Министерство образования
Реферат
По Физике
Механика от Аристотеля до
Ньютона
ученика 9-1 класса
Украино-Американского Лицея
Ручаевского Дмитрия Александровича.
Руководитель: Карасик Л.В
1997-98 уч. год.
Основная часть
По мере накопления знаний о мире задача их систематизации становилась всё более насущной. Эта задача была выполнена одним из величайших мыслителей древности Аристотелем (384-322гг. до н. э.)
“Аристотель “самая универсальная голова” среди древнегреческих философов”,
сказал Ф. Энгельс про этого великого учёного Древней Греции.
Аристотель родился в Греции , в г. Стагире, расположенном рядом с Македонией.
В 366 г. до н. э. он приехал в Афины в академию Платона и пробыл там вместе с Платоном около 20-ти лет.
В 339 г. до н. э. Аристотель организовал в Афинах свой Лицей и успешно руководил им 13 лет.
Умер Аристотель в 322 году до н. э. на острове Эвбея.
В аристотелевской натурфилософии фундаментальное место занимает учение о движении. Движение он понимает в широком смысле, как изменение вообще, различая изменения качественные, количественные и изменения в пространстве.
Кроме того в понятие движения он включает психологические и социальные изменения - там, где речь идёт об усвоении человеком знаний или об обработке материалов. Понятие движение включает в себя также переход из одного состояния в другое, например из бытия в небытие.
Все механические движения Аристотель делит на три вида: круговые, естественные и насильственные. Круговое движение - это самое совершенное движение, присущее только небесному миру. Это движение вечно и неизменно, и причиной его является перводвигатель - бог, живущий за сферой неподвижных звёзд, где кончается материальная Вселенная.
Земные же движения, где всё несовершенно и имеет начало и конец, бывают естественные и насильственные. Естественное движение- это движение тяжёлого тела вниз к центру Мира, к центру Земли, и лёгкого вверх. Это движение тел происходит само собой, в результате стремления тела занять своё естественное место. Оно не нуждается в силах. Все остальные движения на Земле насильственные и могут происходить только под действием внешних сил ( в том числе равномерное и прямолинейное движение). Свой основной принцип динамики Аристотель формулирует так: “ Всё, что находится в движении, движется благодаря воздействию другого”.
У Аристотеля мы находим также и соображения, дающие основание для, количественного определения силы. Для того чтобы лучше разобраться в сути дела
4
введём некоторые современные термины и обозначения: f- сила, действующая на тело,
рвес тела. Рассуждения Аристотеля сводятся к следующему: сила пропорциональна произведению скорости тела, к которому она приложена, на его вес, т.е. f= pv = ps/t ,
где s- пройденный путь, t- соответствующее время, а v - скорость.
Но вместе с тем Аристотель верил в бога, противопоставлял земное и небесное, в центре ограниченной Вселенной он поместил неподвижную Землю, как тело, обладающее наибольшей тяжестью. За эти и подобные им моменты в учении Аристотеля ухватилась церковь, превратив их в догмы.
Аристотеля называют крёстным отцом физики: ведь название его книги “Физика” стало названием всей физической науки.
studfiles.net
Началом расцвета механики как науки можно считать XVII век — век бурного развития математического естествознания. Именно тогда сформировались основные законы классической механики. Однако зарождение механических знаний относится к глубокой древности, а термин «механика» применялся в античном мире. Правда, ему в течение долгого времени, по крайнем мере до середины XVII в., придавали иной смысл. Происходит он от древнегреческого слова mechane, которым называли все искусно придуманное, понимая при этом механическое искусство. Это относилось как к различным машинам и механизмам, так и вообще к «хитроумным» изобретениям. Слово mechane употреблялось и в несколько более узком смысле. Первоначально оно обозначало название подъемных машин, в частности машин, с помощью которых в греческих театрах поднимали и опускали актеров, и вообще механизмов, позволявших посредством силы поднимать значительные тяжести на достаточно большую высоту.
Позже этим словом стали называть различные метательные машины, применявшиеся в античной технике.
В настоящее время теория машин и механизмов является одним из разделов механики, а название «механика» распространено на науку о всех видах механического движения.
Историю механики, как науки о машинах и механизмах, можно начинать с очень глубокой древности. Уже в эпоху неолита и бронзового века появилось колесо, несколько позже применяются рычаг и наклонная плоскость. Регулярное применение рычага и наклонной плоскости начинается в связи со строительными работами в древневосточных государствах. И, разумеется, все это время шел процесс выработки, осознания ряда более или менее абстрактных понятий, таких, как сила, сопротивление, перемещение, скорость.
Народы, создавшие великие цивилизации в бассейнах Нила, Тигра и Евфрата, были хорошо знакомы с такими механическими орудиями, как рычаг и клин. Первые египетские пирамиды строились примерно за три тысячи лет до нашей эры. На сооружение самой высокой из) них — пирамиды фараона Хуфу (Хеопса) пошло 23 300 000 каменных глыб, средний вес которых равен 2,5 т. При сооружении храмов, колоссальных статуй и обелисков вес отдельных глыб достигал десятков и даже сотен тонн. Такие глыбы из каменоломен доставлялись на место сооружения храма на специальных салазках. В каменоломнях для отрыва каменных глыб от породы служил клин. Подъем тяжестей осуществлялся с помощью наклонной плоскости. Например, наклонная дорога к пирамиде Хафра (Хефрена) имела подъем 45,8 м и длину 494,6 м. Следовательно, угол наклона к горизонту составлял около 5,3°, и выигрыш в силе при поднятии тяжестей на эту высоту был значительным. Для облицовки и пригонки камней, а возможно и при подъеме их со ступеньки на ступеньку применялись качалки. Для поднятия и горизонтального перемещения каменных глыб служил также рычаг. С древнейших времен был известен в Египте и рычаг для подъема воды (шадуф).
