Mekanik -Mechanics

Del af en serie om
Klassisk mekanik
${\displaystyle {\textbf {F}}={\frac {d}{dt}}(m{\textbf {v}})}$ Anden bevægelseslov
Historie Tidslinje Lærebøger
Grene
Grundlæggende
Formuleringer
Kerneemner
Rotation
Videnskabsmænd
Fysik portal  Kategori
v t e

Del af en serie artikler om
Kvantemekanik
${\displaystyle i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}|\psi (t)\rangle ={\hat {H}}|\psi (t)\rangle }$ Schrödinger ligning
Introduktion Ordliste Historie
Baggrund Klassisk mekanik Gammel kvanteteori Bra–ket notation Hamiltonian Interferens
Grundlæggende Komplementaritet Dekohærens Sammenfiltring Energiniveau Måling Ikke-lokalitet Kvantetal Stat Superposition Symmetri Tunnelkørsel Usikkerhed Wave funktion Bryder sammen
Eksperimenter Bells ulighed Davisson-Germer Dobbeltslids Elitzur-Vaidman Franck-Hertz Leggett-Garg ulighed Mach-Zehnder Popper Kvante viskelæder Forsinket valg Schrödingers kat Stern-Gerlach Wheelers forsinkede valg
Formuleringer Oversigt Heisenberg Interaktion Matrix Fase-rum Schrödinger Sum-over-historier (stiintegral)
Ligninger Dirac Klein-Gordon Pauli Rydberg Schrödinger
Fortolkninger Bayesiansk Konsekvente historier København de Broglie-Bohm Ensemble Skjult-variabel Lokal Mange-verdener Objektivt sammenbrud Kvantelogik Relationel Transaktionel
Avancerede emner Relativistisk kvantemekanik Kvantefeltteori Kvanteinformationsvidenskab Kvanteberegning Kvantekaos EPJ paradoks Densitetsmatrix Spredningsteori Kvantestatistisk mekanik Kvantemaskinelæring
Videnskabsmænd Aharonov klokke Vær den Blackett Bloch Bohm Bohr Født Bose de Broglie Compton Dirac Davisson Debye Ehrenfest Einstein Everett Fock Fermi Feynman Glauber Gutzwiller Heisenberg Hilbert Jordan Kramers Pauli Lam Landau Laue Moseley Millikan Onnes Planck Rabi Raman Rydberg Schrödinger Simmons Sommerfeld af Neumann Weyl Wien Wigner Zeeman Zeilinger
v t e

Mekanik (fra oldgræsk : μηχανική , mēkhanikḗ , lit. "af maskiner ") er det område af matematik og fysik , der beskæftiger sig med forholdet mellem kraft , stof og bevægelse mellem fysiske objekter . Kræfter påført objekter resulterer i forskydninger eller ændringer af et objekts position i forhold til dets miljø.

Teoretiske udlægninger af denne gren af ​​fysik har sin oprindelse i det antikke Grækenland , for eksempel i Aristoteles og Arkimedes ' skrifter (se Historien om klassisk mekanik og Tidslinje for klassisk mekanik ). I den tidlige moderne periode lagde videnskabsmænd som Galileo , Kepler , Huygens og Newton grundlaget for det, der nu er kendt som klassisk mekanik .

Som en gren af ​​klassisk fysik beskæftiger mekanik sig med kroppe, der enten er i hvile eller bevæger sig med hastigheder, der er væsentligt mindre end lysets hastighed. Det kan også defineres som den fysiske videnskab, der beskæftiger sig med bevægelse af og kræfter på kroppe, der ikke er i kvanteriget.

Historie

Oldtiden

De gamle græske filosoffer var blandt de første til at foreslå, at abstrakte principper styrer naturen. Den vigtigste teori om mekanik i antikken var aristotelisk mekanik , selvom en alternativ teori er afsløret i de pseudo-aristoteliske mekaniske problemer , ofte tilskrevet en af ​​hans efterfølgere.

Der er en anden tradition, der går tilbage til de gamle grækere, hvor matematik bruges mere omfattende til at analysere kroppe statisk eller dynamisk , en tilgang, der kan være blevet stimuleret af tidligere arbejde fra Pythagoras Archytas . Eksempler på denne tradition omfatter pseudo- Euklid ( på balancen ), Archimedes ( om flyvevægtens ligevægt , på flydende kroppe ), helt ( Mechanica ) og Pappus ( samling , bog VIII).

Middelalder

Arabisk maskine i et manuskript af ukendt dato.

I middelalderen blev Aristoteles' teorier kritiseret og modificeret af en række figurer, begyndende med Johannes Philoponus i det 6. århundrede. Et centralt problem var projektilbevægelsen , som blev diskuteret af Hipparchus og Philoponus.

