Klassisk mekanik historie - History of classical mechanics
| Del af en serie om |
| Klassisk mekanik |
|---|
Denne artikel omhandler historien om klassisk mekanik .
Forstadier til klassisk mekanik
Antikken
De gamle græske filosoffer , især Aristoteles , var blandt de første til at foreslå, at abstrakte principper styrer naturen. Aristoteles hævdede, i On the Heaven , at terrestriske legemer stiger eller falder til deres "naturlige sted" og erklærede som en lov den korrekte tilnærmelse, at et objekts faldhastighed er proportional med dets vægt og omvendt proportional med dens densitet falder igennem. Aristoteles troede på logik og observation, men det ville tage mere end atten hundrede år, før Francis Bacon først ville udvikle den videnskabelige metode til eksperimentering, som han kaldte en irritation af naturen .
Aristoteles så en skelnen mellem "naturlig bevægelse" og "tvungen bevægelse", og han mente, at 'i et tomrum' dvs. vakuum vil et legeme i hvile forblive i hvile, og et legeme i bevægelse vil fortsat have den samme bevægelse. På denne måde var Aristoteles den første til at nærme sig noget, der ligner inertiloven. Han mente imidlertid, at et vakuum ville være umuligt, fordi den omgivende luft ville haste ind for at fylde det med det samme. Han mente også, at et objekt ville stoppe med at bevæge sig i en unaturlig retning, når de påførte kræfter blev fjernet. Senere udviklede Aristotelians en detaljeret forklaring på, hvorfor en pil fortsætter med at flyve gennem luften, efter at den har forladt buen, og foreslår, at en pil skaber et vakuum i dens kølvandet, hvor luften suser ind og skubber den bagfra. Aristoteles tro blev påvirket af Platons lære om perfektion af himlens cirkulære ensartede bevægelser. Som et resultat opfattede han en naturlig orden, hvor himlens bevægelser nødvendigvis var perfekte, i modsætning til den jordiske verden af skiftende elementer, hvor individer kommer til at gå og gå bort.
Der er en anden tradition, der går tilbage til de gamle grækere, hvor matematik bruges til at analysere naturen; eksempler inkluderer Euklid ( optik ), Archimedes ( om flyets ligevægt , om flydende legemer ) og Ptolemaios ( optik , harmonik ). Senere byggede islamiske og byzantinske forskere på disse værker, og disse blev i sidste ende genindført eller blev tilgængelige for Vesten i det 12. århundrede og igen under renæssancen .
Middelalderens tanke
Den persiske islamiske polymat Ibn Sīnā offentliggjorde sin bevægelsesteori i The Book of Healing (1020). Han sagde, at kasteren giver et projektil et projektil og betragtede det som vedholdende, hvilket kræver eksterne kræfter såsom luftmodstand for at sprede det. Ibn Sina skelner mellem 'kraft' og 'hældning' (kaldet "mayl") og argumenterede for, at et objekt fik mayl, når objektet er i modsætning til dets naturlige bevægelse. Så han konkluderede, at fortsættelse af bevægelse tilskrives hældningen, der overføres til objektet, og at objektet vil være i bevægelse, indtil mayl er brugt. Han hævdede også, at projektil i et vakuum ikke ville stoppe, medmindre det blev handlet. Denne opfattelse af bevægelse er i overensstemmelse med Newtons første bevægelseslov, inerti. Hvilket siger, at et objekt i bevægelse forbliver i bevægelse, medmindre det påvirkes af en ekstern kraft. Denne idé, der afveg fra den aristoteliske opfattelse, blev senere beskrevet som "impuls" af John Buridan , der var påvirket af Ibn Sina's Healing Book .
I det 12. århundrede vedtog og modificerede Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi Avicennas teori om projektilbevægelse . I sin Kitab al-Mu'tabar udtalte Abu'l-Barakat, at moveren giver den bevægede en voldsom tilbøjelighed ( mayl qasri ), og at dette mindskes, når det bevægelige objekt distancerer sig fra moveren. Ifølge Shlomo Pines var al-Baghdaadis bevægelsesteori "den ældste negation af Aristoteles 'grundlæggende dynamiske lov [nemlig at en konstant kraft frembringer en ensartet bevægelse], [og dermed er] en forventning på en vag måde om det grundlæggende loven om klassisk mekanik [nemlig at en kraft, der påføres kontinuerligt, frembringer acceleration]. " Samme århundrede foreslog Ibn Bajjah , at der for hver kraft altid er en reaktionskraft. Selvom han ikke specificerede, at disse kræfter er lige, er det stadig en tidlig version af den tredje bevægelseslov, der siger, at for hver handling er der en lige og modsat reaktion.
I 1300 -tallet udviklede den franske præst Jean Buridan teorien om fremdrift med mulig indflydelse af Ibn Sina. Albert , biskop i Halberstadt , udviklede teorien yderligere.
Dannelse af klassisk mekanik
Galileo Galileis udvikling af teleskopet og hans observationer udfordrede yderligere tanken om, at himlen var lavet af et perfekt, uforanderligt stof. Ved at vedtage Copernicus 'heliocentriske hypotese troede Galileo, at Jorden var den samme som andre planeter. Selvom realiteten i det berømte Tower of Pisa -eksperiment er omstridt, udførte han kvantitative eksperimenter ved at rulle kugler på et skråt plan ; hans korrekte teori om accelereret bevægelse var tilsyneladende afledt af resultaterne af eksperimenterne. Galileo fandt også ud af, at et legeme, der faldt lodret, rammer jorden samtidigt med et legeme, der projiceres vandret, så en jord, der roterer ensartet, stadig vil have genstande, der falder til jorden under tyngdekraften. Mere markant hævdede den, at ensartet bevægelse ikke kan skelnes fra hvile , og dermed danner grundlaget for relativitetsteorien. Bortset fra hvad angår accept af kopernikansk astronomi, var Galileos direkte indflydelse på videnskaben i 1600 -tallet uden for Italien sandsynligvis ikke særlig stor. Selvom hans indflydelse på uddannede lægmænd både i Italien og i udlandet var betydelig blandt universitetsprofessorer, bortset fra nogle få, der var hans egne elever, var det ubetydeligt.