Ирригационные сооружения междуречья Тигра и Евфрата (Древний Вавилон), Средней Азии (Древний Хорезм, Согдиана) и Ирана, высокий уровень строительной техники, о котором свидетельствуют многочисленные памятники этой эпохи, позволяют предположить, что при их постройке также использовались «простые машины» — рычаг, клин, наклонная плоскость. С давнего времени (и почти до наших дней) в ирригационных сооружениях Средней Азии для подъема воды служил чигирь — усовершенствованный вариант египетского шадуфа.
Однако до нас не дошел ни один древнеегипетский или вавилонский текст с описанием действия подобных машин. Поэтому остается открытым вопрос, были ли известны тогда, например, свойства рычага, которые греки позднее выразили при помощи пропорций, ныне знакомых каждому школьнику. То же относится к древней Средней Азии и Ирану, где письменные источники практически не сохранились: найдены лишь небольшие фрагменты древнехорезмийских и согдийских рукописей. Основная масса их была уничтожена во время арабского завоевания Средней Азии в VIII в. н. э.
Таким образом, механику Древнего Востока можно отнести к предыстории современной механики. Этот период предыстории характеризуется применением результатов накопленного практического опыта, и эти результаты, видимо, не подвергались теоретической обработке.
Известно, однако, что некоторой теоретической обработке в Древнем Вавилоне подвергались результаты астрономических наблюдений. С точки зрения истории механики значительный интерес представляют вавилонские методы вычисления параметров движения небесных тел, которые реконструированы, правда, на основании изучения вавилонских астрономических текстов достаточно поздней эпохи — эпохи Селевкидов (III—I вв. до н. э.). Это — таблицы эфемерид Солнца, Луны и планет, содержащие константы периодического движения светил.
Так как наблюдательные инструменты вавилонян не могли гарантировать точность даже в секундах, а данные таблиц имеют точность до терций, естественно предположить, что вавилонские астрономы обрабатывали результаты наблюдений таким образом, чтобы представить их в виде арифметических рядов, соответствующих ступенчатой и линейной зигзагообразной функциям. На таком уровне научного мышления представление о скорости движения должно было принять достаточно абстрактный характер.
Характер античной механики определялся экономическими основами рабовладельческого хозяйства. Развитие рабства в Греции явилось предпосылкой для более широкого разделения труда в производстве. До известного периода это обеспечивало более быстрый рост техники и производительных сил, рабовладельцы же получили досуг для интеллектуальной деятельности. Однако рабовладельческое хозяйство содержало в себе элементы, тормозившие дальнейший рост техники. Рабам в основном поручались такие примитивные работы, которые или вовсе не требовали орудий труда, или выполнялись крайне грубыми орудиями, так как раб, низведенный сам до степени орудия труда, не был заинтересован ни в сохранности, ни в совершенствовании этих орудий.
Таким образом, из особенностей рабовладельческой экономики вытекали примитивный характер античной техники и ее медленная эволюция. К рычагу и клину в эллинистическую эпоху, начавшуюся на рубеже IV—III вв. до н. э., добавляются еще блок и винт. В виноделии и маслоделии использовался пресс как рычажный, так и основанный на принципе вдавливаемого клина, а затем винтовой. Для подъема и горизонтального передвижения тяжестей греки и римляне применяли ворот — с горизонтальной осью в первом случае и с вертикальной — во втором. В строительном деле употреблялись также блоки и системы блоков — полиспасты. Вращательные движения преобразовывали с помощью систем зубчатых колес. Более сложные механические орудия (водяное колесо, червячная передача, винт, насос и т. д.) применялись сравнительно редко — рабский труд препятствовал распространению механических приспособлений.
Однако в античном мире были виды деятельности, не связанные или почти не связанные с применением рабского труда. Это — военное и морское дело, потребностями которых в значительной степени определялось развитие античной техники. На греческих и римских судах, как гражданских, так и военных, рабы использовались лишь в качестве гребцов. Более ответственные операции — управление рулями, парусами и т. д.— были делом свободных граждан.
Уровень развития техники в военном деле (особенно в эллинистический и римский периоды) был значительно выше, чем в сельском хозяйстве. Уже в V в. до н. э. (Пелопоннесская война) в афинской армии применялись тараны, которые достигали гигантских размеров. Для метания больших стрел пользовались катапультами; прототипом пулемета был полибол для непрерывного метания стрел; баллисты служили для метания камней. С их помощью ядро в 4 фунта могло быть брошено на расстояние до 300 м. Существовали специальные прицельные приспособления и приборы для изменения траектории.
Очень важным видом деятельности, способствующим развитию техники и механических приспособлений, явилось ремесленное производство, которое, особенно в Греции и эллинистическом мире, было в значительной степени уделом свободных граждан. Именно с ремесленным производством связана разработка различных способов поднятия и перемещения тяжестей при помощи механических приспособлений, «хитроумных устройств» в ткацком, гончарном, ювелирном деле и т. д., т. е. всего того, что, пользуясь современной терминологией, можно объединить в понятие «техническая механика».
Значительным стимулом совершенствования механических устройств было развитие торговли (как внутренней, так главным образом и международной), связанной с применением золота в качестве менового эквивалента и распространением драгоценных камней. Это способствовало использованию рычага в различных его видах, так как торговые операции требовали более точных способов взвешивания. Появляются весы и безмены самых разнообразных конструкций: с перемещающейся точкой опоры, с неподвижной точкой опоры, но перемещающимся грузом и т. д. Практика взвешивания грузов на безменах основывалась на эмпирическом знании закона рычага, и сама она в свою очередь доводила эти законы до степени очевидности. Устройство безмена было основано на твердом убеждении, что двойному грузу, подвешенному к одному плечу рычага (с неподвижной точкой опоры и постоянным по величине противовесом), соответствует вдвое большее удаление противовеса от точки опоры.
Принципиально новым для античной механики по сравнению с научными достижениями Древнего Востока было то, что наряду со стихийным применением результатов многовекового практического опыта появляются и механические теории.
