Классическая механика ньютона реферат

Обновлено: 05.07.2024

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

Введение

Механика — это отрасль физики, наука, изучающая движение материальных тел и взаимодействие между ними; в этом случае движение в механике описывается как временное изменение взаимного положения тел или их частей в пространстве.

Тематическая механика и ее разделы

Что касается предмета механики, то уместно сослаться на слова авторитетного ученого-механика Х.М. Тарга во введении к 4-му изданию его широко известного учебника теоретической механики: «Наука, посвященная решению любой проблемы, связанной с изучением движения или равновесия того или иного материального тела, а значит, и взаимодействий между телами, называется механикой в широком смысле этого слова. Теоретическая механика сама по себе является частью механики, в которой изучаются общие законы движения и взаимодействия материальных тел, т.е. те законы, которые применимы, например, как к движению Земли вокруг Солнца, так и к полету ракеты или артиллерийского снаряда и т.д. Другая часть механики состоит из различных общих и специальных технических дисциплин, посвященных проектированию и расчету всех видов конкретных конструкций, двигателей, механизмов и машин или их частей (частей).

Таким образом, предметная механика делится на:

теоретическая механика;
механика твёрдых сред;

Специальные механические дисциплины: теория механизмов и машин, сопротивление материалов, гидравлика, механика грунтов и др.

Теоретическая механика (в употреблении — теорема) — наука об общих законах механического движения и взаимодействия материальных тел.

Механика твёрдых сред — раздел механики, физики твёрдых сред и физики конденсированного состояния, посвящённый движению газообразных, жидких и деформирующихся твёрдых тел и силовым взаимодействиям в таких телах.

Другая важная особенность, используемая при разделении механики на отдельные секции, основана на тех представлениях о свойствах пространства, времени и материи, которые лежат в основе той или иной конкретной механической теории.

Данному атрибуту в границах механики присваиваются такие участки:

классическая механика;
релятивистская механика;
Квантовая механика.

Релятивистская механика — это отрасль физики, рассматривающая законы механики (законы движения тел и частиц) со скоростями, сравнимыми со скоростью света. На скоростях гораздо меньше скорость света переходит в классическую (ньютоновскую) механику.

Квантовая механика — это отрасль теоретической физики, описывающая физические явления, в которых эффект сравним по величине с константой Планка.

Механическая система

Механика занимается исследованием так называемых механических систем.

У механической системы есть определенное число k! Его состояние описывается с помощью обобщенных координат q_1,\points q_k,! и соответствующих обобщенных импульсов p_1,\points p_k,! Задача механики — исследовать свойства механических систем и особенно узнать их временную эволюцию.

Как один из классов физических систем, механические системы делятся на изолированные (замкнутые), замкнутые и открытые по способу взаимодействия с окружающей средой и по принципу изменения свойств с течением времени — на статические и динамические.

Основные механические системы:

точка массы
негосударственная система
гармонический генератор
Маятник математики
физический маятник
Крутильный маятник
Твердое государство
деформируемое тело
полностью эластичное тело
твёрдой окружающей среды.

Нетехническая система — это механическая система, которая, помимо геометрических и кинематических связей, имеет наложения, которые не могут быть сведены к геометрическим (их называют неголономическими).

Гармонический осциллятор (в классической механике) — это система, которая при смещении из положения равновесия испытывает восстанавливающую силу F, пропорциональную смещению x (по закону Крюка).

Твердая среда — это механическая система, обладающая бесконечным числом внутренних степеней свободы.

Критические механические дисциплины

Кинематика (по-гречески: κινειν — двигаться) в физике — это отрасль механики, которая занимается математическим описанием (с помощью геометрии, алгебры, математического анализа…) идеализированных движений тела (материальная точка, абсолютно твердое тело, идеальная жидкость) без учета причин движения (масса, силы и т.д.). Оригинальные концепции кинематики — это пространство и время.

Dynamics (Greek δύναμις — force) — раздел механики, исследующий причины механических движений. Динамика работает с такими терминами, как масса, сила, импульс, импульс- момент, энергия.

