Физическая сущность основных понятий механики

                                              Содержание.

1. Физическая сущность основных понятий механики…………………..3

2. Основные законы и принципы механики………………………………..4

3. Закон инерции. (Первый закон Ньютона)……………………………....8

4. Второй и третий законы Ньютона………………………………………17

5. Список литературы………………………………………………………..26

Физическая  сущность основных понятий механики.

К основным понятиям механики обычно относят время, пространство, массу, силу, инерцию, энергию, причем эти  понятия рассматриваются вне  их общности, того, что их объединяет. Таким объединяющим началом является понятие материи. Недаром философы-материалисты говорят, что в мире нет ничего кроме движущейся материи. Материя существует в виде конкретных материальных объектов, движение которых и их взаимодействие определяет все явления, происходящие во Вселенной, на каком бы уровне организации материи это ни происходило: от микромира до мегамира, от элементарных частиц до удаленных галактик. Поэтому к основным понятиям механики следует отнести материю и ее движение, взаимодействие материальных объектов, без которого ничего в мире не происходило бы.

Над указанными понятиями  люди давно размышляли, пытались понять их сущность. Особенно их волновала  сущность времени, пространства и движения, поскольку с этими понятиями человек непрестанно сталкивался в своей жизни и деятельности. Уже в Древней Греции, как это будет показано ниже, ученые близко подошли к разгадке сущности времени, и только непонимание сущности движения помешало им это сделать. С тех пор прошло много веков, механика как наука достигла высокого уровня развития, люди с помощью законов механики стали осваивать космическое пространство, но, как это ни удивительно, основные понятия, на которых механика зиждется как на фундаменте, до сих пор так и не имеют разумного объяснения. Такое положение приводит к тому, что некоторые ученые начинают слишком вольно обращаться с этими понятиями, наделять их необычными свойствами. Особенно «пострадали» в этом смысле понятия времени и пространства. А. Эйнштейн и Г. Минковский объединили их в единое целое, когда ни пространство, ни время не могут существовать самостоятельно, по отдельности. Кривизной этого так называемого четырехмерного пространства-времени они объясняли сущность гравитации. Другие ученые, в частности И. Пригожин, утверждают, что из объединенного пространства-времени рождается материя. Из общей теории относительности А. Эйнштейна вытекает возможность путешествий во времени. Есть ученые, которые считают, что в основе рождения и функционирования Вселенной лежит некая суперсила. И таких примеров можно привести сколько угодно. Можно даже сказать, что все зависит от фантазии того или иного ученого. А если дело обстоит так, если нет четкого представления о сущности основных понятий, то нет и единого стержня, объединяющего их, нет общей целостности законов механики, поэтому и выглядит физическая картина мира, как лоскутное одеяло, составленное из отдельных лоскутков-законов: механических, электрических, магнитных и других.

Многие ученые пытались создать единую физическую картину мира на основе законов механики, но им это не удалось сделать, так как они не нашли нужного механизма взаимодействия материальных объектов. Такой механизм взаимодействия предлагается автором данной книги. Но чтобы прийти к понятию сущности взаимодействия материальных объектов, необходимо было сперва выяснить физическую сущность основных понятий механики, чему и посвящена данная глава. Только физическая сущность массы будет рассмотрена в конце книги, так как для понимания этой сущности необходимо выяснить природу всех существующих видов взаимодействий: электромагнитных, гравитационных, слабых и сильных.

Основные  законы и принципы механики.

Законы механики позволяют людям понять окружающий их мир, так как они устанавливают  причинную связь между событиями и явлениями, дают уверенность в способности человека познать Вселенную. Законы механики формировались в течение долгого времени и прошли долгий путь развития от примитивных, достаточно туманных представлений о сущности явлений, до современных четко выраженных в математической форме уравнений.

Люди всегда пытались понять, почему все в природе  происходит так, а не иначе, почему падает камень и почему летит стрела, почему начинается движение, как оно происходит и почему оно заканчивается. Особенно большой вклад в развитие механики внесли древние греки, среди которых было много выдающихся ученых своего времени. Архимедом (ок. 287–212 г. до н.э.) уже разрабатывались законы статики на примере равновесия рычагов, с Евдокса (409–355 г. до н.э.) начиналось развитие интегрального исчисления в виде метода исчерпывания, служащего для определения объемов тел. Развитие механики от Древней Греции до наших дней хорошо представлено в книге [1]. Однако, отсутствие развитого математического аппарата, отсутствие потребности да и возможности в постановке специальных экспериментов, не позволило древнегреческим ученым и последующим поколениям ученых в течение многих веков понять сущность взаимодействия и движения материальных объектов, открыть объясняющие их законы механики. Только Галилею (1564–1642) первому удалось открыть и экспериментально доказать закон падения тел в виде математического соотношения между величиной перемещения и временем движения. Эксперименты с шариками, движущимися по наклонной плоскости, позволили Галилею прийти к мысли о движении тел по инерции, правда, это движение он мыслил как круговое, а не прямолинейное, так как круговое движение в те времена считалось самым совершенным или гармоничным.