Den persiske islamiske polymat Ibn Sīnā offentliggjorde sin teori om bevægelse i The Book of Healing (1020). Han sagde, at en fremdrift tilføres et projektil af kasteren, og så det som vedvarende, hvilket kræver eksterne kræfter såsom luftmodstand for at sprede det. Ibn Sina skelnede mellem 'kraft' og 'hældning' (kaldet "mayl") og hævdede, at et objekt fik mayl, når objektet er i modsætning til dets naturlige bevægelse. Så han konkluderede, at fortsættelse af bevægelse tilskrives den hældning, der overføres til objektet, og at objektet vil være i bevægelse, indtil majlen er brugt. Han hævdede også, at et projektil i et vakuum ikke ville stoppe, medmindre der blev reageret på det, i overensstemmelse med Newtons første lov om bevægelse.

På spørgsmålet om et legeme underlagt en konstant (ensartet) kraft, udtalte den jødisk-arabiske lærde fra det 12. århundrede Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi (født Nathanel, irakisk, fra Bagdad), at konstant kraft bibringer konstant acceleration. Ifølge Shlomo Pines var al-Baghdaadis teori om bevægelse "den ældste negation af Aristoteles ' fundamentale dynamiske lov [nemlig at en konstant kraft frembringer en ensartet bevægelse], [og er således en] forventning på en vag måde af den grundlæggende lov om klassisk mekanik [nemlig at en kraft påført kontinuerligt frembringer acceleration]."

Påvirket af tidligere forfattere som Ibn Sina og al-Baghdaadi udviklede den franske præst fra det 14. århundrede Jean Buridan teorien om fremdrift , som senere udviklede sig til de moderne teorier om inerti , hastighed , acceleration og momentum . Dette værk og andre blev udviklet i det 14. århundredes England af Oxford Calculators såsom Thomas Bradwardine , der studerede og formulerede forskellige love vedrørende faldende kroppe. Konceptet om, at et legemes hovedegenskaber er ensartet accelereret bevægelse (som faldende kroppe) blev udarbejdet af Oxford Calculators fra det 14. århundrede .

Tidlig moderne tid

Første europæiske afbildning af en stempelpumpe , af Taccola , ca. 1450.

To centrale skikkelser i den tidlige moderne tid er Galileo Galilei og Isaac Newton . Galileos sidste udsagn om sin mekanik, især om faldende kroppe, er hans Two New Sciences (1638). Newtons 1687 Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica gav en detaljeret matematisk redegørelse for mekanik, ved at bruge den nyudviklede matematik af calculus og danne grundlaget for Newtons mekanik .

Der er en vis uenighed om prioriteringen af ​​forskellige ideer: Newtons Principia er bestemt det afgørende værk og har haft enorm indflydelse, og mange af de matematiske resultater deri kunne ikke have været angivet tidligere uden udviklingen af ​​kalkulationen. Imidlertid var mange af ideerne, især hvad angår inerti og faldende kroppe, blevet udviklet af tidligere forskere som Christiaan Huygens og de mindre kendte middelalderlige forgængere. Præcis kreditering er til tider vanskelig eller omstridt, fordi videnskabeligt sprog og bevisstandarder ændrede sig, så om middelalderlige udsagn svarer til moderne udsagn eller tilstrækkelige beviser, eller i stedet ligner moderne udsagn og hypoteser , kan ofte diskuteres.

Moderne tid

To vigtigste moderne udviklinger inden for mekanik er Einsteins generelle relativitetsteori og kvantemekanik , begge udviklet i det 20. århundrede delvist baseret på tidligere ideer fra det 19. århundrede . Udviklingen i den moderne kontinuummekanik, især inden for områderne elasticitet, plasticitet, væskedynamik, elektrodynamik og termodynamik af deformerbare medier, startede i anden halvdel af det 20. århundrede.

Typer af mekaniske kroppe

Det ofte brugte udtryk krop skal stå for et bredt udvalg af objekter, herunder partikler , projektiler , rumfartøjer , stjerner , dele af maskineri , dele af faste stoffer , dele af væsker ( gasser og væsker ) osv.

Andre forskelle mellem mekanikkens forskellige underdiscipliner vedrører arten af ​​de kroppe, der beskrives. Partikler er legemer med ringe (kendt) indre struktur, behandlet som matematiske punkter i klassisk mekanik. Stive kroppe har størrelse og form, men bevarer en enkelhed tæt på partiklens, og tilføjer blot nogle få såkaldte frihedsgrader , såsom orientering i rummet.