Кроме того, механика включает в себя следующие механические дисциплины (содержание которых в значительной степени пересекается):

Теоретическая механика
Небесная механика
Нелинейная динамика
Механика без углекислого газа
теория гироскопов
Теория вибраций
Теория устойчивости и катастрофы
Механика твердого тела
Гидростатика
Гидродинамика
Аэромеханика
Газовая динамика
Теория упругости
теория пластичности
Генетическая механика
Механика разрушения
Механика композитных материалов
Реология
статистическая механика
Механика расчёта
Специальные механические дисциплины
теория механизмов и машин
Предел прочности материалов
Структурная механика
Гидравлика
Механика грунта.

Некоторые курсы механики ограничиваются только твердыми телами. Изучение деформируемых тел основано на теории упругости (сопротивление материала — его первое приближение) и теории пластичности. В случае жидкостей и газов, а не жестких тел, необходимо прибегнуть к механике жидкостей и газов, основными участками которой являются гидростатика и гидрогазодинамика. Общей теорией, изучающей движение и равновесие жидкостей, газов и деформированных тел, является механика твердых сред.

Основной математический аппарат классической механики: Дифференциальное и интегральное исчисление, специально разработанное для этой цели Ньютоном и Лейбницом. Современный математический аппарат классической механики включает в себя, главным образом, теорию дифференциальных уравнений, дифференциальную геометрию (симплектическую геометрию, контактную геометрию, тензорный анализ, векторное расслоение, теорию дифференциальных форм), функциональный анализ и теорию операционной алгебры, теорию катастроф и бифуркаций. Другие разделы математики также используются в современной классической механике. В классической формулировке механика основывается на трех ньютоновских законах. Решение многих задач механики упрощается, если уравнение движения позволяет сформулировать законы сохранения (импульс, энергия, импульс и другие динамические переменные).

Различные формулировки механики

Все три ньютоновских закона для широкого спектра механических систем (консервативные системы, лагранжевые системы, гамильтонские системы) связаны с различными принципами вариации. В этой формулировке классическая механика таких систем основана на принципе стационарности действия: системы движутся таким образом, что гарантируется стационарность функции действия. Эта формулировка используется, например, в механике Лагранжа и Гамильтона. Уравнения движения в лагранжевой механике являются уравнениями Эйлера-Лагранжа, а в гамильтонской механике — гамильтонскими уравнениями.

Независимыми переменными, которые описывают состояние системы, являются, в гамильтоновской механике — обобщенные координаты и импульс, а в лагранжевой механике — обобщенные координаты и их временные производные.

Гамильтоновская механика — одна из формулировок классической механики.

Если использовать функциональность действия, определенную на реальной траектории системы, связывающей определенную начальную точку с произвольной конечной точкой, то аналогом уравнений движения являются уравнения Гамильтона-Якоби.

Следует отметить, что все формулировки классической механики, основанные на голотехнических принципах, являются менее общими, чем формулировки, основанные на уравнениях движения. Не все механические системы имеют уравнения движения, представленные уравнением Эйлера-Лагранжа, уравнением Гамильтона или уравнением Гамильтона-Якоби. Однако все формулировки полезны как с практической точки зрения, так и плодотворны с теоретической. Лагранжевая формулировка оказалась особенно полезной в теории поля и релятивистской физике, в то время как уравнения Гамильтона и Гамильтона-Якоби полезны в квантовой механике.

Заключение

Сегодня существует три типа ситуаций, в которых классическая механика больше не отражает реальность.

Свойства микромира невозможно понять в рамках классической механики. Особенно в сочетании с термодинамикой это создает ряд противоречий (см. классическую механику). Адекватным языком для описания свойств атомов и субатомных частиц является квантовая механика. Подчеркивается, что переход от классической к квантовой механике — это не простая замена уравнений движения, а полная реконструкция всего набора понятий (что такое наблюдаемая физическая величина, процесс измерения и т.д.).