Вслед за Галилеем Р.Декарт (1596–1650) уточнил понятие о движении по инерции, дав его определение практически в современном виде, постулировал постоянство в природе количества движения, которое он мыслил как произведение размеров тел на скорость их движения, дал объяснение функционированию Вселенной на основе теорий вихрей, то есть разработал физическую картину мира на механической основе, но без математического обоснования. Большой заслугой Декарта в развитии математики и механики является введение им прямоугольной системы координат. Введение координат дало сильнейший толчок их развитию.

Все эти достижения в области математики и механики дали возможность И.Ньютону (1643–1727) создать основы механики в ее современном  понимании. Законы, им открытые, позволили  ему и последующим поколениям ученых разрабатывать новую, отличную от декартовской, физическую картину мира, но тоже на механической основе. К основным законам механики, открытым И. Ньютоном, относятся: закон инерции; закон, устанавливающий связь между силой и количеством движения; закон равенства действия и противодействия; закон всемирного тяготения. Однако, надо сказать, что все эти законы не имеют строгого обоснования и поэтому часто называются не законами, а аксиомами, то есть предположениями, не имеющими доказательства. Закон тяготения является феноменологическим, то есть описательным и не дающим представления о физической сущности гравитации. Поэтому мы говорим, что И. Ньютон открыл законы механики, а не вывел их из каких-то предпосылок, то есть угадал их, а на это способен только гениальный ум. Ньютону также принадлежит правило векторного сложения сил, которое называется правилом параллелограмма и тоже является аксиомой, так как еще никем не доказано. Ньютон впервые ввел понятие массы и выражаемое через нее количество движения, ввел понятие инертности тел, под которой он понимал силу инерции и связывал ее с количеством массы тел. Выдающимся достижением И.Ньютона является разработка им основ дифференциального и интегрального исчисления, давшего мощнейший толчок развитию аналитических методов механики. Правда, в своей выдающейся работе “Математические начала натуральной философии”, изданной им в 1687г., И.Ньютон не использовал разработанный им новый математический аппарат, так как тогда ни один бы современный ему ученый не понял бы этого. Потребовалось много лет, чтобы ученые освоились с идеями дифференциального и интегрального исчисления и научились использовать его в расчетах. Большую роль в этом сыграл символический метод дифференцирования и интегрирования, разработанный современником И.Ньютона Лейбницем (1646–1716).

Последующие поколения ученых развивали идеи И.Ньютона. Выдающимися учеными в  области механики были Даламбер (1717–1783), Д.Бернулли (1700–1782), Лагранж (1736–1813), Гамильтон (1805–1865) и другие. Вдохновленные  примером Ньютона и используя его достижения, они способствовали развитию механики, придав ей всеобщий, универсальный характер, лежащий в основе всех явлений природы. Ими велись интенсивные поиски новых законов механики, новых физических сущностей, определяющих эти законы. Так, Гюйгенсом (1629–1695), а затем Лейбницем было введено понятие “живой силы”, представляющей собой кинетическую энергию, которая рассматривалась в качестве основной меры движения. Были введены принцип наименьшего действия в форме Мопертюи (1698–1759) и Гамильтона и другие интегральные и дифференциальные принципы механики. Был разработан принцип возможных перемещений, принцип Даламбера, получено общее уравнение динамики, уравнения Лагранжа. Законов механики стало столько, что возникла потребность выяснить, какой же из них будет самым главным, из которого будут вытекать все остальные законы. В настоящее время на ведущую роль некоторые ученые выдвигают принцип наименьшего действия в форме Гамильтона. Однако, все почему-то забывают или не обращают внимания на то, что все новые законы и принципы могут быть получены после соответствующих преобразований из второго закона Ньютона.

К основным законам механики, конечно, следует  также отнести законы сохранения энергии, количества движения (импульса) и момента количества движения (момента импульса). Эти законы используются не только для исследования механических движений и взаимодействий, но и для явлений, имеющих другую физическую природу, таких как электричество, магнетизм, сильные и слабые взаимодействия. Поскольку указанные законы имеют такой универсальный характер, делались неоднократные попытки положить их в основу других законов механики.

