроскопічних процесів. Різні макроскопічні стани можуть реалізовуватися різним числом відрізняються один від одного мікроскопічних, перехід між якими не призводить до нових макро станам. Найбільш ймовірними є ті макроскопічні стану, яким відповідає найбільше число мікроскопічних. Такі стани і є термодинамічними рівноважними. Якщо ж штучно створити нерівноважний макроскопічне стан, що реалізовується малим числом мікроскопічних, ймовірність їх повторної реалізації виявляється дуже малою, що і означає перехід системи в макроскопічне стан, що відповідає термодинамічної рівноваги. Самовільний вихід макроскопічної системи зі стану термодинамічної рівноваги можливий, але вкрай малоймовірний.
Кількісною мірою ймовірності реалізації макроскопічного стану є його ентропія. Очевидно, що в ході необоротних процесів (тобто при переході до більш імовірним станам) ентропія системи зростає, а при оборотних переходах - зберігається. Закон зростання ентропії носить не строгий, а імовірнісний характер. Іноді кажуть, що ентропія є мірою безладу в системі.
Другий закон термодинаміки накладає заборону на існування вічного двигуна другого роду, який представляє собою гіпотетичний пристрій, призначений для здійснення макроскопічної роботи за рахунок енергії теплового руху речовини. Функціонування подібного пристрою в замкнутій системі не суперечить закону збереження енергії, але вкрай малоймовірно, оскільки дозволило б здійснити процес, що супроводжується зменшенням ентропії (теплий газ, що знаходиться в стані термодинамічної рівноваги, за допомогою такого «двигуна» можна було б трохи остудити, а отриману за рахунок цього енергію використовувати на нагрівання частини газу, що вивело б його з рівноваги).
Дотепний приклад нездійсненного вічного двигуна другого роду був запропонований Максвеллом («демон Максвелла»). Його основу складав замкнутий об'єм з перегородкою, невеликий отвір в якій перекривався дверцятами, керованої що була всередині демоном так, що в одну сторону пропускалися тільки швидко летять молекули, а в іншу - повільні. У результаті роботи такого «демона» в замкнутій системі відбулося б розподіл газу на холодний і гарячий, тобто виникло б нерівноважний стан. Неможливість подібної роботи «демона» пояснюється тим, що будучи ізольованим від навколишнього середовища, він, прагнучи до термодинамічної рівноваги з газом в посудині, неминуче нагріється до його температури, почне сама чинити хаотичні теплові коливання і, отже, втратить здатність відрізняти «швидкі» молекули від «повільних».
Наш світ можна розглядати як гігантську термодинамічну систему, що знаходиться в нерівноважному стані (енергія сконцентрована головним чином у гарячих зірках і поступово мігрує в набагато більш холодне міжзоряний простір). Всі наявні двигуни (до яких цілком можуть бути віднесені і біологічні об'єкти) виявляються працездатними в кінцевому підсумку за рахунок існування зазначеної глобальної нерівноважності. Природними є питання про причини її виникнення та перспективи, пов'язані з прагненням глобальної системи до термодинамічної рівноваги.
Виникнення глобальної нерівноважності зазвичай пов'язують з випадковою флуктуації, що має гігантські масштаби і, тому, вкрай малоймовірною. Проблема малої ймовірності частково знімається антропогенним принципом (до тих пір, поки флуктуація не виникла, не було кому її чекати і замислюватися над тим, наскільки це буде маловірогідним подією). Після виникнення нерівноважності стали можливими незворотні процеси, тобто виникло поняття часу. Роль такого «початку відліку світового часу» зазвичай приписується великому вибуху, вичерпний опис якого лежить далеко за рамками класичного опису природи.
2 Прикладне значення
Застосування концепцій класичної механіки і термодинаміки в автотехнічної, балістичної і пожарнотехніческой експертизах. Гіроскопічні системи навігації. Елементи біомеханіки в спорті
Внаслідок розвитку фізики на початку XX століття визначилася область застосування класичної механіки: її закони виконуються для рухів, швидкість яких багато менше швидкості світла. Було встановлено, що із зростанням швидкості маса тіла зростає. Взагалі закони класичної механіки Ньютона справедливі для випадку інерціальних систем відліку. У разі неінерційній систем відліку ситуація інша. При прискореному русі неінерційній системи координат відносно інерціальної системи перший закон Ньютона (закон інерції) у цій системі не має місця, - вільні тіла в ній будуть з плином часу міняти свою швидкість руху.