Характерной чертой античной механики является разобщенность учения о движении — кинематики и учения о равновесии — статики. Развитие этих основных областей механики в течение длительного времени (вплоть до XVII в.— периода объединения их в единую науку) шло независимо друг от друга. И это в значительной мере предопределено традициями античной науки. Учение о движении разрабатывалось в рамках общего учения о природе: вопрос о сущности движения был одной из фундаментальных проблем древнегреческой философии. Чисто кинематическое описание движений стало делом астрономов, создававших и достаточно сложные инструменты для своих наблюдений и измерений, и механические модели мироздания: движение небесных тел, согласно общепринятым в античной науке взглядам, не требовало причинных объяснений. Учение о равновесии развивалось на основе опыта применения различных приспособлений.
Таким образом, есть основание выделить три направления и три линии развития в теоретической механике античного мира, которая зародилась в Древней Греции в VI—V вв. до н. э. и развивалась затем в эллинистических государствах и в созданной римлянами империи примерно до V в. н. э. Статика была почти непосредственно связана с техническими запросами; ее основными проблемами был расчет выигрыша в силе, достижимого с помощью известных механических приспособлений, и вывод условий равновесия при взвешивании и плавании тел. Кинематическое направление находилось, по крайней мере в эллинистическую эпоху, в русле астрономической традиции, к тому времени имевшей уже многовековую историю. В обеих этих областях был достигнут достаточно высокий уровень математизации этой науки — с использованием геометрии, тригонометрии и методов инфинитезимального характера. Общее учение о движении, чем занимались философы, было в основном качественной теорией. Оно, в соответствии с установками главных философских школ эпохи, оставляло в стороне количественную сторону дела и искало объяснения механических явлений, опираясь на повседневный опыт и наблюдения, путем сравнений и сопоставлений.
Наиболее ранние сочинения античных авторов, содержащие механические теории, не сохранились. Однако несомненно, что большинство этих теорий посвящено проблемам статики и что их основой служил принцип рычага. Известно, что Архит Тарентский (ок. 428—365 г. до н. э.) разрабатывал теорию блока полиспастов, но результаты его исследований до нас не дошли. Ему же некоторые античные авторы приписывают изобретение винта. Изобретение бесконечного винта для подъема и передвижения тяжестей и бесконечного водоподъемного винта связывают с именем Архимеда. По-видимому, появление винта вызвало постановку новых технических и математических проблем. Однако, если следовать хронологии источников, надо начинать не с Архимеда, а с философов Древней Греции.
Уже на ранних стадиях развития греческой философии можно обнаружить зачатки двух принципиально различных механических концепций, которые можно назвать кинетической и динамической.
Основные положения динамической концепции древних сводились к следующему: материи чуждо самодвижение — сама по себе она может пребывать лишь в покое; движение материи определяется действием на нее активных движущих начал — сил, существующих независимо от нее и действующих извне. По Эмпедоклу, например, материя приводится в движение двумя противоборствующими мировыми силами: любовью и враждой.
Напротив, с точки зрения кинетической концепции в природе нет каких-либо особых начал движения, не связанных с материей: материи свойственно самодвижение. Наиболее последовательными представителями античного кинетизма были атомисты — Левкипп, Демокрит, Эпикур и Лукреций. Принцип механического самодвижения материи в общей форме выражен в их учении о несоздаваемости и неразрушимости материи и движения. Согласно атомистам, природа ничего не содержит, кроме материи, движущейся в пустом пространстве.
Яркое и определенное выражение идея вечности и неуничтожаемости движения нашла у Гераклита Эфесского (ок. 530 г.— ок. 470 г. до н. э.). Гераклит учил, что все существующее в природе возникает из вечно движущегося огня. Огонь Гераклита нужно понимать не в смысле обычного пламени, но как некую огнеподобную первооснову вещей. Мир, как совокупность вещей, сотворен не богом или человеком, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим. Об этом фрагменте Ленин замечает: «Очень хорошее изложение начал диалектического материализма».
Учение о вечности движения вызвало реакцию со стороны Парменида и других философов элейской школы, которые считали, что это учение делает невозможным познание, ибо о том, что меняется, нельзя сказать ничего определенного. Элеаты утверждали, что истинное бытие неподвижно и находится вне времени и пространства, а наши представления о пространстве, времени и движении противоречивы и сложны. Это положение защищалось мастером древней диалектики Зеноном в его знаменитых «парадоксах». Наибольшее же влияние на дальнейшее развитие механики оказало учение Аристотеля.
www.prosopromat.ru
5 марта 1616 года Рим официально определяет гелиоцентризм как опасную ересь:
Утверждать, что Солнце стоит неподвижно в центре мира — мнение нелепое, ложное с философской точки зрения и формально еретическое, так как оно прямо противоречит Св. Писанию.
Утверждать, что Земля не находится в центре мира, что она не остаётся неподвижной и обладает даже суточным вращением, есть мнение столь же нелепое, ложное с философской и греховное с религиозной точки зрения.
Папа Павел V утвердил это решение. Книга Коперника была включена в Индекс запрещённых книг «до её исправления». Декрет конгрегации предписал:
Чтобы никто отныне, какого бы он ни был звания и какое бы ни занимал положение, не смел печатать их или содействовать печатанию, хранить их у себя или читать, а всем, кто имеет или впредь будет иметь их, вменяется в обязанность немедленно по опубликовании настоящего декрета представить их местным властям или инквизиторам.
Всё это время (с декабря 1615 по март 1616 года) Галилей провёл в Риме, безуспешно пытаясь повернуть дело в иную сторону. Он смог добиться только заверений, что лично ему ничего не грозит, однако впредь всякая поддержка «коперниканской ереси» должна быть прекращена.
После рокового декрета 1616 года Галилей на несколько лет сменил направление борьбы — теперь он сосредотачивает усилия преимущественно на критике Аристотеля, чьи сочинения также составляли базу средневекового мировоззрения.