В данной книге автором делается попытка  установить иерархию законов механики, найти законы и принципы, лежащие  в основе всех остальных законов. Эта попытка основана на понимании единства материального мира, его непрерывного движения и, как следствие этого, постоянного взаимодействия материальных объектов. Мы считаем, что взаимодействие материальных объектов должно подчиняться принципу причинности и быть локализовано в пространстве, то есть должно существовать место взаимодействия.

Закон инерции (первый закон Ньютона).

Ньютон  дал следующую формулировку закона инерции [6, с.232]: “Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии  покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние”. 
Историю закона инерции следует начать с Галилея, так как до него понятия движения тел по инерции не было. Аристотель, например, утверждал, что для поддержания движения свободного тела к нему необходимо постоянно прикладывать силу. Галилей в своей работе “Диалоги о двух важнейших системах мира, птолемеевой и коперниковой” утверждал [6, с.161]: “Когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никакого сопротивления, то… движение его является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца”. 
Позже Р. Декарт сформулировал закон инерции в виде двух законов природы [7, с.368-369]: “Первый закон природы: всякая вещь пребывает в том состоянии, в каком она находится, пока ее что-либо не изменит”. 
“Второй закон природы: всякое движущееся тело стремится продолжать свое движение по прямой”. 
И еще [7, с.200]: “…каждая частица материи в отдельности продолжает находиться в одном и том же состоянии до тех пор, пока столкновение с другими частицами не вынуждает ее изменить это состояние…раз уже она начала двигаться, то будет продолжать это движение постоянно с равной силой до тех пор, пока другие ее не остановят или не замедлят ее движение”. 
Приведенные формулировки закона инерции, данные Декартом, по своей сути почти ничем не отличаются от формулировки И.Ньютона, за исключением второго закона природы, который можно отнести к каждому моменту движения тела при наличии действующих на него сил. Целесообразность такой формулировки закона инерции –будет показана ниже. 
В одной из современных формулировок закон инерции выглядит так [8, с.70]: “Если на материальную точку не действуют силы, то она сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения”. 
Данная формулировка закона инерции очень похожа на формулировку И.Ньютона, но с одной только разницей: у Ньютона речь идет о теле, а здесь – о материальной точке. И это, на первый взгляд, не существенное различие, на самом деле является принципиальным.

Во-первых, понятие  материальной точки является условным, поскольку в природе таких  материальных объектов нет. Поэтому  создателям механики и в голову не могло прийти сравнивать реальные тела с математической точкой, то есть с фикцией. Другое дело, что движение тел во многих случаях можно было описать как движение одной его точки, за которую принимался центр масс тела. Однако, некритическое отношение к этому вопросу привело в дальнейшем уже к принципиальному убеждению, что законы механики относятся только к материальной точке или к системе материальных точек, а не к реальным телам. Хотя ясно, что точка остается точкой, если ее даже и назвать материальной. И этим самым развитию механики был поставлен труднопреодолимый барьер. Ниже этот вопрос будет обсуждаться подробнее. 
       Во-вторых, отнесение закона инерции к движению только материальной точки приводит к тому, что сам этот закон также становится фикцией, так как движутся все-таки реальные тела, состоящие из атомов, а в атомах имеются ядра и электроны, которые вращаются вокруг своих осей, а электроны еще и вокруг ядер, причем в целом довольно хаотично. И если средневековые ученые могли еще думать, что все частицы любого тела могут двигаться с одинаковыми скоростями, поскольку они не знали, что все тела состоят из атомов, то современные ученые должны этот факт учитывать. 
       Таким образом, к закону движения по инерции может быть два варианта отношения: или считать его условным, фиктивным, или учесть реальность и относить его к реальным телам, а не к точкам. При этом необходимо учесть и тот факт, что движения материальных объектов без силового воздействия на них в природе практически не существует. 
Такая постановка вопроса приводит к необходимости осмысления новой сущности закона инерции и изменения его формулировки. В §4 первой главы мы уже говорили о необходимости представить этот закон в дифференциальной форме, то есть считать его справедливым, для любого момента движения материальных объектов, независимо от характера этого движения. Сейчас мы сделаем некоторые уточнения для предложенной там формулировки. Это связано, во-первых, с тем, что любое материальное тело представляет собой совокупность частиц, которые в одно и то же время могут иметь разные скорости и ускорения, как, например, во вращательном движении. И, во-вторых, необходимо иметь в виду, что силовое воздействие на тело и его частицы обусловлено подводом энергии.

Тогда закон инерции можно сформулировать следующим образом: 
–  Инерция – это стремление тела, как единого целого сохранить состояние покоя или скорость (энергию) своего движения в любой момент этого движения как при действии на него сил, так и при отсутствии такого воздействия; при прекращении силового воздействия тело будет двигаться в соответствии с имеющейся у него на данный момент скоростью в любой выбранной системе отсчета.