Експерт при виробництві пожежно-технічних досліджень повинен володіти знаннями не лише в різних галузях наук, а й фундаментальні концепції класичної механіки. При будівництві житлових будинків використовується велика кількість різноманітних будівельних матеріалів, які складаються з складних хімічних сполук. При пожежі, в результаті впливу на будівельні матеріали теплоти пожежі, вони по різному проявляють зміни свого не тільки хімічного, а й фізичного стану. Так, наприклад, дерев'яні конструкції окислюються до газоподібних продуктів, металеві конструкції змінюють свої фізичні властивості (з'являється деформація) або переходять в рідкий стан (розплавляються). Причому під час пожежі ці зміни відбуваються в різний час. Отже, при аналізі розвитку пожежі від місця загоряння експерту необхідно знати, при якій кількості тепла відбуваються фізико-хімічні зміни в тому чи іншому речовині і матеріалі, і яка кількість часу потрібно для їх перетворення з одного стану в інший.
Усі будівельні конструкції при зведенні житлового будинку залежно від призначення несуть певне навантаження як від інших конструктивних елементів, так і від навантаження, створюваної внутрішнім оздобленням приміщень, є теплоізолюючими перешкодами або використовуються як декоративні для створення внутрішнього інтер'єру приміщень і зовнішньої архітектури будівлі. Несучі будівельні конструкції будівлі взаємопов'язані між собою і сприймають як вертикальні, так і горизонтальні навантаження. При втраті несучої здатності в результаті пожежі хоча б однієї з них відбувається перерозподіл навантажень на інші несучі будівельні елементи будівлі, які можуть змінити своє початкове положення. Для оцінки цих змін пожежно-технічному експерту необхідно мати пізнання в будівельній механіці, в основі якої лежить наука про опір матеріалів. Житлові будинки в залежності від функціонального призначення поділяються огороджувальними конструкціями: стінами, перекриттями й перегородками на окремі приміщення: житлові кімнати, кухні, сходові клітини, коридори і т.д. При виникненні пожежі в одному з приміщень ці огороджувальні конструкції перешкоджають поширенню пожежі за межі приміщення протягом якогось часу, яке для кожної огороджувальної конструкції різному. Визначаючи час опору розвитку пожежі в суміжне приміщення для кожної огороджувальної конструкції, можна встановити приміщення, де він виник (методом «зворотного відліку»). У свою чергу опірність конструкції теплового впливу залежить від теплофізичних властивостей матеріалів, з яких ці конструкції виготовлені. Отже, пожежно-технічний експерт повинен знати основи теплофізики. У залежності від призначення приміщень у них знаходиться різна кількість пожежного навантаження (горючі будівельні матеріали, предмети меблів і внутрішнього оздоблення приміщень і т.д.). При її згорянні виділяються гарячі продукти горіння, які через наявні отвори в будівельних конструкціях (дверні прорізи, вентиляційні канали, зазори в конструкціях при прокладанні інженерних комунікацій і т.д.) проникають в суміжні приміщення і за певних умов можуть запалити що знаходиться в них горючу пожежну навантаження. Для дослідження цього процесу пожежно-технічний експерт повинен мати відповідні знання з термогазодинаміка. Як вже було сказано вище, для запалення горючої речовини необхідна певна кількість теплоти. Ця теплота може бути присутнім як при нормальному режимі роботи в нагрівальних пристроях (наприклад, для забезпечення комфортних умов проживання в будинках влаштовуються: печі, використовуються електронагрівальні прилади тощо), так і при аварійних режимах його роботи (наприклад, теплове прояв струму короткого замикання в електроустановці). Ця теплота при певних умовах може стати джерелом запалювання горючої навантаження. Отже, пожежно-технічний експерт повинен розбиратися в основах електротехніки і теплопередачі.