В 1624 году Галилей опубликовал «Письма к Инголи»; это ответ на антикоперниканский трактат богослова Франческо Инголи. Галилей сразу оговаривает, что не собирается защищать коперниканство, а желает всего лишь показать, что у него имеются прочные научные основания. Но главная научная ценность этого сочинения - закладка основ новой, неаристотелевской механики, развёрнутая 12 лет спустя в последнем сочинении Галилея, «Беседы и математические доказательства двух новых наук». Уже в «Письмах к Инголи» Галилей ясно формулирует принцип относительности для равномерного движения:
Результаты стрельбы будут всегда одинаковые, к какой бы стране света она ни была направлена - это произойдет потому, что так же должно получаться, будет ли Земля в движении или стоять неподвижно. Дайте движение кораблю, и притом с какой угодно скоростью; тогда (если только движение его будет равномерным, а не колеблющимся туда и сюда) вы не заметите ни малейшей разницы [в происходящем].
Господствовавшая в эту эпоху схоластическая физика, основавшаяся на поверхностных наблюдениях и умозрительных выкладках, была засорена представлениями о движении вещей в соответствии с их "природой" и целью, о естественной тяжести и легкости тел, о "боязни пустоты", о совершенстве кругового движения и другими ненаучными домыслами, которые сплелись в запутанный узел с религиозными догматами и библейскими мифами. Галилей путем ряда блестящих экспериментов постепенно распутал его и создал важнейшую отрасль механики — динамику, т. е. учение о движении тел.
Занимаясь вопросами механики, Галилей открыл ряд ее фундаментальных законов:
Галилей считается одним из основателей механицизма. Этот научный подход рассматривает Вселенную как гигантский механизм, а сложные природные процессы — как комбинации простейших причин, главная из которых — механическое движение. Анализ механического движения лежит в основе работ Галилея.
3.3. Рене Декарт
«Декарт родился с сильным и живым воображением, благодаря которому он стал незаурядным человеком как в своей частной жизни, так и в свойственном ему методе рассуждения.» Вольтер
Рене Декарт (фр. René Descartes 31 марта 1596 - 11 февраля 1650) - французский математик, философ, физик и физиолог, создатель аналитической геометрии и современной алгебраической символики, автор метода радикального сомнения в философии, механицизма в физике, предтеча рефлексологии.
Родившись в дворянской семье, Рене получил хорошее образование. В 1606 году отец отправил его в иезуитскую коллегию Ла Флеш. Учитывая не очень крепкое здоровье Декарта, ему делали некоторые послабления в строгом режиме этого учебного заведения, например, разрешали вставать позже других. Приобретя в коллегии немало познаний, Рене Декарт в то же время проникся антипатией к схоластической философии, которую он сохранил на всю свою жизнь.
После окончания коллегии Декарт продолжил образование. В 1616 в университете Пуатье он получил степень бакалавра права. В 1617 Декарт поступает на службу в армию и много путешествует по Европе.
1619 год в научном отношении оказался ключевым для Декарта. Именно в это время, как Рене сам писал в дневнике, ему открылись основания новой «удивительнейшей науки». Скорее всего, Декарт имел в виду открытие универсального научного метода, который он впоследствии плодотворно применял в самых разных дисциплинах.
В 1628 Рене Декарт более чем на 15 лет обосновывается в Нидерландах, но не поселяется в каком-то одном месте, а около двух десятков раз меняет место жительства.
В 1633, узнав об осуждении церковью Галилея, Декарт отказывается от публикации натурфилософской работы «Мир», в которой излагались идеи естественного возникновения вселенной по механическим законам материи.
В 1637 году вышла в свет «Диоптрика», где содержались законы распространения света, отражения и преломления, идея эфира как переносчика света, объяснение радуги. Декарт первый математически вывел закон преломления света на границе двух различных сред.
В 1644 году Рене Декартом было введено понятие импульса. Так как физическое понятие массы в то время отсутствовало, он определил импульс как произведение «величины тела на скорость его движения».
Одно из крупнейших открытий Декарта - понятие о рефлексе и принцип рефлекторной деятельности, ставшее фундаментальным для последующей психологии, было совершено с помощью механицизма. Схема рефлекса сводилась к следующему. Декарт представил модель организма как работающий механизм. При таком понимании живое тело не требует более вмешательства души; функции «машины тела», к которым относятся «восприятие, запечатление идей, удержание идей в памяти, внутренние стремления совершаются в этой машине как движения часов».
3.4 Механика Ньютона.
«Гипотез не измышляю.» Исаак Ньютон.
Исаак Ньютон широко известен как автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики. Разработал дифференциальное и интегральное исчисления, теорию цвета и многие другие математические и физические теории.
Этот выдающийся ученый родился 25 декабря 1642 года в деревне Вулсторп. Отец Ньютона не дожил до рождения сына. Мальчик родился преждевременно, был болезненным, поэтому его долго не решались крестить. И всё же он выжил, был крещён, и назван Исааком в честь покойного отца. Факт рождения под Рождество Ньютон считал особым знаком судьбы. Несмотря на слабое здоровье в младенчестве, он прожил 84 года.
В 1655 году 12-летнего Ньютона отдали учиться в расположенную неподалёку школу в Грэнтеме, где он жил в доме аптекаря Кларка. Вскоре мальчик показал незаурядные способности, однако в 1659 году мать Анна вернула его в поместье и попыталась возложить на 16-летнего сына часть дел по управлению хозяйством. Попытка не имела успеха — Исаак предпочитал всем другим занятиям чтение книг, стихосложение и особенно конструирование различных механизмов. В это время к Анне обратился Стокс, школьный учитель Ньютона, и начал уговаривать её продолжить обучение необычайно одарённого сына; к этой просьбе присоединились дядя Уильям и грэнтемский знакомый Исаака (родственник аптекаря Кларка) Хэмфри Бабингтон, член Кембриджского Тринити-колледжа. Объединёнными усилиями они, в конце концов, добились своего. В 1661 году Ньютон успешно окончил школу и отправился продолжать образование в Кембриджский университет.
28 апреля 1686 года первый том «Математических начал» был представлен Королевскому обществу. Все три тома, после некоторой авторской правки, вышли в 1687 году.