На скоростях, близких к скорости света, даже классическая механика перестает функционировать, и необходимо перейти к специальной теории относительности. Этот переход также предполагает полный пересмотр парадигмы, а не простую модификацию уравнений движения. Однако, если пренебречь новым взглядом на реальность, чтобы попытаться вывести уравнение движения на путь F = ma, то мы должны ввести датчик массы, компоненты которого растут со скоростью. Эта конструкция уже давно стала источником многих недоразумений, поэтому ее не рекомендуется использовать.

Классическая механика становится неэффективной, если учитывать системы с очень большим количеством частиц (или большим количеством степеней свободы). В этом случае практический переход на статистическую физику.

Список литературы

Образовательный сайт для студентов и школьников

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

Введение

Исаак Ньютон — великий английский физик, астроном и математик, механик. Высокой похвалы заслуживают работы Ньютона, в которых он заложил основы научного понимания законов Вселенной и заменил фантастические религиозные домыслы.

Исаак Ньютон родился в 1643 году в Вулсторпе, недалеко от Грантема, сына бедной фермерской семьи. Он учился в Кембриджском университете. В 1672 году Исаак Ньютон стал членом, а с 1673 года — постоянным президентом Лондонского королевского общества Английской академии наук. С 1669 по 1701 год Исаак Ньютон был членом Лондонского королевского общества. С 1669 по 1701 год Ньютон был профессором физики и математики в Кембриджском университете.

Физические открытия Ньютона были тесно связаны с решением астрономических проблем. Независимо от Г. Лейбница, Ньютон разработал дифференциальное и интегральное исчисление. Чуть позже он обнаружил рассеяние света, хроматические аберрации; изучил интерференцию и дифракцию, а также кольца, которые позднее были названы его именем. Оптика Ньютона родилась из попытки улучшить линзы для астрономических преломляющих телескопов и освободить их от искажений — аберраций. В 1668 году он разработал конструкцию зеркального телескопа, а в 1672 году был избран членом Лондонского королевского общества. Основываясь на установленном им законе гравитации, Ньютон пришел к выводу, что все планеты и кометы притягиваются Солнцем, а спутники — планетами с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния, и разработал теорию движения небесных тел. Ньютон показал, что из закона всемирного гравитационного потока законы Кеплера, пришли к выводу о неизбежности отклонений от этих законов из-за возмутительного действия на каждой планете или спутнике от других тел Солнечной системы. Теория гравитации позволила ему объяснить многие астрономические явления — особенности движения Луны, прецессию, приливы, сжатие Юпитера, разработать теорию фигуры Земли.

Мнения Ньютона, его способность объяснять и описывать самые разнообразные природные явления, в частности, астрономические, оказали огромное влияние на дальнейшее развитие науки.

Фундаментальные законы ньютоновской механики

Концепция Ньютона стала основой для многих технических достижений в долгосрочной перспективе. На его основе были построены многие методы научных исследований в различных областях науки.

Законы ходатайства Ньютона

Если кинематика изучает движение геометрического тела, не обладающего какими-либо свойствами материального тела, кроме свойства занимать определенное положение в пространстве и изменять это положение во времени, то динамика изучает движение реальных тел под действием действующих на них сил. Три закона механики, установленные Ньютоном, составляют основу динамики и представляют собой фундаментальный раздел классической механики.

Они могут применяться непосредственно в простейшем случае движения, когда движущееся тело рассматривается как материальная точка, а именно, когда размер и форма тела не учитываются и когда движение тела рассматривается как движение точки с грузом. В кипящей воде для описания движения точки может быть выбрана любая система координат, относительно которой определяются количества, характеризующие это движение. Любое тело, которое движется по отношению к другим телам, может рассматриваться как точка отсчета. В динамике мы имеем дело с инерциальными системами координат, которые характеризуются тем, что точка свободного материала движется относительно них с постоянной скоростью.

Первый ньютоновский закон

Закон инерции был впервые установлен Галилеем для случая горизонтального движения: Если тело движется в горизонтальной плоскости, его движение равномерно и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость бесконечно расширялась в пространстве. Ньютон дал более общую формулировку закона инерции как первого закона движения: каждое тело находится в состоянии покоя или в прямом и равномерном движении до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние.