Засновником сучасної балістики прийнято вважати І. Ньютона (1643-1727). Формулюючи закони руху і розраховуючи траєкторію матеріальної точки в просторі, він спирався на математичну теорію динаміки твердого тіла, яку розробили І. Мюллер (Німеччина) та італійці М. Фонтану та Г. Галілей в 15 і 16 ст. При виробництві балістичної експертизи застосовуються класичні принципи гравітації, інерції.
У автотехнічної експертизи є фундаментальним використання в якості їх теоретичної бази законів механіки. Отримані на основі теорії механічного руху розрахункові формули дозволяють експерту надійно і достовірно оцінити ті чи інші параметри руху лише за умови постановки в формули достовірних числових значень відповідних розрахункових даних - результатів вимірювань, параметрів і коефіцієнтів. Останнє має принципове значення, бо тільки за умови достовірності вихідних даних можна говорити про обгрунтованість, об'єктивності, достовірності висновків та висновків експерта і в кінцевому підсумку - про допустимість висновку експерта як доказу. Практично всі розрахунки, що виконуються за формулами, що містить величини, отримані за допомогою вимірів (незалежно від того, чи отримані їх значення експериментально або витягнуті з відповідних довідкових таблиць) представляють собою типовий випадок так званих непрямих вимірювань. Непрямими називають виміри, при яких результат вимірювання розраховується за формулою, а величини, що входять у формулу, знаходяться за допомогою вимірів. Отже, результати непрямих вимірювань (тобто розрахунку), повинні включати оцінку похибки результату розрахунку. З метою одноманітності правила обробки результатів і оцінювання похибки непрямих вимірювань регламентовані нормативними документами Державної системи забезпечення єдності вимірювань.
Біомеханіка - вчення про рухових можливостях і рухової діяльності людини і тварин. Вона базується на анатомії, фізіології і фундаментальних наукових дисциплінах - фізики (механіці), математики та теорії управління. Але головне - біомеханіка служить сполучною ланкою між теорією і практикою фізичного виховання, спорту і масової фізичної культури. Спираючись на знання біомеханіки, педагогу легше вчити своїх вихованців. Але для цього необхідно вміти аналізувати рухову діяльність, або, кажучи професійною мовою, читати руху.
Найбільш елементарною формою руху матерії є механічний рух, тобто переміщення тіла в просторі. Закономірності механічного руху вивчаються механікою. Предметом механіки як науки є вивчення змін просторового розташування тіл і тих причин, або сил, які викликають ці зміни. Розкриваючи і описуючи умови, необхідні для здійснення того чи іншого механічного руху, механіка є важливою теоретичною основою техніки, особливо техніки побудови різноманітних механізмів. Механічна точка зору може бути використана і при вивченні механічних рухів людини.
Рухова діяльність людини практично здійснюється за участю всіх органів тіла. Однак безпосереднім виконавцем функції руху є руховий апарат, що складається з кісток, скелета, зв'язок і м'язів з їх іннервацією і кровоносними судинами. З механічної точки зору, руховий апарат поєднує в собі робочу машину і машину-двигун.
Механічний підхід до вивчення рухів людини дозволяє визначити кількісну міру рухових процесів, пояснити фізичну сутність механічних явищ, розкриває величезну складність будови тіла людини і його рухів з точки зору фізики. Застосування законів механіки в біомеханіки абсолютно необхідно, але воно недостатньо. Як біомеханічна система тіло людини істотно відрізняється від абсолютно твердого тіла або матеріальної точки, які розглядаються в класичній механіці. Внутрішні сили, які при вирішенні завдань в механіці твердого тіла намагаються виключити, мають визначальне значення для рухів людини. Байдужість до джерела сили в механіці змінюється крайнім інтересом до цього питання в біомеханіки. Поряд з механічними причинами особливої складності рухів тварин існують немеханічні причини, які грають ще більшу роль. Саме ці причини представники даного напрямку зазвичай не розглядають. Чисто механічний підхід створює підгрунтя для невиправданих спрощень, що часто призводить до неправильних висновків. Крім того, з'являється небезпека недооцінки якісної специфіки фізики живого. Виникають механістичні тенденції пояснення якісно більш високих явищ найпростішими механічними факторами.