Как физический, так и математический уровень труда Ньютона несопоставимы с работами его предшественников. В нём совершенно (за исключением философских отступлений) отсутствует аристотелева или декартова метафизика, с её туманными рассуждениями и неясно сформулированными, часто надуманными «первопричинами» природных явлений. Ньютон, например, не провозглашает, что в природе действует закон тяготения, он строго доказывает этот факт, исходя из наблюдаемой картины движения планет. Метод Ньютона — создание модели явления, «не измышляя гипотез», а потом уже, если данных достаточно, поиск его причин. Такой подход, начало которому было положено Галилеем, означал конец старой физики. Математический аппарат и общую структуру книги Ньютон сознательно построил максимально близкими к тогдашнему стандарту научной строгости — «Началам» Евклида.
В первой главе Ньютон определяет базовые понятия — масса, сила, инерция («врождённая сила материи»), количество движения и др. Постулируются абсолютность пространства и времени, мера которых не зависит от положения и скорости наблюдателя. На основе этих чётко определённых понятий формулируются три закона ньютоновой механики. Впервые даны общие уравнения движения, причём, если физика Аристотеля утверждала, что скорость тела зависит от движущей силы, то Ньютон вносит существенную поправку: не скорость, а ускорение.
Законы Ньютона автор сформулировал в следующем виде:
Современная формулировка: «Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго.»
Современная формулировка: «В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.» Этот закон можно записать в виде формулы:
где - сила, приложенная к материальной точке;
- масса материальной точки;
- ускорение материальной точки.
Современная формулировка: Материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению:
Законы Ньютона являются основными законами механики. Из них могут быть выведены уравнения движения механических систем. Однако не все законы механики можно вывести из законов Ньютона. Например, закон всемирного тяготения или закон Гука не являются следствиями трёх законов Ньютона.
Список использованной литературы.
yaneuch.ru
В трактате «Пневматика» (Πνευματικά) Герон описал различные сифоны, хитроумно устроенные сосуды, автоматы, приводимые в движение сжатым воздухом или паром. Это эолипил, представлявший собой первую паровую турбину — шар, вращаемый силой струй водяного пара; автомат для открывания дверей, автомат для продажи «святой» воды, пожарный насос, водяной орган, механический театр марионеток. В книге «Об автоматах» (Αυτόματα) также описаны различные автоматические устройства.
Как известно, в эпоху античности огромное влияние на людей имела религия. Религий и храмов было много, и каждый ходил общаться с богами туда, куда ему больше нравилось. Поскольку благосостояние жрецов того или иного храма прямо зависело от количества прихожан, жрецы старались завлечь их чем угодно. Тогда-то ими и был открыт закон, действующий и поныне: ничто не сможет привлечь в храм людей лучше, чем это сделает чудо. Однако, Зевс спускался с Олимпа не чаще, чем с неба сыпалась манна небесная. А прихожан надо было завлекать в храм ежедневно. Для создания божественных чудес жрецам пришлось воспользоваться умом и научными знаниями Герона. Одним из наиболее впечатляющих чудес стал разработанный им механизм, который открывал двери в храм при разжигании огня на алтаре. Нагретый от огня воздух поступал в сосуд с водой и выдавливал определенное количество воды в подвешенную на канате бочку. Бочка, наполняясь водой, опускалась вниз и с помощью каната вращала цилиндры, которые приводили в движение поворотные двери. Двери раскрывались. Когда огонь гас, вода из бочки переливалась обратно в сосуд, а подвешенный на канате противовес, вращая цилиндры, закрывал двери. Довольно простой механизм, а зато какой психологический эффект на прихожан!
Большинство трудов Герона представлено в виде комментариев и записок к учебным курсам по различным учебным дисциплинам. К сожалению, подлинники этих трудов не сохранились, возможно, они погибли в пламени пожара, охватившем Александрийскую библиотеку в 273 году н.э., а возможно были уничтожены в 391 году н.э. христианами, в порыве религиозного фанатизма крушившими все, что напоминало о языческой культуре. До наших времен дошли лишь переписанные копии трудов Герона выполненные его учениками и последователями. Часть из них на греческом, а часть на арабском языке. Существуют и переводы на латынь, выполненные в XVI веке.
В средние века многие из его изобретений были отвергнуты, забыты или не представляли практического интереса.
2. Средневековье и Возрождение.
2.1 Восточная механика.
Даже самые светлые в мире умы Не смогли разогнать окружающей тьмы. Рассказали нам несколько сказочек на ночь И отправились, мудрые, спать, как и мы. Омар Хаям
Под средневековьем обычно понимают период от заката античной культуры (в V веке) до эпохи Возрождения, что составляет около 10 столетий. В истории Европы этот период называют не иначе как "мрачный", имея при этом в виду общий упадок цивилизации, крушение Римской империи, нашествие варваров, проникновение религии во все сферы духовной культуры. Как следствие наблюдается потеря языческих (античных) знаний. В то же время происходит освоение античного знания мусульманской наукой. Стоит выделить таких выдающих мусульманских ученых как Сабит ибн Курра, ар-Рази, ал-Хазини, ал-Бируни и конечно же Омара Хайяма.
Абу-л-Хасан Сабит ибн Курра ал-Харрани ас-Саби (836 г. н.э. — Багдад, 18 февраля 901 г. н.э.) — астроном, математик и врач IX века. В русской литературе также упоминается как Сабит ибн Корра или Табит ибн Курра. В настоящее время известны рукописи 44 трактатов Сабита по математике, механике, физике, астрономии, географии, теории музыки и философии. Кроме того, известны рукописи 17 трактатов Сабита по медицине и ветеринарии. Большой заслугой Сабита стали его переводы с греческого сочинений Архимеда, Аполлония, Евклида, Птолемея и других античных авторов. Трактаты Архимеда «О шаре и цилиндре», «О построении круга, разделённого на семь частей», «Книга о касающихся кругах», а также V—VII книги «Конических сечений» Аполлония известны нам только в переводе Сабита. Содержание «Книги о карастуне» Сабита ибн Курра можно довольно четко разделить на две части. Первая, восходящая к аристотелевской традиции и «Механическим проблемам» Псевдо-Аристотеля, тяготеет к динамическому направлению статики. Вторая часть основана на евклидовой теории отношений и архимедовской традиции геометрической статики.