Ellers kan legemer være halvstive, dvs. elastiske , eller ikke-stive, dvs. flydende . Disse fag har både klassiske og kvantestudier.

For eksempel er bevægelsen af ​​et rumfartøj, hvad angår dets kredsløb og holdning ( rotation ), beskrevet af den relativistiske teori om klassisk mekanik, mens de analoge bevægelser af en atomkerne er beskrevet af kvantemekanikken.

Underdiscipliner

Følgende er to lister over forskellige emner, der studeres i mekanik.

Bemærk, at der også er " teorien om felter ", som udgør en separat disciplin i fysik, formelt behandlet som adskilt fra mekanik, hvad enten det er klassiske felter eller kvantefelter . Men i praksis er emner, der hører til mekanik og fag, tæt sammenvævet. Således er f.eks. kræfter, der virker på partikler, ofte afledt af felter ( elektromagnetiske eller gravitationelle ), og partikler genererer felter ved at fungere som kilder. Faktisk er partikler i kvantemekanik selv felter, som teoretisk beskrevet af bølgefunktionen .

Klassisk

Følgende beskrives som dannelse af klassisk mekanik:

• Newtonsk mekanik , den oprindelige teori om bevægelse ( kinematik ) og kræfter ( dynamik ).
• Analytisk mekanik er en omformulering af newtonsk mekanik med vægt på systemenergi snarere end på kræfter. Der er to hovedgrene af analytisk mekanik:
  • Hamiltonsk mekanik , en teoretisk formalisme , baseret på princippet om energibevarelse.
  • Lagrangiansk mekanik , en anden teoretisk formalisme, baseret på princippet om den mindste handling .
• Klassisk statistisk mekanik generaliserer almindelig klassisk mekanik til at betragte systemer i en ukendt tilstand; bruges ofte til at udlede termodynamiske egenskaber.
• Himmelmekanik , bevægelser af legemer i rummet: planeter, kometer, stjerner, galakser osv.
• Astrodynamik , rumfartøjsnavigation mv .
• Fast mekanik , elasticitet , plasticitet , viskoelasticitet udvist af deformerbare faste stoffer.
• Brudmekanik
• Akustik , lyd (= udbredelse af densitetsvariation) i faste stoffer, væsker og gasser.
• Statik , halvstive legemer i mekanisk ligevægt
• Væskemekanik , væskers bevægelse
• Jordmekanik , jordens mekaniske opførsel
• Kontinuummekanik , kontinuamekanik (både fast og flydende)
• Hydraulik , væskers mekaniske egenskaber
• Væskestatik , væsker i ligevægt
• Anvendt mekanik eller ingeniørmekanik
• Biomekanik , faste stoffer, væsker osv. i biologi
• Biofysik , fysiske processer i levende organismer
• Relativistisk eller einsteinsk mekanik, universel gravitation .

Kvante

Følgende er kategoriseret som værende en del af kvantemekanikken :

• Schrödinger bølgemekanik , brugt til at beskrive bevægelserne af bølgefunktionen af ​​en enkelt partikel.
• Matrixmekanik er en alternativ formulering, der gør det muligt at overveje systemer med et endeligt dimensionelt tilstandsrum.
• Kvantestatistisk mekanik generaliserer almindelig kvantemekanik til at betragte systemer i en ukendt tilstand; bruges ofte til at udlede termodynamiske egenskaber.
• Partikelfysik , partiklernes bevægelse, struktur og reaktioner
• Kernefysik , kernernes bevægelse, struktur og reaktioner
• Fysik af kondenseret stof , kvantegasser, faste stoffer, væsker osv.

Historisk havde klassisk mekanik eksisteret i næsten et kvart årtusinde før kvantemekanikken udviklede sig. Klassisk mekanik opstod med Isaac Newtons bevægelseslove i Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , udviklet i løbet af det syttende århundrede. Kvantemekanikken udviklede sig senere, i løbet af det nittende århundrede, udløst af Plancks postulat og Albert Einsteins forklaring af den fotoelektriske effekt . Begge felter anses almindeligvis for at udgøre den mest sikre viden, der findes om den fysiske natur.

Klassisk mekanik er især ofte blevet set som en model for andre såkaldte eksakte videnskaber . Væsentligt i denne henseende er den omfattende brug af matematik i teorier, såvel som den afgørende rolle, som eksperimenter spiller i at generere og teste dem.