Під навігацією розуміють процес формування програми траекторного руху об'єкта і її реалізації при русі об'єкта з одного пункту в заданий. Параметри траекторного руху об'єкта та інші параметри, використовувані для формування програми траекторного руху, називають навігаційними. Це - параметри траєкторії, координати, швидкість, просторові і тимчасові інтервали, напрямок руху. Динамічні властивості гіроскопа визначаються такими основними параметрами, як кутова швидкість власного обертання, момент інерції і кінетичний момент гіроскопа. Кутова швидкість власного обертання ротора гіроскопа - це величина, що враховує кут, на який повертається кожна точка тіла за одиницю часу t. Власне обертання ротора гіроскопа відбувається навколо головної осі x, тому кутову швидкість обертання ротора Ω можна виразити співвідношенням:
де ψ - кут повороту ротора навколо осі x.
Кутова швидкість обертання ротора визначається числом радіан в секунду або числом оборотів в хвилину. У сучасних гіроскопічних приладах кутові швидкості власного обертання роторів гіроскопів знаходяться в межах 6000-30000 об. / хв. Момент інерції ротора гіроскопа I. З законів Ньютона і принципів Даламбера відомо, що маса тіла є мірилом його інертності. Гіроскоп - Швидкообертаюча симетричне тіло. Згідно з положеннями теоретичної механіки маса повністю не визначає інертність тіла. Для визначення інертності тіла, що обертається необхідно окрім чисельного значення маси знати ще й її положення щодо точки, що лежить на осі обертання. Величина, що враховує масу тіла і положення її відносно осі обертання, називається моментом інерції. Однією з форм роторів, що застосовуються в гіроскопічних приладах, є ротор кільцевого типу, у якого диск переходить у масивний обід, сосредоточивающий основну масу ротора.
Висновок
Внесок, зроблений Ньютоном у розвиток природознавства, полягав у тому, що він дав математичний метод звернення фізичних законів у кількісно вимірні результати, які можна було підтвердити спостереженнями, і, навпаки, виводити фізичні закони на основі таких спостережень. Як він сам писав у передмові до «Початкам», »... твір це нами пропонується як математичні основи фізики. Усі труднощі фізики ... полягає в тому, щоб по явищах руху розпізнати сили природи, а потім по цих силах пояснити інші явища ... Було б бажано вивести з початків механіки й інші явища природи, розмірковуючи подібним же чином, бо багато чого змушує мене припускати, що всі ці явища зумовлюються деякими силами, з якими частки тел внаслідок причин, поки невідомих, або прагнуть один до одного і зчіплюються в правильні фігури, або ж взаємно відштовхуються і віддаляються один від одного. Так як ці сили невідомі, досі спроби філософів пояснити явища природи і залишалися безплідними. Я сподіваюся, однак, що або цього способу міркування, або іншому, більш правильному, викладені тут підстави доставлять деякий освітлення. »
Ньютонівської метод став головним інструментом пізнання природи. Закони класичної механіки і методи математичного аналізу демонстрували свою ефективність. Фізичний експеримент, спираючись на вимірювальну техніку, забезпечував небувалу раніше точність. Фізичне знання все більшою мірою ставало основою промислової технології і техніки, стимулювало розвиток інших природничих наук. У фізиці ізольовані раніше світло, електрику, магнетизм і теплота виявилися об'єднаними в електромагнітну теорію. І хоча природа тяжіння залишалася не з'ясованою, його дії можна було розрахувати. Утвердилася концепція механістичного детермінізму Лапласа, що виходила з можливості однозначно визначити поведінку системи в будь-який момент часу, якщо відомі вихідні умови. Структура механіки як науки здавалася міцною, надійною і майже повністю завершеною - тобто не укладаються в існуючі класичні канони феномени, з якими доводилося стикатися, здавалися цілком зрозумілими в майбутньому більш витонченими умами з позицій класичної механіки. Складалося враження, що знання фізики близько до свого повного завершення - настільки потужну силу демонстрував фундамент класичної фізики.