Абу Мансур Абд ар-Рахман ал Хазини – арабский (персидский) физик, математик и астроном. Биографических сведений о нём не сохранилось. Известно лишь, что Хазини был учеником Омара Хайяма и работал в Мерве при дворе султана Санджара; примерное время активной деятельности – между 1115 и 1130 гг. Наиболее известное сочинение ал-Хазини – книга «Весы мудростей» (Kitab Mizan al-Hikma), законченная в 1121 г. и посвящённая статике и теории весов. В трактате приведены результаты определений плотностей некоторых веществ с помощью гидростатических весов. По данным ал-Хазини, золото имеет плотность 19,05 (по современным данным – 19,25), ртуть – 13,56 (совр. – 13,59), серебро – 10,43 (совр. – 10, 428). Со столь же высокой точностью им была найдена плотность некоторых других веществ. Результаты ал-Хазини считаются одним из важнейших экспериментальных достижений мусульманской физики.
Абу Рейхан Мухаммеед ибн Ахмед аль-Бируни ( 4 сентября 973г. н.э - 9 декабря 1048г. н.э) - выдающийся учёный из Хорезма, автор многочисленных капитальных трудов по истории, географии, филологии, астрономии, математике, геодезии, минералогии, фармакологии, геологии. Аль-Бируни получил широкое математическое и философское образование. Его учителем в древней столице хорезмшахов Кяте был выдающийся математик и астроном Ибн Ирак. О периоде обучения аль-Бируни сегодня известно не так много, но существуют факты того, что в 22 года он сконструировал свой первый глобус, и уже высказал мысль о вращении Земли вокруг Солнца, а также гипотезу об удаленных от него звездах. Произведя довольно точные астрономические и геодезические измерения, ученый установил угол наклона эклиптики к экватору и исторический ход его изменения, описал изменение окраски Луны при затмениях лунных и солнечную корону при солнечных. аль-Бируни высказывал идею о существовании сил тяготения, разработал ряд оригинальных математических методов и доказательств, в том числе тригонометрический метод определения географических долгот, близкий к современным геодезическим методам. В его «Книге сводок для познания драгоценностей», чрезвычайно точно определена плотность многих минералов и даны подробные сведения о более чем пятидесяти минералах, рудах, металлах и сплавах. Состоял при дворе эмира Махмуда Газневи, был любимым учителем его сына и наследника Масуда. После поездки в завоеванную Махмудом Индию написал книгу «Индия», благодаря которой ближневосточные математики стали использовать индийские цифры – сегодня мы называем их арабскими.
В IX–XI веках Европа отставала от мусульманского Востока на несколько столетий, на мусульманском Востоке возникла целая плеяда крупных ученых-естествоиспытателей, чья деятельность дала толчок развитию точных и гуманитарных наук. При всей несхожести их личных судеб существует немало общих черт, позволяющих говорить о них как о людях принципиально нового типа — исламских предшественниках деятелей европейского Возрождения, которые явятся миру несколько веков спустя.
2.2 Европейская механика в эпоху Позднего Средневековья и Возрождения.
«Это был величайший прогрессивный переворот из всех пережитых до того времени человечеством, эпоха, которая нуждалась в титанах и породила титанов по силе мысли, страсти и характеру, по многосторонности и учёности...». Фридрих Энгельс.
Контакты с арабами и расцвет экономической деятельности в второй половине XI-XII вв. привели к интеллектуальному пробуждению в Испании, Лотарингии, Франции, Шотландии. В Италии были созданы первые учреждения, служащие для распространения и расширения знаний,— университеты. В 1100 г. университет в Болонье уже достиг славы. К этому времени приобрел известность и Парижский университет.
По образцу университетов Парижа и Болоньи были созданы университеты в Падуе (1222 г.), Оксфорде (1229 г.), Кембридже, Неаполе, Риме и т. д. Примерно между 1125 и 1280 гг. в Испании и Италии были переведены труды Аристотеля, Евклида и Птолемея, одностороннее изучение которых привело к развитию схоластики. В это время труды Архимеда и Герона еще не были известны, так что все изучение механики было основано на трудах Аристотеля и "Проблемах механики", которые также приписывались Аристотелю.
Следует признать, что влияние этого периода на последующих физиков все еще спорно и, во всяком случае, его вклад в современную физику весьма незначителен.
Первый существенный успех связан с именем Иордана Неморария, о личности которого почти ничего не известно: мы не знаем ни его национальности, ни даже времени жизни (обычно его относят к периоду между XI и ХШ веками). В библиотеках Франции были найдены различные труды по статике, приписываемые Иордану, для которых характерно систематическое применение понятия gravitas secundum situm, т. е. изменения силы тяжести тела в зависимости от его положения. Иными словами, Иордан заметил, что сила, с которой тело давит на горизонтальную плоскость, на которую оно опирается, уменьшается, если эту плоскость наклонить, и чем больше она наклонена, тем эта сила меньше. Здесь впервые появляется понятие о составляющей силы тяжести тела в определенном направлении. Этот принцип приводит Иордана к принципу виртуальных работ, который сформулирован в таком виде; если определенный груз может быть поднят на определенную высоту, то груз, в k раз больший, можно поднять на высоту, в k раз меньшую.
Другой Иордан, быть может ученик первого, ввел понятие статического момента, которое было еще у Архимеда, и рассмотрел его применение к равновесию коленчатого рычага и к наклонной плоскости. Заметим, что в изданной в 1565 г. брошюре Тартальи этому второму Иордану приписывается установление точного условия равновесия тела, опирающегося на наклонную плоскость. Интересно, что Тарталья привел это положение как свое собственное в 1546 г. в труде "Проблемы и различные изобретения".