В жизни этот закон описывает случай, когда, перестав тянуть или толкать движущееся тело, оно останавливается и не продолжает двигаться с постоянной скоростью. Автомобиль с выключенным двигателем останавливается. Закон Ньютона требует применения тормозной силы к автомобилю, катящемуся по инерции, которая на практике представляет собой сопротивление и трение автомобильных шин о поверхность автострады. Это то, что они говорят машине разгоняться отрицательно, пока она не остановится.

Второй закон Ньютона — дифференциальный закон движения, описывающий связь между уравнением всех сил, действующих на тело, и ускорением этого тела. Один из трех законов Ньютона.

Второй закон Ньютона гласит, что ускорение, которое испытывает тело, прямо пропорционально всем силам, воздействующим на тело, и обратно пропорционально весу тела.

Этот закон записан в виде формулы: a = F / м, где a — это ускорение тела, F — это сила, прилагаемая к телу, а m — это вес тела.

Или, более известный: F = ма в тех же выражениях.

Если вес тела меняется со временем, то второй закон Ньютона записывается более общим образом: F = dp / dt, где p — импульс (количество движений) тела, t — время, а d/dt — производная времени. Второй закон Ньютона применяется только к скоростям, значительно меньшим, чем скорость света и в инерциальных системах подсчета.

Понятие массы тела было введено на основе экспериментов по измерению ускорений двух взаимодействующих тел: Масса взаимодействующих тел обратно пропорциональна числовым значениям ускорений: m1 / m2 = — a2 / a1 или m1a1 = — m2a2.

В векторной форме это соотношение принимает форму: m1a1 = — m2a2.

Это равенство известно как Третий закон Ньютона. В модуле тела действуют друг на друга с силами, равными по величине и в противоположных направлениях. Силы, возникающие в результате взаимодействия тел, всегда имеют одну и ту же природу. Они применяются к разным телам и поэтому не могут уравновешивать друг друга. Только силы, действующие на тело, могут быть добавлены по правилам векторного сложения. На рис. 1.9.1 показан третий закон Ньютона. Мужчина действует по обвинению с тем же модулем силы, что и обвинение, действующее на человека. Эти силы направлены в противоположных направлениях. Они имеют одинаковую физическую природу — это упругие силы веревки. Ускорения, о которых сообщают оба тела, обратно пропорциональны массам тел.

Силы, действующие между частями одного и того же тела, называются внутренними силами. Когда тело движется в целом, его ускорение определяется только внешней силой. Внутренние силы исключены из второго закона Ньютона, потому что их векторная сумма равна нулю. Рассмотрим в качестве примера рис. 2, на котором изображены два тела с массой m1 и m2, жестко соединенные невесомой неразрывной нитью, которые движутся под действием внешней силы F с тем же ускорением, что и единое целое: F1 = — F2

Движение отдельных тел зависит от сил, действующих между ними. Второй ньютоновский закон, который применяется к каждому телу в отдельности.

Сложите левую и правую части этих уравнений и учтите их.

Внутренние силы были исключены из уравнения движения системы двух связанных тел.

Пространство и время в связи с механическим образом мира

Ключевым понятием механического мировоззрения было движение. Именно законы движения Ньютон считал фундаментальными законами Вселенной. Тело имеет внутреннюю врожденную способность двигаться плавно и линейно, и отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Мерой инерции является масса, еще одно важное понятие в классической механике. Универсальным свойством тел является гравитация.

Для решения проблем взаимодействия тела Ньютон предложил принцип диапазона. Согласно этому принципу, взаимодействие между телами на любом расстоянии происходит немедленно и без материальных посредников.

В механической картине мира все события строго предписывались законами механики. Совпадение было в корне исключено из картины мира. Как говорил о. Лаплас, если бы существовал гигантский дух, способный охватить весь мир (зная координаты всех тел в мире и силы, действующие на них), то он определенно мог бы предсказать будущее этого мира.

