Античная механика

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:

• классическая механика
• теоретическая механика
• нелинейная динамика
• релятивистская механика
• квантовая механика
• небесная механика
• неголономная механика
• теория колебаний
• теория устойчивости и катастроф
• механика сплошных сред
• теория упругости
• теория пластичности
• наследственная механика
• механика разрушений
• статистическая механика
• вычислительная механика
• сопротивление материалов
• строительная механика

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:

1. Материя (греч. ΰλη, греч. ὑποκείμενον)  — «то, из чего». Многообразие вещей, существующих объективно; материя вечна, несотворима и неуничтожима; она не может возникнуть из ничего, увеличиться или уменьшиться в своём количестве; она инертна и пассивна. Бесформенная материя представляет собой небытие. Первично оформленная материя выражена в виде пяти первоэлементов (стихий): воздух, вода, земля, огонь и эфир (небесная субстанция).
2. Форма (греч. μορφή, греч. тò τί ἧν εἶναι) — «то, что». Сущность, стимул, цель, а также причина становления многообразных вещей из однообразной материи. Создает формы разнообразных вещей из материи Бог (или ум-перводвигатель). Аристотель подходит к идее единичного бытия вещи, явления: оно представляет собою слияние материи и формы.
3. Действующая, или производящая причина (греч. αρχή της κινήσεως) — «то, откуда». Характеризует момент времени, с которого начинается существование вещи. Началом всех начал является Бог. Существует причинная зависимость явления сущего: есть действующая причина — это энергийная сила, порождающая нечто в покое универсального взаимодействия явлений сущего, не только материи и формы, акта и потенции, но и порождающей энергии-причины, имеющей наряду с действующим началом и целевой смысл.
4. Цель, или конечная причина (греч. τέλος ου ενεκα) — «то, ради чего». У каждой вещи есть своя частная цель. Высшей целью является Благо.

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:

1. Естественное место — каждый элемент тяготеет к своему естественному месту, каким-то образом расположенному относительно центра Земли, а значит и центра Вселенной.
2. Гравитация/Левитация — на объекты действует сила, двигающая эти объекты к их естественному месту.
3. Прямолинейное движение — в ответ на эту силу тело двигается по прямой линии с постоянной скоростью.
4. Зависимость скорости от плотности — скорость обратно пропорциональна плотности среды.
5. Невозможность вакуума — так как скорость движения в вакууме была бы бесконечно большой.
6. Всепроникающий эфир — каждая точка пространства заполнена материей.
7. Конечная вселенная — мир конечен, т.е.завершен, следовательно, совершенен; мир ничто не объемлет, из чего следует, что у мира нет места ("место - первая граница объемлющего тела").
8. Теория континуума — между атомами был бы вакуум, таким образом материя не может состоять из атомов.
9. Эфир — объекты из надлунного мира сделаны из иной материи, чем земные.
10. Неизменный и вечный космос — солнце и планеты — совершенные, неизменяемые сферы.
11. Движение по окружности — планеты совершают совершенное круговое движение.

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.