История и методология механика

ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ МЕХАНИКИ

доц. И. А. Тюлина, ст.н.с. В.Н. Чиненова

1/2 года, 4 курс, отделение механики

Курс истории  и методологии механики завершает  общетеоретическую подготовку студентов механико-математического факультета по специальности "Механика". Курс имеет большое значение для правильной оценки выдвигавшихся теорий, их масштабов, для глубокого понимания содержания механики, ее перспектив и путей развития.

Вводная лекция.

Механика как фундаментальная  наука, ее место среди других естественных наук. Основные абстрактные модели классической механики. Пространственно-временные характеристики механических процессов и явлений.

Эмпирический и теоретический  методы познания природы механических явлений; взаимодополняемость этих методов в современной механике. Понятие о механическом законе. Закон или аксиома классической механики как единство качественных и количественных характеристик явлений природы. Дискуссии о дискретном и непрерывном в механических теориях.

Значение математики в развитии механики: роль математики как аппарата или формализованного языка механики; эвристическая роль математических исследований в механике; обратное влияние механики на развитие математики в различных исторических условиях. Роль ЭВМ в современной механике.

Проблема истинности теоретических разделов механики. Общественная практика как решающий критерий истины научного познания и, в частности, теоретической механики. Основные факторы развития механики. Периодизация истории механики.

I. Развитие  механики до ХVI века.

1. Общая характеристика развития техники, архитектуры, строительного искусства, представлений о картине мира. Преимущественное развитие количественной теории равновесия (от античности до ХVI в.).

2. Специфика задач о подъеме и передвижении грузов посредством "простых машин". Изучение равновесия системы методом рассмотрения перемещений грузов в "простой машине". Трактат "Механические проблемы". "Книга карастуна" Сабита ибн Корра (IX в.). Средневековое понятие "тяжести сообразно положению". Элементарная форма принципа виртуальных скоростей в трудах Галилея, Декарта.

3. Проблемы расчета равновесия  неизменяемых конструкций: колонн, опертых балок, мостов, плит. Развитие  геометрической статики.

Труды Архимеда по механике. Трактат  Стевина - "Элементы статики". Попытки увязки двух подходов к изучению равновесия: кинематического и геометрического в трудах Торричелли и Паскаля.

4. Взаимоотношения науки и религии в средние века. Первые университеты Европы. Зарождение учения о движении. Теория импетуса. Запросы артиллерии в ходе внедрения огнестрельного оружия; теория движения снаряда (Леонардо да Винчи, Кардано, Тарталья).

Элементы кинематики в  астрономических трудах Аристарха, К. Птолемея, Бируни и др. Формирование некоторых понятий кинематики в Мертонской шкале. Диаграмма Орезма.

II. Научная революция и создание фундамента

классической механики (вторая половина ХVI-ХVII вв).

1. Город как ячейка новых экономических отношений в феодальном обществе. Великие географические открытия; мореходство, проблема счета времени и астрономические ориентации в море. Проблема совершенствования календаря.

Гипотеза Коперника как основа гелиоцентрической системы мира. Идеологическая борьба вокруг учения Н. Коперника. Гибель Дж. Бруно. Законы И. Кеплера о движении небесных тел.

2. Конкретные механические задачи, выдвигаемые мануфактурной промышленностью. Проблема регулирования и использования горных потоков. Проблемы хронометра и удара тел. Задача расчета движения падающего и брошенного тяжелого тела.

Жизнь и научная деятельность Галилея, его борьба за гелиоцентрическое воззрение. Количественный эксперимент в исследованиях Галилея. Анализ формирования основных понятий и законов динамики в трактате "Беседы" Галилея. Прикладное значение параболической теории Галилея о полете снаряда.

3. Учение о механическом движении в трактате "Начала философии" Декарта. Роль явления удара в картезианской физике. Конкурс. Лондонского Королевского общества по теории удара. Спор о мере движения. Трактат Гюйгенса "Маятниковые часы", его значение.

4. Завершение научной революции в ХVII в., построение механической картины мира. Потребность систематизации огромного фактического материала механики. Жизнь и творчество Ньютона. Гипотеза обратных квадратов Гука и теория тяготения Ньютона. Трактат "Начала" Ньютона. Полемика картезианцев и ньютонианцев.

5. Трактат Вариньона "Новая механика" - обобщение достижений статики до ХVII в. включительно. Академии наук в Европе и Петербурге.

III. Промышленный переворот

и его влияние на развитие механики.

1. Промышленный переворот ХVIII и начала XIX в., его взаимосвязь с развитием механики. Основные проблемы, возникающие в это время перед механикой.

2. Развитие аналитической статики в трактатах: Л. Карно "Опыт о машинах вообще", Лагранжа "Аналитическая механика", в трудах ученых Парижской Политической школы. Обобщение принципа виртуальных скоростей в работах М.В. Остроградского и его школы.

