История развитии сройтельной механики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.0 Эволюция механики

2.1 Развитие механики с эпохи Просвещения до начала Нового времени

История механики, так же как и у ДРУГИХ наук, неразрывно связана с историей развития общества, с общей историей развития его  производительных сил. И у каждой эпохи развития человечества, от древнего мира и вплоть до новейшего времени, стояли собственные проблемы науки  и собственные пути их разрешения.

Механика не возникла спонтанно. Это результат трудов и открытий, совершенствования технологий и  строительства. Основные законы современной  механики родились в результате опыта  поколений, начиная с появления  орудий труда и первых построек. Родиной первой механики по праву  считают древнюю Грецию, где огромными  темпами развивались точные науки  и строительство. Именно здесь впервые  зародился важнейший раздел механики – статика. Этот раздел развивался в тесной связи со строительным искусством античного мира.

 

2.1.1 Механика античности

Основное понятие механики–  понятие силы – появившееся впервые  в античном мире, вначале тесно  связывалось с мускульным усилием, вызванным давлением предмета на руку. Примерно к началу IV в. до н. э. Греции уже были известны простейшие законы сложения и уравновешивания сил, приложенных к одной точке вдоль одной и той же прямой. Особый интерес привлекала задача о рычаге. Теория рычага была создана великим ученым древности Архимедом (III в. до н. э.) и изложена в сочинении “О рычагах”.

АРХИМЕД ( (около 287 до н.э. — 212 до н.э.), древнегреческий ученый, математик и механик, основоположник теоретической механики и гидростатики. Разработал предвосхитившие интегральное исчисление методы нахождения площадей, поверхностей и объемов различных фигур и тел. В основополагающих трудах по статике и гидростатике (закон Архимеда) дал образцы применения математики в естествознании и технике. Архимеду принадлежит множество технических изобретений (архимедов винт, определение состава сплавов взвешиванием в воде, системы для поднятия больших тяжестей, военные метательные машины), завоевавших ему необычайную популярность среди современников. Им впервые был введен закон о погруженном в жидкость теле, который сейчас известен каждому школьнику.(рис.справа, где F-выталкивающая сила, а P-сила тяжести)

2.1.2 Механика в эпоху возрождения

С развитием ремесел, торговли, мореплавания и военного дела и связанного с ними накопления новых знаний, в XIV и XV вв. – в эпоху Возрождения – начинается расцвет наук и искусств. Крупным событием, революционизировавшим человеческое мировоззрение, явилось создание великим польским астрономом Николаем Коперником (1473 – 1543)учения о гелиоцентрической системе мира, в которой шарообразная Земля занимает центральное неподвижное положение, а вокруг нее по своим круговым орбитам движутся небесные тела: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн. Кинематические и динамические исследования эпохи Возрождения были обращены, главным образом, на уточнение представлений о неравномерном и криволинейном движении точки. До этого времени общепринятыми были не соответствующие действительности динамические воззрения Аристотеля, изложенные в его “Проблемах механики”.

Леонардо  да винчи – рисунки гения

Леонардо да Винчи (1452-1519) титан Возрождения, ученый и живописец, внесший огромный вклад в технику, естественные и точные науки. Особое внимание Леонардо уделял механике, называя  ее «раем математических наук» и  видя в ней ключ к тайнам мироздания; он попытался определить коэффициенты трения скольжения, изучал сопротивление  материалов, увлеченно занимался  гидравликой. Многочисленные гидротехнические эксперименты получили выражение в  новаторских проектах каналов и  ирригационных систем. Страсть к  моделированию приводила Леонардо к поразительным техническим  предвидениям, намного опережавшим  эпоху: таковы наброски проектов металлургических печей и прокатных станов, ткацких  станков, печатных, деревообрабатывающих и прочих машин, подводной лодки  и танка, а также разработанные  после тщательного изучения полета птиц конструкции летальных аппаратов  и парашюта.

Рисунки, опередившие эпоху

Рисунки и чертежи Леонардо – результат его многочисленных исследований в анатомии и механике. Зарисовки «вечного двигателя», плечо  силы под видом «потенциального  рычага», механические птицы….все то, что во времена да Винчи считалось  непостижимым, теперь реальность. Ученый смотрел далеко вперед и его открытия в технике и механике до сих  пор считаются феноменальными.