Жизнь и дух в механическом образе мира не имели качественных характеристик. Поэтому присутствие человека в мире ничего не изменило. Как только человек исчезает с лица земли, мир продолжает существовать так, как будто ничего не произошло.

На основе механического образа мира в XVIII — начале XIX века была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Стремительное развитие технологий. Это привело к абсолютизации механического мировоззрения, к тому, что оно стало считаться универсальным.

В то же время физика начала собирать эмпирические данные, которые противоречили механическому образу мира. Таким образом, помимо рассмотрения системы материальных точек, которая полностью соответствовала бы корпускулярным представлениям о материи, необходимо было ввести понятие непрерывной среды, которая на самом деле уже не связана с корпускулярной, а с континуумными представлениями о материи. Чтобы объяснить световые явления, было введено понятие эфира — особой тонкой и абсолютно непрерывной световой материи.

В XIX веке методы механики были распространены на область тепловых явлений, электричества и магнетизма. Это, казалось бы, свидетельствует о большом успехе механического понимания мира как общей отправной точки для науки. Но, пытаясь выйти за пределы механики материи, точки должны были вводить все больше и больше новых искусственных и предположений, которые постепенно готовили коллапс механического мировоззрения. Подобно световым явлениям, термины тепло, электричество и магнетизм были введены для объяснения тепла, электрических и магнитных жидкостей как особых видов твердого вещества.

Хотя механический подход к этим явлениям был неприемлем, экспериментальные факты были искусственно адаптированы к механической картине мира. Попытки построить атомистическую модель воздуха продолжались и в XX в. Эти факты, не вписывающиеся в ход механического мировоззрения, показали, что противоречия между устоявшейся системой взглядов и эмпирическими данными несовместимы. Физика нуждалась в существенном изменении представлений о материи, в изменении физического мировоззрения.

Заключение

По словам Эйнштейна, Ньютон — этот гениальный гений — указал на образ мышления, экспериментальные исследования и практические построения, создал гениальные методы и прекрасно ими владел, был чрезвычайно изобретателен в поисках математических и физических доказательств, был реальной судьбой на переломном этапе духовного развития человечества. Современная физика не отвергала ньютоновскую механику, она лишь устанавливала пределы ее применимости.

Список литературы

Иродов И.Е. Основные законы механики М. :Таинство 2002
Карпенков Х.Х. Основные понятия естествознания. МОСКВА: ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ, 1998 ГОД.
Гурская И.П. Элементарная физика. М.: Наука, 1985.
Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала XIX до середины XX М., 1974 г.
Доктор Ахундова. Илларионова С.В. Ньютон и философские проблемы физики XX века. Коллекция авторов под редакцией М.: Наука, 1996.
Дорфман Я.Г. мировая история физики с начала XIX до середины XX века, 1975.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Студенческий билет №1211

Дата выполнения работы: 02 марта 1999 года.

1. Введение.__________________________________________________ 3

2. Механика Ньютона.________________________________________ 5

2.1. Законы движения Ньютона.______________________________________________ 5

2.1.1. Первый закон Ньютона.________________________________________________ 6

2.1.2. Второй закон Ньютона.________________________________________________ 7

2.1.3. Третий закон Ньютона._________________________________________________ 8

2.2. Закон всемирного тяготения.___________________________________________ 11

2.3. Основная задача механики._____________________________________________ 13

2.4. Границы применимости._______________________________________________ 15

3. Заключение.______________________________________________ 18

4. Список литературы.______________________________________ 20

Н ь ю т о н (1643-1727)

Был этот мир глубокой тьмой окутан.

Да будет свет! И вот явился Ньютон.

(Эпиграмма XVIII века.)[1]

Наука тех лет имела натурфилософский характер, т.е. исходила из того, что непосредственно наблюдаемые перемещения небесных светил есть их действительные перемещения. Отсюда был сделан вывод о центральном положении Земли во Вселенной. Эта система верно отражала некоторые особенности Земли как небесного тела: то, что Земля - шар, что все тяготеет к ее центру. Таким образом, это учение было собственно о Земле. На уровне своего времени оно отвечало основным требованиям, которые предъявлялись к научному знанию. Во-первых, оно с единой точки зрения объясняло наблюдаемые перемещения небесных тел и, во-вторых, давало возможность вычислять их будущие положения. В то же время теоретические построения древних греков носили чисто умозрительный характер – они были совершенно оторваны от эксперимента.