В XIII веке начались особенно усиленные продолжавшиеся в течение всего последующего XIV века долгие и скучные схоластические споры о физике Аристотеля и о критических замечаниях Филопона, а именно теории импетуса, согласно которой причиной движения брошенных тел является некоторая сила (импетус), вложенная в них внешним источником. Главными действующими лицами здесь были Альберт Великий (1206—1280), Фома Аквинский (1226—1274), Уильям Оккам (1280—1347), Иоанн Буридан (1297—1358). Ценность их трудов прежде всего в том, что они широко распространили аристотелеву физику со всеми ее достоинствами и недостатками.
Изначально теория импетуса развивалась в контексте комментирования произведений Аристотеля или даже теологических трактатов, и только в конце XVI - начале XVII вв. были написаны сочинения, содержащие попытки построения на её основе последовательной физической теории (Джамбатистой Бенедетти, Галилео Галилеем). Последовательной теории импетуса так и не было создано.
Большие разногласия всегда вызывал вопрос о том, исчерпывается ли импетус в ходе движения тела самопроизвольно или только благодаря сопротивлению внешних факторов (трению о воздух, действию гравитации). В пользу самоисчерпывания импетуса высказывались Филопон, ал-Багдади, Франческо из Марча, Николай Орем, в пользу исчезновения импетуса из-за сопротивления внешних факторов — Авиценна, Жан Буридан, Альберт Саксонский.
Уже в начале XX века Пьером Дюгемом было высказано мнение, что теория импетуса является непосредственным предшественником, своеобразной средневековой оболочкой современных представлений об инерции, а сам импетус — аналогом импульса. Действительно, в некоторых версиях этой теории сообщённый телу импетус считался изменяющимся только из-за воздействий внешнего окружения и вычислялся по той же формуле, что и импульс в классической механике (таковы были версии Авиценны и Буридана).
Из фактов, представляющих особый физический интерес, отметим, что Альберт Саксонский, преподававший в Сорбонне с 1350 по 1361 г., предпринял попытку классифицировать движения, различая движения поступательное и вращательное (для последнего дано точное определение угловой скорости), равномерное и переменное. В его время и с его участием было создано понятие движения uniformiter difformis, или, как мы его теперь называем, равномерно-переменного движения.
Наибольший вклад в изучение равномерно-переменного движения в период средневековья внес Никола Орем (ок. 1328—1388). Применив впервые в истории науки графическое представление движения, соответствующее современному методу координат, он установил закон, используемый, и сейчас и связывающий для равномерно-переменного движения пройденный движущимся телом путь со временем, затраченным на его прохождение.
Одновременно с Парижской школой развертывалась деятельность в. Оксфорде, где, по-видимому, Уильям Гейтсбери (начало XIV века) ввел понятие ускорения, а Уильям Коллингем сформулировал общий закон нечетных чисел, характеризующий равномерно-переменное движение.
Позднейшим последователем Оксфордской школы был Доменико Сото (1494—1560), который в комментарии к Аристотелю без какого-либо обоснования принимает, что движение падающего тела является равномерно-переменным, и дает для пройденного падающим телом пути закон, совпадающий с современным.
yaneuch.ru
Содержание.
Введение | 3 |
1. Античная механика. | |
1.1 Система Аристотеля. | 4 |
1.2 Механика Архимеда. | 7 |
1.3 «Механика» Герона Александрийского. | 9 |
2. Средневековье и Возрождение. | |
2.1 Восточная механика. | 11 |
2.2 Европейская механика в эпоху Позднего Средневековья и Возрождения. | 13 |
2.3 Леонардо Да Винчи как механик. | 15 |
3. Механика XVII века. | |
3.1 Первый астроном нашего времени. | 18 |
3.2 Механика Галилея. Принцип мысленного эксперимента. | 20 |
3.3 Рене Декарт. | 24 |
3.4 Механика Ньютона. | 25 |
Список использованной литературы. | 28 |
Введение.
Механика - от греческого μηχανικη(michaniki) - искусство построения машин - область физики, изучающая движение материальных тел и взаимодействие между ними. Движением в механике называют изменение во времени взаимного положения тел или их частей в пространстве.
Современная механика включает в себя следующие, во многом перекрывающиеся разделы:
В данной работе мы рассмотрим развитие этого, безусловно, значимого раздела физики от истоков до открытий одного из наиболее выдающихся умов XVII века – Исаака Ньютона.
1. Античная механика.
1.1 Система Аристотеля.
«Аристотель — “самая универсальная голова” среди древнегреческих философов» Фридрих Энгельс.
Далеко не сразу человечество пришло к современному пониманию механики, чтобы узнать с чего все начиналось, следует обратить свой взор во времена античных философов, на «крестного отца» физики Аристотеля (384 - 322гг. до н.э.).
Аристотель родился в греческом городе Стагире, расположенном рядом с Македонией. В 366 г. до н.э. он приехал в Афины в академию Платона и проучился у него около двадцати лет; в 343г. до н.э. стал воспитателем Александра Македонского; в 339 г. до н.э. Аристотель организовал в Афинах свой Ликей и успешно руководил им 13 лет. Умер Аристотель в 322 году до н. э. на острове Эвбея.
Аристотель был первым мыслителем, создавшим всестороннюю систему философии, охватившую все сферы человеческого развития: социологию, философию, политику, логику, физику. Он является основоположником формальной логики, и создателем понятийного аппарат, который до сих пор пронизывает философский лексикон и сам стиль научного мышления.
Этот древнегреческий ученый разделял науки на теоретические, цель которых — знание ради знания, практические и «поэтические» (творческие). К теоретическим наукам относятся физика, математика и метафизика («первая философия»). К практическим наукам — этика и политика (она же - наука о государстве). Одним из центральных учений «первой философии» Аристотеля является учение о четырёх причинах, или первоначалах. В своем труде «Метафизика» Аристотель раскрыл их следующим образом:
В трудах Аристотеля ведётся речь об отношении между четырями стихиями, их развитии, как они воплощаются в явлениях природы и т.п.