Галилео Галилей

ГАЛИЛЕЙ Галилео (1564-1642), итальянский  ученый, один из основателей точного  естествознания. Боролся против схоластики, считал основой познания опыт. Заложил  основы современной механики: выдвинул идею об относительности движения, установил законы инерции, свободного падения и движения тел по наклонной  плоскости, сложения движений; открыл изохронность колебаний маятника; первым исследовал прочность балок

Открытия Галилея  в механике

Галилей экспериментально установил  количественный закон падения тел  в пустоте, согласно которому расстояния, проходимые падающим телом в одинаковые промежутки времени, относятся между  собой, как последовательные нечетные числа. Галилей установил законы движения тяжелых тел по наклонной  плоскости, показав, что, падают ли тяжелые  тела по вертикали или по наклонной  плоскости, они всегда приобретают  такие скорости, которые нужно  сообщить им, чтобы поднять их на ту высоту, с которой они упали. Переходя к пределу, он показал, что  на горизонтальной плоскости тяжелое  тело будет находиться в покое  или будет двигаться равномерно и прямолинейно

Складывая горизонтальное и  вертикальное движения тела (это первое в истории механики сложение конечных независимых движений), он доказал, что тело, брошенное под углом  к горизонту, описывает параболу, и показал, как рассчитать длину  полета и максимальную высоту траектории В диалогах о двух системах мира очень образно, в форме художественного  описания, он показал, что все движения, которые могут происходить в  каюте корабля, не зависят от того, находится ли корабль в покое  или движется прямолинейно и равномерно. Этим он установил принцип относительности  классической механики (так называемый принцип относительности Галилей  – Ньютона) Исследуя условия равновесия простых машин и плавания тел, Галилей, по существу, применяет принцип  возможных перемещений (правда, в  зачаточной форме). Ему же наука обязана  первым исследованием прочности  балок и сопротивления жидкости движущимся в ней телам.

.

Открытия  Рене Декарта

Французский геометр и  философ Р. Декарт (1596 – 1650) высказал плодотворную идею сохранения количества движения. Он применяет математику к анализу движения и, вводя в  нее переменные величины, устанавливает  соответствие между геометрическими  образами и алгебраическими уравнениями. Но он не заметил существенного факта, что количество движения является величиной направленной, и складывал количества движения арифметически. Это привело его к ошибочным выводам и снизило значение данных им применений закона сохранения количества движения, в частности, к теории удара тел.

Физический  маятник Гюйгенса

Последователем Галилея  в области механики был голландский  ученый Х. Гюйгенс (1629 – 1695). Ему принадлежит  дальнейшее развитие понятий ускорения  при криволинейном движении точки (центростремительное ускорение). Гюйгенс  также решил ряд важнейших  задач динамики – движение тела по кругу, колебания физического  маятника, законы упругого удара. Он первый сформулировал понятия центростремительной  и центробежной силы, момента инерции, центра колебания физического маятника. Но основная его заслуга состоит  в том, что он первый применил принцип, по существу эквивалентный принципу живых сил (центр тяжести физического  маятника может подняться только на высоту, равную глубине его падения). Пользуясь этим принципом, Гюйгенс  решил задачу о центре колебания  маятника – первую задачу динамики системы материальных точек. Исходя из идеи сохранения количества движения, он создал полную теорию удара упругих  шаров.

Исаак Ньютон (1643–1727) основатель классической механики

Исаак Ньютон, английский математик, механик, астроном и физик, создатель  классической механики, член (1672) и президент (с 1703) Лондонского королевского общества. Фундаментальные труды «Математические  начала натуральной философии» (1687) и «Оптика» (1704). Разработал (независимо от Г. Лейбница) дифференциальное и  интегральное исчисления. Открыл дисперсию  света, хроматическую аберрацию, исследовал интерференцию и дифракцию, развивал корпускулярную теорию света, высказал гипотезу, сочетавшую корпускулярные и волновые представления. Построил зеркальный телескоп. Сформулировал  основные законы классической механики. Открыл закон всемирного тяготения, дал теорию движения небесных тел, создав основы небесной механики. Пространство и время считал абсолютными. Работы Ньютона намного опередили общий  научный уровень его времени, были малопонятны современникам.

 

 

2.2 Развитие механики в xviii веке

Ж.Ланграж

К концу XVII в. основы механики были обстоятельно разработаны. Если древние века считать предысторией механики, то XVII в. можно рассматривать как период создания ее основ. Развитие методов механики в XVIII в.. В XVIII в. потребности производства – необходимость изучения важнейших механизмов, с одной стороны, и проблема движения Земли и Луны, выдвинутая развитием небесной механики, с другой, - привели к созданию общих приемов решения задач механики материальной точки, системы точек твердого тела, развитых в “Аналитической механике” (1788 г.) Ж. Лагранжа (1736 – 1813) Динамика Эйлера (1707-1783)

Л.Эйлер

ЭЙЛЕР Леонард (1707-83), математик, механик, физик и астроном. По происхождению Швейцарец. В 1726 был приглашен в Петербургскую АН и переехал в 1727 в Россию. Был адъюнктом (1726), а в 1731-41 и с 1766 академиком Петербургской АН (в 1742-66 иностранный почетный член). В 1741-66 работал в Берлине, член Берлинской АН. Эйлер — ученый необычайной широты интересов и творческой продуктивности. Автор св. 800 работ по математическому анализу, дифференциальной геометрии, теории чисел, приближенным вычислениям, небесной механике, математической физике, оптике, баллистике.