Такая система просуществовала вплоть до XVI столетия, до появления учения Коперника, получившее свое дальнейшее обоснование в экспериментальной физике Галилея, завершившееся созданием ньютоновской механики, объединившей едиными законами движения перемещение небесных тел и земных объектов. Оно явилось величайшей революцией в естествознании, положившей начало развитию науки в ее современном понимании.

Галилео Галилей считал, что мир бесконечен, а материя вечна. Во всех процессах ничто не уничтожается и не порождается – происходит лишь изменение взаимного расположения тел или их частей. Материя состоит из абсолютно неделимых атомов, ее движение – единственное, универсальное механическое перемещение. Небесные светила подобны Земле и подчиняются единым законам механики.

Для Ньютона было важно однозначно выяснить с помощью экспериментов и наблюдений свойства изучаемого объекта и строить теорию на основе индукции без использования гипотез. Он исходил из того, что в физике как экспериментальной науке нет места для гипотез. Признавая не безупречность индуктивного метода, он считал его среди прочих наиболее предпочтительным.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

на тему: Основная задача классической механики и границы ее применимости

Классическая механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и внеземных условиях, составляет основу для многих технических достижений в течение длительного времени. На ее фундаменте формировались многие методы научных исследований в различных отраслях естествознания. Во многом она определяла мышление и мировоззрение. Вплоть до начала XX в. в науке господствовало механистическое мировоззрение, физическая сущность которого заключается в том, что все явления природы можно объяснить движениями частиц и тел. Примером большого успеха механистического представления физических процессов можно считать разработку молекулярно-кинетической теории вещества, позволившей понять тепловые процессы.

В основе классической механики лежит концепция Ньютона, определившая лицо естествознания вплоть до XX в. Сущность концепции Ньютона наиболее кратко и отчетливо выразил Эйнштейн: "Согласно ньютоновской системе, физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимодействия материальных точек). В ньютоновской концепции под физическими событиями следует понимать движение материальных точек в пространстве, управляемое неизменными законами".

Согласно современным представлениям, классическая механика имеет свою область применения: ее законы выполняются для относительно медленных движений тел, скорость которых много меньше скорости света. В то же время практика показывает: классическая механика — безусловно истинная теория и таковой останется, пока будет существовать наука. Вместе с ней останутся и те общие и абстрактные "классические" образы природы — пространство, время, масса, сила и т.д., которые лежат в ее основе. По крайней мере, эти образы сохраняются в современной физике и во всем естествознании, только они стали четче и объемнее.

Принцип причинности и лапласовский детерминизм.

Возникло философское учение — механистический детерминизм, классическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749—1827), французский математик, физик и философ. Лапласовский детерминизм выражает идею абсолютного детерминизма — уверенность в том, что все происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть непознанная разумом необходимость. Суть его можно понять из высказывания Лапласа:

"Современные события имеют с событиями предшествующими связь, основанную на очевидном принципе, что никакой предмет не может начать быть без причины, которая его произвела. Воля, сколь угодно свободная, не может без определенного мотива породить действия, даже такие, которые считаются нейтральными. Мы должны рассматривать современное состояние Вселенной как результат ее предшествующего состояния и причину последующего".

Дальнейшее развитие физики показало, что в природе могут происходить процессы, причину которых трудно определить. Например, процесс радиоактивного распада происходит случайно. Подобные процессы происходят объективно случайно, а не потому, что мы не можем указать их причину из-за недостатка наших знаний. И наука при этом не перестала развиваться, а обогатилась новыми законами, принципами и концепциями, которые показывают ограниченность классического принципа лапласовского детерминизма.