Основные постулаты физики Аристотеля:
В аристотелевской натурфилософии фундаментальное место занимает учение о движении. Движение он понимает в широком смысле, как изменение вообще, различая изменения качественные, количественные и изменения в пространстве. Кроме того в понятие движения он включает психологические и социальные изменения - там, где речь идёт об усвоении человеком знаний или об обработке материалов. Понятие движение включает в себя также переход из одного состояния в другое, например, из бытия в небытие.
Все механические движения Аристотель делит на три вида: круговые, естественные и насильственные.
Круговое движение - это самое совершенное движение, присущее только небесному миру. Это движение вечно и неизменно, и причиной его является перводвигатель - бог, живущий за сферой неподвижных звёзд, где кончается материальная Вселенная. Земные же движения, где всё несовершенно и имеет начало и конец, бывают естественные и насильственные.
Естественное движение - это движение тяжёлого тела вниз к центру Мира, к центру Земли, и лёгкого вверх. Это движение тел происходит само собой, в результате стремления тела занять своё естественное место. Оно не нуждается в силах.
Все остальные движения на Земле насильственные и могут происходить только под действием внешних сил (в том числе равномерное и прямолинейное движение).
Свой основной принцип динамики Аристотель формулирует так: « Всё, что находится в движении, движется благодаря воздействию другого».
У Аристотеля мы находим также и соображения, дающие основание для, количественного определения силы. Его рассуждения сводятся к следующему: сила пропорциональна произведению скорости тела, к которому она приложена, на его вес, то есть:
F = P*V
где F- сила, действующая на тело, P - вес тела, а V - скорость.
Произведения Аристотеля трактуются неоднозначно: с одной стороны в его школе развиваются эмпирические идеи и специализация; однако с другой стороны произведения трактуются в сильно платоновском духе.
1.2 Механика Архимеда
«Дайте мне точку опоры, и я переверну мир» Архимед.
Архиме́д (Ἀρχιμήδης; 287 до н.э. - 212 до н.э.) - древнегреческий математик, физик и инженер. Заложил основы механики и гидростатики, автор ряда важных изобретений. Родился в Сиракузах, греческой колонии на острове Сицилия. Отцом Архимеда был математик и астроном Фидий. Отец привил сыну с детства любовь к математике, механике и астрономии. Для обучения Архимед отправился в Александрию Египетскую — научный и культурный центр того времени. После нескольких лет жизни в Александрии, вернулся в родные Сиракузы, где и прожил до конца своих дней. Погиб при осаде города, во времена 2-ой Пунической войны. Еще при жизни Архимеда вокруг его имени создавались легенды, поводом для которых служили его поразительные изобретения, производившие ошеломляющее действие на современников.
Основные положения статики сформулированы в сочинении "О равновесии плоских фигур". Архимед рассматривает сложение параллельных сил, определяет понятие центра тяжести для различных фигур, дает вывод закона рычага (правило равновесия рычагов): рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил. Плечо силы(рычага) – кратчайшее расстояние между точкой опоры и линией действия сил.
F1/F2 = L2/L1
где F1 и F2 - силы , а L1 и L2 – плечи сил.
Знаменитый закон гидростатики, вошедший в науку с его именем, сформулирован в трактате "О плавающих телах". Существует предание, что идея этого закона посетила Архимеда, когда он принимал ванну; с возгласом "Эврика!" он выскочил из ванны и нагим побежал записывать пришедшую к нему научную истину: на всякое тело, погруженное в жидкость (газ), действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости(газ). Сила называется силой Архимеда:
Fa = P*G*V
где Fa - архимедова сила, P - плотность жидкости, G - ускорение свободного падения, а V - объём погружённого тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности).
Если тело плавает на поверхности или равномерно движется вверх или вниз, то архимедова сила равна по модулю (и противоположна по направлению) силе тяжести, действовавшей на вытесненный телом объём жидкости или газа, и приложена к центру тяжести этого объёма. То есть тело плавает, если сила Архимеда уравновешивает силу тяжести тела. Следует заметить, что тело должно быть полностью окружено жидкостью (либо пересекаться с поверхностью жидкости). Так, например, закон Архимеда нельзя применить к кубику, который лежит на дне резервуара, герметично касаясь дна.
Архимед создал и проверил теорию пяти простых механизмов: рычага, клина, блока, винта и ворота. Он оставил многочисленных учеников. На новый путь, открытый им, устремилось целое поколение последователей, энтузиастов, которые горели желанием, как и учитель, доказать свои знания конкретными завоеваниями.
Первым по времени из этих учеников был александриец Ктесибий, живший во II веке до нашей эры. Изобретения Архимеда в области механики были в полном ходу, когда Ктесибий присоединил к ним изобретение зубчатого колеса. Он написал первые научные трактаты об упругой силе сжатого воздуха и её использовании в воздушных насосах и других механизмах (даже в пневматическом оружии), заложил основы Пневматики, Гидравлики и Теории упругости воздуха. Ни одна из его письменных работ не сохранилась, в том числе его «Воспоминания». Об его исследованиях мы знаем по сообщениям древнегреческого грамматика Афинея.
1.3 «Механика» Герона Александрийского.
«Память человечества несовершенна и несправедлива, и самые самоотверженные и самые великие наши благодетели благополучно забыты нами.» Яльмар Эрик Фредрик Седерберг.
Герон Александрийский (др.-греч. Ἥρων ὁ Ἀλεξανδρεύς) — греческий математик и механик. Время жизни отнесено ко второй половине первого века н. э. на том основании, что он приводит в качестве примера лунное затмение 13 марта 62 г. н. э. Подробности его жизни неизвестны. Герона относят к величайшим инженерам за всю историю человечества. Он первым изобрёл автоматические двери, автоматический театр кукол, автомат для продаж, скорострельный самозаряжающийся арбалет, паровую турбину, автоматические декорации, прибор для измерения протяжённости дорог (древний одометр) и др.
В трактате «Механика» (Μηχανική), состоящем из трёх книг, Герон вслед за Архимедом описал пять типов простейших машин: рычаг, ворот, клин, винт и блок. Герон установил «золотое правило механики», согласно которому выигрыш в силе при использовании простых механизмов сопровождается потерей в расстоянии.
yaneuch.ru