Л. Эйлер - основоположник механики твердого тела. Ему принадлежит общепринятый метод кинематического описания движения твердого тела при помощи трех эйлеровых углов. Фундаментальную  роль в дальнейшем развитии динамики и многих ее технических приложений сыграли установленные Эйлером  основные дифференциальные уравнения  вращательного движения твердого тела вокруг неподвижного центра. Эти уравнения явились аналитическим выражением открытой им теоремы моментов количества движения, которая представляет собой необходимое дополнение к закону количестве движения, сформулированному в общем виде в “Началах” Ньютона.

Эти уравнения явились  аналитическим выражением открытой им теоремы моментов количества движения, которая представляет собой необходимое  дополнение к закону количестве движения, сформулированному в общем виде в “Началах” Ньютона. В “Механике” Эйлера дана близкая к современной  формулировка закона “живых сил” для  случая прямолинейного движения и отмечено наличие таких движений материальной точки, при которых изменение  живой силы при переходе точки из одного положения в другое не зависит от формы траектории. Этим было положено начало понятия потенциальной энергии. Эйлер – основоположник гидромеханики. Им были даны основные уравнения динамики идеальной жидкости; ему принадлежит заслуга создания основ теории корабля и теории устойчивости упругих стержней; Эйлер заложил основу теории расчета турбин, выведя турбинное уравнение; в прикладной механике имя Эйлера связано с вопросами кинематики фигурных колес, расчета трения между канатом и шкивом и многими другими.

 

2.3 Развитие механики во второй половине XVIII века.

Одним из важнейших приложений ньютоновской теории тяготения явился вопрос о фигурах равновесия вращающихся  жидких масс, частицы которых тяготеют друг к другу, в частности о  фигуре Земли. Основы теории равновесия вращающихся масс были изложены Ньютоном в третьей книге “Начал”. Проблема фигур равновесия и устойчивости вращающейся жидкой массы сыграла  значительную роль в развитии механики во второй половине XVIII в.

Открытия Ломоносова

Великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711 – 1765) высоко оценивал значение механики для естествознания, физики и философии. Ему принадлежит  материалистическая трактовка процессов  взаимодействия двух тел: “когда одно тело ускоряет движение другого и  сообщает ему часть своего движения, то только так, что само теряет такую  же часть движения”. Он является одним  из основоположников кинетической теории теплоты и газов, автором закона сохранения энергии и движения. Приведем слова Ломоносова из письма Эйлеру (1748 г.): “Все изменения, случающиеся  в природе, проходят так, что если что-либо прибавится к чему-либо, то столько же отнимется от чего-то другого. Так, сколько к какому-нибудь телу присоединится материи, столько  же отнимется. Ломоносов впервые  предсказал существование абсолютного  нуля температуры, высказал мысль о  связи электрических и световых явлений. В результате деятельности Ломоносова и Эйлера появились первые труды русских ученых, творчески  овладевших методами механики и способствовавших ее дальнейшему развитию.

 

 

М.Ломоносов

Принципы динамики несвободной  системы

История создания динамики несвободной системы связана  с развитием принципа возможных  перемещений, выражающим общие условия  равновесия системы. Этот принцип был  впервые применен Голландским ученым С. Стевином (1548 – 1620) при рассмотрении равновесия блока. Галилей сформулировал принцип в виде “золотого правила” механики, согласно которому “что выигрывается в силе, то теряется в скорости”. Современная формулировка принципа была дана в конце XVIII в. на основе абстракции “идеальных связей”, отражающих представление об “идеальной” машине, лишенной внутренних потерь на вредные сопротивления в передаточном механизме. Выглядит она следующим образом: если в положении изолированного равновесия консервативной системы со стационарными связями потенциальная энергия имеет минимум, то это положение равновесия устойчиво.

Созданию принципов динамики несвободной системы способствовала задача о движении несвободной материальной точки. Материальная точка называется несвободной, если она не может занимать произвольного положения в пространстве. В этом случае принцип Д’Аламбера звучит следующим образом: действующие  на движущуюся материальную точку активные силы и реакции связей можно в  любой момент времени уравновесить добавлением к ним силы инерции.