Классическая механика — особый вид механики, изучающий законы изменения положений физических тел в пространстве, принципы которого основаны на законах Ньютона и гипотезе относительности Галилея.
Рисунок 1. Классическая механика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Классическую механику или «ньютоновскую философию» ученые подразделяется на:
- кинематику – исследующую геометрическое свойство стабильного движения тел без рассмотрения его причин;
- статику – рассматривающую равновесие материальных веществ;
- динамику – изучающую движение тел с учётом всех вызывающих его причин.
На сегодняшний день центральным предметом изучения классической механики считается движения любых физических тел, совершаемые с определенными скоростями, значительно меньшими скорости света. При исследовании этого процесса в ньютоновской теории вводят ряд абстрактных определений, которые комплексно отражают конкретные свойства реальных материальных тел.
Существует несколько эквивалентных методов формального и детального математического описания классической механики:
- Лагранжев формализм;
- Законы Ньютона;
- Гамильтонова абстракция;
- Гипотеза Гамильтона — Якоби.
На границе XIX—XX столетия были установлены принципы применимости классической механики. Оказалось, что данное направление в науке дает только точные результаты, но только в тех случаях, когда она применяется к физическим телам, размеры которых существенно превышают величину атомов и молекул и при расстояниях, когда скорость распространения гравитации считается бесконечной.
Инерциальная система отсчета как основная теория в классической механике
Рисунок 2. Системы отсчета. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Система отсчёта — это совокупность и общность тела отсчета, который связан с ним посредством координат, рассматриваемых движение каких-либо материальных точек или веществ.
Как известно, Первый закон Ньютона предполагает, что все свободные элементы, к которым не приложено никаких усилий, двигаются прямолинейно или е находятся в спокойном состоянии в инерциальной системе отсчета.
Для полноты данного понятия необходимо определить суть инерциальной системы отсчета. В течение многих столетий механики физики пытались описать это явление так как в классической механике часто применяются системы отсчета, базирующиеся на образе твердого тела, в роли которого могут выступать металлы и алмазы. Постулируется, что между любыми веществами расстояния являются неизменными.
Для полного описания системы отсчета необходимо еще изучить понятие прямой.
В современной практике используется две трактовки прямой:
- в качестве образа натянутой нити;
- прямая как образ линии движения света.
В первом приближении эти два определения прямой полностью совпадают, а линия движения света кривой уже устанавливается в конкретных условиях.
Для определения пространственного масштаба изначально требуется указать отрезок прямой между двумя выбранными физическими телами как основной эталон длины.
Это позволяет сформировать и внедрить в науку метрику пространства и трехмерную систему координат. Для измерения временных параметров ученые применяют разные периодические процессы.
Элементы системы отсчета на базе твердого тела для сохранения своей неподвижности напрямую связаны друг с другом силовыми показателями, следовательно, находятся в невесомом состоянии.
Например, во вращающейся отчетной системе весомость тел записывается так: $W = ρ$, где $ρ$ ─ расстояние до центральной оси вращения.
Элементы жестких концепций отсчета в гравитационной среде также являются весомыми, однако могут существовать и теории с невесомыми телами отсчета. Такие системы физики называют «мягкими». И наконец, возможны системы отсчета, которые могут иметь разные формы одновременно, где все неподвижные относительно друг друга материальные элементы отсчета не имеют общей силовой связи. Такие концепции и являются инерциальными системами отсчета.
История становления классической механики
Основы м методы классической механики были впервые заложены великим мыслителем Галилеем, а затем Кеплером и Коперником при исследовании закономерностей движения существующих на планете небесных тел, поэтому, в течение длительного периода времени физика и механика рассматривались исключительно в контексте толкования астрономических событий.
В своих научных работах Коперник указывал, что определение принципов движения материальных элементов возможно значительно упростить, если отойти от закономерностей, заложенных ранее Аристотелем, и считать именно Солнце отправной точкой для таких научных вычислений. Это помогло ученым осуществить переход от геоцентрической к гелиоцентрической концепции.
Далее методы и идеи классической механики были формализованы трех законах Кеплера движения небесных тел, согласно которым, все планеты нашей солнечной системы движутся только эллиптическими орбитами. Следующий весомый вклад в становлении классической механики был осуществлен Галилеем, который смог сформулировать и описать пять уникальных законов движения, изучая главные закономерности механического движения материальных веществ.
Но все же лавры самого известного основателя изучаемого научного течения относятся Исааку Ньютону, который в своей работе "Математические истоки натуральной философии" представил синтез тех определений по физике механического стабильного движения, которые были созданы его предшественниками. Ньютон смог описать три основных законы движения тел, которые впоследствии были названы его именем, а также теорию всемирного тяготения, подводящую черту под экспериментами Галилеем в качестве процесса свободного падения веществ.
Ограничения классической механики
Рисунок 3. Ограничения классической механики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Классическая механика дает исследователям точные результаты для концепций, которые часто встречаются в повседневной жизни. Но они считаются некорректными для систем, скорость которых практически одинакова со скоростью света. В таких ситуациях это направление в физике заменяется релятивистской механикой, где действуют другие законы светового излучения и поглощения. Для учений, объединяющих оба эти свойства, используется квантовая гипотеза поля вместо классической механики. Для систем с огромным количеством составляющих, или уровней свободы, классическая механика не может быть адекватной, зато применяет способы статистической физики.
Классическая механика достаточно широко применяется в современном мире так как она гораздо проще в использовании, чем перечисленные выше гипотезы, следовательно, имеет большие возможности для аппроксимации физических объектов, начиная с обычных и заканчивая совсем микроскопическими в виде органических молекул.
Хотя классическая механика является в целом совместимой с другими классическими идеями, в ней возможно определить некоторые несоответствия, которые были обнаружены только в конце 19 столетия. Все ограничения в этом разделе физики могут быть решены с помощью методов современной науки. В частности, уравнения и формулы электродинамики не действуют относительно химических преобразований Галилея.
Скорость света входит в них как основная константа, поэтому классическая электродинамика и механика могли бы быть абсолютно совместимы только в одной выбранной концепции отсчета.
Однако теоретическая проверка и практика не определила наличие различий, что привело к возникновению универсальной теории относительности, в пределах которой уравнения механики были полностью модифицированы.
Принципы классической механики также невозможно совместить с некоторыми идеями классической термодинамики, что приводит к парадоксу Гиббса, согласно которому точно установить энтропию, в которой абсолютно черное вещество излучает бесконечное количество энергии, - нереально. Для преодоления указанной несовместимости была в результате разработана квантовая механика.