Kvantemekanik er af et større omfang, da det omfatter klassisk mekanik som en underdisciplin, der gælder under visse begrænsede omstændigheder. Ifølge korrespondanceprincippet er der ingen modsigelse eller konflikt mellem de to emner, hver enkelt vedrører blot specifikke situationer. Korrespondanceprincippet siger, at opførsel af systemer beskrevet af kvanteteorier reproducerer klassisk fysik i grænsen af ​​store kvantetal , dvs. hvis kvantemekanik anvendes på store systemer (f.eks. en baseball), ville resultatet næsten være det samme, hvis klassisk mekanik var blevet anvendt. Kvantemekanik har afløst klassisk mekanik på grundlagsniveau og er uundværlig til forklaring og forudsigelse af processer på molekylært, atomært og subatomært niveau. For makroskopiske processer er klassisk mekanik imidlertid i stand til at løse problemer, der er uoverskueligt vanskelige (hovedsageligt på grund af beregningsmæssige begrænsninger) i kvantemekanik og derfor forbliver nyttige og veludnyttede. Moderne beskrivelser af sådan adfærd begynder med en omhyggelig definition af sådanne mængder som forskydning (flyttet afstand), tid, hastighed, acceleration, masse og kraft. Indtil for omkring 400 år siden blev bevægelse dog forklaret fra et helt andet synspunkt. For eksempel, efter den græske filosof og videnskabsmand Aristoteles' ideer, ræsonnerede videnskabsmænd, at en kanonkugle falder ned, fordi dens naturlige position er i Jorden; solen, månen og stjernerne rejser i cirkler rundt om jorden, fordi det er himmelske objekters natur at rejse i perfekte cirkler.

Ofte citeret som fader til moderne videnskab, samlede Galileo ideerne fra andre store tænkere fra sin tid og begyndte at beregne bevægelse i form af tilbagelagt afstand fra en startposition og den tid, det tog. Han viste, at hastigheden af ​​faldende genstande stiger støt i løbet af deres fald. Denne acceleration er den samme for tunge genstande som for lette, forudsat at luftfriktion (luftmodstand) er rabat. Den engelske matematiker og fysiker Isaac Newton forbedrede denne analyse ved at definere kraft og masse og relatere disse til acceleration. For objekter, der rejser med hastigheder tæt på lysets hastighed, blev Newtons love afløst af Albert Einsteins relativitetsteori . [En sætning, der illustrerer den beregningsmæssige komplikation af Einsteins relativitetsteori.] For atomare og subatomare partikler blev Newtons love afløst af kvanteteori . For dagligdags fænomener forbliver Newtons tre bevægelseslove dog grundstenen i dynamikken, som er studiet af, hvad der forårsager bevægelse.

Relativistisk

I lighed med sondringen mellem kvantemekanik og klassisk mekanik har Albert Einsteins generelle og specielle relativitetsteorier udvidet rækkevidden af ​​Newton og Galileos formulering af mekanik. Forskellene mellem relativistisk og newtonsk mekanik bliver betydelige og endda dominerende, når et legemes hastighed nærmer sig lysets hastighed . For eksempel i Newtonsk mekanik er den kinetiske energi af en fri partikel E = 1/2mv ² , hvorimod det i relativistisk mekanik er E = ( γ - 1) mc ² (hvor γ er Lorentz-faktoren ; denne formel reduceres til det Newtonske udtryk i den lave energigrænse).

For højenergiprocesser skal kvantemekanikken justeres for at tage højde for speciel relativitet; dette har ført til udviklingen af ​​kvantefeltteori .

Faglige organisationer

• Applied Mechanics Division , American Society of Mechanical Engineers
• Fluid Dynamics Division, American Physical Society
• Selskab for Eksperimentel Mekanik
• Institution of Mechanical Engineers er Storbritanniens kvalificerende organ for mekaniske ingeniører og har været hjemsted for Mechanical Engineers i over 150 år.
• International Union of Theoretical and Applied Mechanics

Se også

• Anvendt mekanik
• Dynamik
• ingeniørarbejde
• Indeks over artikler om ingeniørvidenskab og mekanik
• Kinematik
• Kinetik
• Ikke-autonom mekanik
• Statik
• Wiesen Test of Mechanical Aptitude (WTMA)

Referencer

Yderligere læsning

• Robert Stawell Ball (1871) Eksperimentel mekanik fra Google-bøger .
• Landau, LD ; Lifshitz, EM (1972). Mechanics and Electrodynamics, Vol. 1 . Franklin Book Company, Inc. ISBN 978-0-08-016739-8.

eksterne links

• iMechanica: nettet af mekanikere og mekanikere
• Mekanik definition
• Mekanikblog af en Purdue University-professor
• Mekanikeruddannelsen på Virginia Tech
• Physclips: Mekanik med animationer og videoklip fra University of New South Wales
• US National Committee on Theoretical and Applied Mechanics
• Interaktive læringsressourcer til undervisning i mekanik
• Arkimedes-projektet