Становление специальной теории относительности

К концу XIX столетия в науке преобладала теория абсолютно неподвижного в мировом пространстве эфира. Эта теория в дальнейшем была развита нидерландским физиком X. Лоренцем и с тех пор носит его имя, хотя на самом деле она возникла значительно раньше. Однако до этого, в 1851 г. французским физиком Физо был проведен эксперимент, показавший, что свет частично захватывается движущейся средой.

Позже, в 1877 г. в 8 томе Британской энциклопедии появилась статья Максвелла, в которой обращалось внимание на возможность обнаружения эфирного ветра (ether drifto) на поверхности Земли, движущейся по орбите вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с.

А. Майкельсона построил в 1880 г. лабораторный крестообразный интерферометр с длиной оптического пути в 1,2 м и, к его удивлению, не получил ожидаемого смещения. Смещение было хаотическим и весьма малым. Прибор обнаружил высокую чувствительность ко всякого рода вибрациям. Поэтому Майкель-сон с помощью профессора Морли в 1886 г. построил второй интерферометр с длиной оптического пути в 11 метров и в нем были приняты меры против чувствительности к вибрациям: прибор был помещен на поплавок, плававший на ртути.

Однако и на этот раз смещение интерференционных полос было в сто раз меньше ожидавшегося, что соответствовало относительной скорости эфирного ветра на поверхности Земли не в 30 км/с, а всего лишь в 3 км/с, что никак не было объяснено.

Основные положения СТО

Третьим постулатом является так называемый принцип относительности, гласящий, что все процессы в системе, находящейся в равномерном и прямолинейном движении, происходят по тем же законам, что и в покоящейся системе. Этот принцип относительно механических систем был выдвинут еще Галилеем, но Эйнштейн его распространил вообще на любые физические явления, в том числе и на электромагнитные. Этот постулат был бы невозможен, если бы эфир существовал: пришлось бы рассматривать процессы, связанные с движением тел относительно эфира. А раз эфира нет, то и рассматривать нечего.

Четвертым постулатом является принцип постоянства скорости света и независимости скорости света от скорости движения источника. Этот постулат можно было бы использовать, если бы было твердо установлено, что свет является волновым движением, поскольку всякая волна имеет постоянную скорость относительно среды, а не относительно источника ее создавшего. Но структура фотона не была установлена, и поэтому такое предположение является некоторой натяжкой.

И, наконец, пятым постулатом является инвариантность интервала, состоящего из четырех составляющих — трех пространственных координат и времени, умноженного на все ту же скорость света:

ds2=d х 2 + dy2 + dz2 – c2dt2 = const.

Максимальная скорость передачи взаимодействий.

До начала XX века никто не сомневался, что время абсолютно. Два события, одновременные для жителей Земли, одновременны для жителей любой космической цивилизации. Создание теории относительности показало, что это не так.

Причиной несостоятельности классических представлений о пространстве и времени является неправильное предположение о возможности мгновенной передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую. Существование предельной конечной скорости передачи взаимодействий выбывает необходимость глубокого измерения обычных представлений о пространстве и времени, основаниях на повседневном опыте. Представление об абсолютном времени, которое течет раз и навсегда заданным темпом, совершенно независимо от материи и ее движения, оказывается неправильным.

Если допустить мгновенное распространение сигналов, то утверждение, что события в двух пространственно разделенных точках произошли одновременно, будет иметь абсолютный смысл. Можно поместить в точки А и В часы и синхронизировать их с помощью мгновенных сигналов. Если такой сигнал отправлен из А, например, в О ч 45 мин и он в этот же момент времени по часам В пришел в точку В, то, значит, часы показывают одинаковое время, т. е. идут синхронно. Если же такого совпадения нет, то часы можно синхронизировать, подведя вперед те часы, которые показывают меньшее время в момент отправления сигнала.

Любые события, например два удара молнии, одновременны, если они происходят при одинаковых показаниях синхронизированных часов.

Для синхронизации часов естественно прибегнуть к световым или вообще электромагнитным сигналам, так как скорость электромагнитных волн в вакууме является строго определенной, постоянной величиной.