3. Развитие геометрической статики в ХVIII - начале XIX в. (работы Д. Бернулли, Пуансо).

4. Развитие динамики материальной точки и твердого тела. Жизнь и творчество Эйлера. Предвычисления на основе законов механики явлений природы.

5. Поиски нового подхода к проблеме расчета движения механической системы. Задача о колебании составного (физического) маятника. Предпосылки и предыстория принципа Даламбера. Содействие науки в проектировании машин и двигателей. Проект Сегнера-Эйлера водяной турбины. Участие Эйлера в усовершенствовании проекта И.Н. Кулибина моста через Неву. Экспериментально-теоретический поиск Уатта нового устройства парового двигателя.

6. Трактат Лагранжа "Аналитическая механика". Общая формула динамики механической системы, вывод Лагранжем из этой формулы трех теорем динамики системы и других важных свойств движения. Дальнейшее развитие аналитической механики в XIX в.

IV. Развитие механики

в период крупного машинного производства.

1. Активное воздействие наук на окружающий мир, участие механики в прогрессе машинного производства в XIX в. Направление индустриальной механики в Европе, эффективное решение практических проблем наиболее точными методами. Потребность энергетического расчета действия машин и двигателей. Установление всеобщего закона сохранения и превращения энергии.

2. Преимущественное развитие специальных механических дисциплин в XIX в. Выделение из русла общей механики сформировавшихся дисциплин: гидромеханики, теории сопротивления материалов и теории упругости, теории механизмов и машин, внешней баллистики, теории гироскопов.

3. Особенности развития механики в России в конце XIX - начале XX в.

V. Развитие механики в России.

1. Культурно-экономическая обстановка в России во второй половине XVII в.

2. Реформы Петра I в области образования и просвещения науки.

3. Г.Г. Скорняков-Писарев. Первый учебник по статике.

4. С.-Петербургская АН. Первые академики.

5. Леонард Эйлер:

А. Жизнеописание.

Б. Динамика точки.

В. Динамика твердого тела.

Г. Динамические уравнения Эйлера.

Д. Механика сплошной среды. Гипотеза сплошности. Различие элемента сплошной среды от материальной точки.

6. Первые отечественные академики. С.К. Котельников, С.Е. Гурьев, С.Я. Румовский, М.В. Ломоносов.

7. Элементы биографии М.В. Ломоносова.

8. Академический Петербургский университет.

9. М.В. Остроградский, его школа.

10. Второе открытие Петербургского университета. О.И. Сомов.

11. П.Л. Чебышев. Теория функций, наименее уклоняющихся от нуля. Механизмы Чебышева.

12. А.М. Ляпунов, Г.К. Суслов, И.В. Мещерский.

13. Основные предпосылки создания Московского университета (Ломоносов и Шувалов).

14. Организация кафедры механики. Н.Д. Брашман, Ф.А. Слудский, В.Я. Цингер, А.Ю. Давидов.

15. Н.Е. Жуковский.

16. Лекторы практической механики. А.С. Ершов, Ф.Е. Орлов.

17. Организация первых лабораторий в Московском университете (кабинет механических моделей Ершова-Орлова, первые аэродинамические трубы).

18. Выдающиеся ученики Жуковского (С.А. Чаплыгин и др.).

19. М.В. Остроградский.

Литература

1. Веселовский И.Н. Очерки по истории теоретической механики, М., Высшая школа, 1974.

2. Григорьян А.Т. Механика от античности до наших дней. М., Наука, 1971.

3. Григорьян А.Т. Очерки по истории механики в России. М., изд-во АН СССР, 1961.

4. Григорьян А.Т. История механики с древнейших времен до конца ХVIII в. М.-Л., Наука, 1972.

5. Григорьян А.Т. История механики с конца ХVIII до середины XX в. М.-Л., Наука, 1973.

6. Луи де Бройль. По тропам науки. М., ИЛ, 1962.

7. Моисеев Н.Д. Очерки развития теории устойчивости. М., ГИТТЛ, 1949.

8. Моисеев Н.Д. Очерки развития механики. М., изд-во МГУ, 1961.

9. Погребысский И.Б. От Лагранжа к Эйнштейну. М., Наука, 1966.

10. Савин Г.Н., Путята Т.В., Фрадлин Б.Н. Очерки развития механики. Киев, Наукова думка, 1964.

11. Тюлина И.А., Ракчеев Е.Н. История механики. М., изд-во МГУ, 1962.

12. Тюлина И.А. История и методология механики, М., изд-во МГУ, 1979.

13. Тюлина И.А., Чиненова В.Н. История механики. Ч. 1, 2. М., изд-во МГУ, 2002.