Mellem Galileo og Newtons tid var Christiaan Huygens den fremmeste matematiker og fysiker i Vesteuropa. Han formulerede bevaringsloven for elastiske kollisioner, producerede de første sætninger om centripetalkraft og udviklede den dynamiske teori om oscillerende systemer. Han foretog også forbedringer af teleskopet, opdagede Saturns måne Titan og opfandt penduluret. Hans bølgeteori om lys, offentliggjort i Traite de la Lumiere , blev senere vedtaget af Fresnel i form af Huygens-Fresnel-princippet .
Sir Isaac Newton var den første til at forene de tre bevægelseslove (inertiloven, hans anden lov nævnt ovenfor og handlings- og reaktionsloven) og bevise, at disse love styrer både jordiske og himmelske genstande. Newton og de fleste af hans samtidige håbede, at klassisk mekanik ville være i stand til at forklare alle enheder, herunder (i form af geometrisk optik) lys. Newtons egen forklaring på Newtons ringe undgik bølgeprincipper og formodede, at lyspartiklerne blev ændret eller ophidset af glasset og gav genlyd.
Newton udviklede også den beregning, der er nødvendig for at udføre de matematiske beregninger, der er involveret i klassisk mekanik. Det var imidlertid Gottfried Leibniz, der uafhængigt af Newton udviklede en beregning med notationen af det afledte og integrale, der bruges den dag i dag. Klassisk mekanik bevarer Newtons punktnotation for tidsderivater.
Leonhard Euler udvidede Newtons bevægelseslove fra partikler til stive kroppe med to yderligere love . Arbejde med faste materialer under kræfter fører til deformationer, der kan kvantificeres. Ideen blev artikuleret af Euler (1727), og i 1782 begyndte Giordano Riccati at bestemme elasticiteten af nogle materialer efterfulgt af Thomas Young . Simeon Poisson udvidede undersøgelsen til den tredje dimension med Poisson -forholdet . Gabriel Lamé trak på undersøgelsen for at sikre strukturenes stabilitet og introducerede Lamé -parametrene . Disse koefficienter etablerede lineær elasticitetsteori og startede feltet kontinuummekanik .
Efter Newton tillod omformuleringer gradvist løsninger på et langt større antal problemer. Den første blev bygget i 1788 af Joseph Louis Lagrange , en italiensk - fransk matematiker . I Lagrangian mekanik bruger løsningen vejen til mindst handling og følger beregningen af variationer . William Rowan Hamilton omformulerede Lagrangian mekanik i 1833. Fordelen ved Hamiltonian mekanik var, at dens rammer tillod et mere dybtgående kig på de underliggende principper. Det meste af rammen for hamiltons mekanik kan ses i kvantemekanikken, men de nøjagtige betydninger af udtrykkene er forskellige på grund af kvanteeffekter.
Selvom klassisk mekanik stort set er forenelig med andre " klassiske fysik " -teorier som klassisk elektrodynamik og termodynamik , blev der i slutningen af 1800 -tallet opdaget nogle vanskeligheder, som kun kunne løses ved mere moderne fysik. Når den kombineres med klassisk termodynamik, fører klassisk mekanik til Gibbs-paradokset , hvor entropi ikke er en veldefineret størrelse. Da eksperimenterne nåede atomniveau, formåede den klassiske mekanik ikke at forklare, endog omtrentligt, sådanne grundlæggende ting som atomers energiniveauer og størrelser. Bestræbelserne på at løse disse problemer førte til udviklingen af kvantemekanik. På samme måde førte den forskellige adfærd mellem klassisk elektromagnetisme og klassisk mekanik under hastighedstransformationer til relativitetsteorien .
Klassisk mekanik i nutiden
I slutningen af det 20. århundrede var klassisk mekanik i fysik ikke længere en uafhængig teori. Sammen med klassisk elektromagnetisme er den blevet indlejret i relativistisk kvantemekanik eller kvantefeltteori . Det definerer den ikke-relativistiske, ikke-kvantemekaniske grænse for massive partikler.
Klassisk mekanik har også været en kilde til inspiration for matematikere. Erkendelsen af, at faserummet i klassisk mekanik indrømmer en naturlig beskrivelse som et symplektisk manifold (faktisk et cotangent -bundt i de fleste tilfælde af fysisk interesse) og symplektisk topologi , som kan betragtes som studiet af globale problemstillinger inden for Hamiltonian mekanik, har været et frugtbart område inden for matematikforskning siden 1980'erne.
Se også
Noter
Referencer
- Truesdell, C. (1968). Essays i mekanikkens historie . Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg . ISBN 9783642866470.
- Maddox, René Dugas; forord af Louis de Broglie; oversat til engelsk af JR (1988). En historie om mekanik (Dover red.). New York: Dover Publications . ISBN 0-486-65632-2.
- Buchwald, Jed Z .; Fox, Robert, red. (2013). Oxford -håndbogen om fysikkens historie (første red.). Oxford: Oxford University Press . s. 358–405. ISBN 9780199696253.