Именно этот способ используют для проверки часов по радио. Сигналы времени позволяют синхронизировать ваши часы с точными эталонными часами. Зная расстояние от радиостанции до дома, можно вычислить поправку на запаздывание сигнала. Эта поправка, конечно, очень невелика. В повседневной жизни она не играет сколько-нибудь заметной роли. Но при огромных космических расстояниях она может оказаться весьма существенной.

Два любых события в точках А и В, одновременные в системе Ki, неодновременны в системе К, но в силу принципа относительности системы Ki и К совершенно равноправны. Ни одной из этих систем нельзя отдать предпочтение. Поэтому мы вынуждены прийти к заключению, что одновременность пространственно разделенных событий относительна. Причиной относительности одновременности является, как мы видим, конечность скорости распространения сигналов.

Из принципа относительности одновременности вытекает принцип конечности передачи взаимодействий – максимальной скорости, которую можно придать телу, равной скорости света в вакууме.

Единое пространство-время.

Для количественного описания движения сформировались представления о пространстве и времени, которые за длительный период развития естествознания претерпели существенные изменения.

В физике движение рассматривается в самом общем виде как изменение состояния или другой физической системы, и для описания состояния вводится набор измеряемых параметров, к которым со времен Декарта относятся пространственно-временные координаты, или точки пространственно-временного континуума, означающего непрерывное множество. В физике используются и другие параметры состояния систем: импульс, энергия, температура, спин и т. п.

В строгом определении время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления; оно универсально. Говорить о времени безотносительно к изменениям в каких-либо реальных телах или системах — с физической точки зрения бессмысленно.

В процессе развития физики с появлением специальной теории относительности возникло утверждение: абсолютное время не имеет физического смысла, оно — лишь идеальное математическое представление, ибо в природе нет такого реального физического процесса, пригодного для измерения абсолютного времени.

Во-первых, течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, т. е. возникает релятивистское замедление времени. Во-вторых, поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. Можно говорить только о локальном времени в некоторой системе отсчета. В этой связи время не есть сущность, не зависящая от материи. Течет оно с различной скоростью в различных физических условиях. Время всегда относительно.

Важная особенность времени выражена в постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Хотя этот постулат кажется естественным и очевидным, его истинность относительна, так как его нельзя проверить на опыте даже с помощью самых совершенных, но реальных часов, поскольку: 1) они все же не идеальны и характеризуются своей мерой точности; 2) нет абсолютной уверенности в возможности создания совершенно одинаковых условий в природе в разное время. Вместе с тем длительная практика естественнонаучных исследований позволяет нам не сомневаться в справедливости данного постулата в пределах определенной точности, которая может быть сколь угодно высокой.

Концепция пространства, как и концепция времени, прошла длительный путь становления и развития. Первое представление о пространстве возникло из очевидного существования в природе и в первую очередь в микромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Из такого представления вытекало определение: пространство выражает порядок сосуществования физических тел. Первая законченная теория пространства — геометрия Евклида. Она была создана примерно 2000 лет назад и до сих пор считается образцом научной теории. Геометрия Евклида оперирует идеальными математическими объектами, которые существуют как бы вне времени, и в этом смысле пространство в этой геометрии — идеальное математическое пространство. Вплоть до середины XIX в., когда были созданы неевклидовы геометрии, никто из естествоиспытателей не сомневался в тождественности реального физического и Евклидова пространств.

По аналогии с абсолютным временем Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым и существует независимо от наличия в нем физических тел, являясь как бы мировой сферой, где разыгрываются физические процессы. Свойства такого пространства определяются Евклидовой геометрией. Такое представление о пространстве и до сих пор лежит в основе многих экспериментов, позволивших сделать крупные открытия.

Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум пространство—время. Основанием для такого объединения послужил и постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных тел — скорости света, равной в вакууме примерно 300 000 км/с, и принцип относительности. Из данной теории следует относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга. Все это означает, что для реального мира пространство и время имеет не абсолютный, а относительный характер.

Читайте также: