Закони механіки Ньютона • Джеймс трефами, енциклопедія "Двісті законів світобудови"

Закони механіки Ньютона

Закони Ньютона – в залежності від того, під яким кутом на них подивитися, – являють собою або кінець початку, або початок кінця класичної механіки. У будь-якому випадку це поворотний момент в історії фізичної науки – блискуча компіляція всіх накопичених до того історичного моменту знань про рух фізичних тіл в рамках фізичної теорії, яку тепер прийнято називати класичної механікою. Можна сказати, що з законів руху Ньютона пішов відлік історії сучасної фізики і взагалі природних наук.

Однак Ісаак Ньютон взяв названі в його честь закони не з повітря. Вони, фактично, стали кульмінацією тривалого історичного процесу формулювання принципів класичної механіки. Мислителі і математики – згадаємо лише Галілея (см. Рівняння рівноприскореного руху) – століттями намагалися вивести формули для опису законів руху матеріальних тіл – і постійно спотикалися об те, що особисто я сам для себе називаю непроговорена умовностями, а саме – обидві основоположні ідеї про те, на яких засадах грунтується матеріальний світ, які настільки стійко увійшли в свідомість людей, що здаються незаперечними.Наприклад, древнім філософам навіть в голову не приходило, що небесні тіла можуть рухатися по орбітах, що відрізняється від кругових; в кращому випадку виникала ідея, що планети і зірки обертаються навколо Землі по концентричних (тобто вкладеним один в одного) сферичним орбітах. Чому? Та тому, що ще з часів античних мислителів Стародавньої Греції нікому не приходило в голову, що планети можуть відхилятися від досконалості, втіленням якої і є сувора геометрична окружність. Потрібно було володіти генієм Йоганна Кеплера, щоб чесно поглянути на цю проблему під іншим кутом, проаналізувати дані реальних спостережень і вивести з них, що в дійсності планети обертаються навколо Сонця по еліптичних траєкторіях (см. Закони Кеплера).

Перший закон Ньютона

З огляду на такий серйозний, історично сформований провал, перший закон Ньютона сформульований беззастережно революційним чином. Він стверджує, що якщо будь-яку матеріальну частку або тіло просто не чіпати, воно буде продовжувати прямолінійно рухатися з постійною швидкістю само по собі. Якщо тіло рівномірно рухалося по прямій,воно так і буде рухатися по прямій з постійною швидкістю. Якщо тіло покоїлося, воно так і буде спочивати, поки до нього не докладуть зовнішніх сил. Щоб просто зрушити фізичне тіло з місця, до нього потрібно обов'язково докласти сторонню силу. Візьмемо літак: він нізащо не зрушить з місця, поки не будуть запущені двигуни. Здавалося б, спостереження самоочевидне, однак, варто нам відволіктися від прямолінійного руху, як воно перестає здаватися таким. При інерційному русі тіла по замкнутій циклічної траєкторії його аналіз з позиції першого закону Ньютона тільки і дозволяє точно визначити його характеристики.

Уявіть собі щось типу легкоатлетичного молота – ядро ​​на кінці струни, розкручується вами навколо вашої голови. Ядро в цьому випадку рухається не по прямій, а по колу – значить, згідно з першим законом Ньютона, його щось утримує; це «щось» – і є доцентрова сила, яку ви докладаєте до ядра, розкручуючи його. Реально ви і самі можете її відчути – рукоять легкоатлетичного молота відчутно тисне вам на долоні. Якщо ж ви розтиснете руку і випустіть молот, він – за відсутності зовнішніх сил – негайно відправиться в шлях по прямій.Точніше буде сказати, що так молот поведе себе в ідеальних умовах (наприклад, у відкритому космосі), оскільки під впливом сили гравітаційного тяжіння Землі він буде летіти строго по прямій лише в той момент, коли ви його відпустили, а в подальшому траєкторія польоту буде все більше відхилятися в напрямку земної поверхні. Якщо ж ви спробуєте дійсно випустити молот, з'ясується, що відпущений з кругової орбіти молот відправиться в шлях строго по прямій, яка є дотичною (перпендикулярної до радіусу кола, по якій його розкручували) з лінійною швидкістю, яка дорівнює швидкості його звернення по «орбіті».

Тепер замінимо ядро ​​легкоатлетичного молота планетою, молотобійця – Сонцем, а струну – силою гравітаційного тяжіння: ось вам і ньютоновская модель Сонячної системи.

Такий аналіз того, що відбувається при зверненні одного тіла навколо іншого по круговій орбіті на перший погляд здається чимось само собою зрозумілим, але не варто забувати, що він увібрав в себе цілий ряд умовиводів кращих представників наукової думки попереднього покоління (досить згадати Галілео Галілея).Проблема тут в тому, що при русі по стаціонарної круговій орбіті небесне (і будь-яка інша) тіло виглядає вельми безтурботно і представляється перебувають в стані стійкого динамічного і кінематичного рівноваги. Однак, якщо розібратися, зберігається тільки модуль (Абсолютна величина) лінійної швидкості такого тіла, в той час як її напрямок постійно змінюється під впливом сили гравітаційного тяжіння. Це і означає, що небесне тіло рухається равноускоренно. До речі, сам Ньютон називав прискорення «зміною руху».

Перший закон Ньютона грає і ще одну важливу роль з точки зору нашого естествоіспитательскій ставлення до природи матеріального світу. Він підказує нам, що будь-яка зміна в характері руху тіла свідчить про присутність зовнішніх сил, що впливають на нього. Умовно кажучи, якщо ми спостерігаємо, як залізні ошурки, наприклад, підстрибують і налипають на магніт, або, дістаючи з сушарки пральної машини білизну, з'ясовуємо, що речі злиплися і присохли одна до іншої, ми можемо відчувати себе спокійно і впевнено: ці ефекти стали наслідком дії природних сил (в наведених прикладах це сили магнітного і електростатичного тяжіння відповідно).

Другий закон Ньютона

Якщо перший закон Ньютона допомагає нам визначити, чи знаходиться тіло під впливом зовнішніх сил, то другий закон описує, що відбувається з фізичним тілом під їх впливом. Чим більша сума прикладених до тіла зовнішніх сил, говорить цей закон, тим більше прискорення набуває тіло. Це раз. Одночасно, чим масивніше тіло, до якого прикладена рівна сума зовнішніх сил, тим менше прискорення воно набуває. Це два. Інтуїтивно ці два факти представляються самоочевидними, а в математичному вигляді вони записуються так:

F = ma

де F – сила, m – маса, а – прискорення. Це, напевно, найкорисніше і саме широко використовується в прикладних цілях з усіх фізичних рівнянь. Досить знати величину і напрямок усіх сил, що діють в механічній системі, і масу матеріальних тіл, з яких вона складається, і можна з вичерпною точністю розрахувати її поведінку в часі.

Саме другий закон Ньютона надає всій класичній механіці її особливу красу – починає здаватися, ніби весь фізичний світ влаштований, як найточніше хронометр, і ніщо в ньому не вислизне від погляду допитливого спостерігача.Назвіть мені просторові координати і швидкості всіх матеріальних точок у Всесвіті, немов говорить нам Ньютон, вкажіть мені напрямок і інтенсивність всіх діючих в ній сил, і я передбачу вам будь-який її майбутній стан. І такий погляд на природу речей у Всесвіті існував аж до появи квантової механіки.

Третій закон Ньютона

За цей закон, швидше за все, Ньютон і здобув собі шану і повагу з боку не тільки натуралістів, а й вчених-гуманітаріїв і просто широких мас. Його люблять цитувати (у справі і без діла), проводячи найширші паралелі з тим, що ми змушені спостерігати в нашому повсякденному житті, і притягують мало не за вуха для обґрунтування найбільш суперечливих положень в ході дискусій з будь-яких питань, починаючи з міжособистісних і закінчуючи міжнародними відносинами і глобальної політикою. Ньютон, однак, вкладав у свій названий згодом третім закон абсолютно конкретний фізичний зміст і навряд чи замишляв його в іншій якості, ніж як точне засіб опису природи силових взаємодій. Закон цей говорить, що якщо тіло А впливає з якоюсь силою на тіло В, то тіло В також впливає на тіло А з рівною за величиною і протилежною за направленням силою.Іншими словами, стоячи на підлозі, ви впливаєте на підлогу з силою, пропорційною масі вашого тіла. Згідно з третім законом Ньютона підлогу в цей же час впливає на вас з абсолютно такий же за величиною силою, але спрямованої не вниз, а строго вгору. Цей закон експериментально перевірити неважко: ви постійно відчуваєте, як земля тисне на ваші підошви.

Тут важливо розуміти і пам'ятати, що мова у Ньютона йде про двох силах абсолютно різної природи, причому кожна сила впливає на «свій» об'єкт. Коли яблуко падає з дерева, це Земля впливає на яблуко силою свого гравітаційного тяжіння (внаслідок чого яблуко рівноприскореному спрямовується до поверхні Землі), але при цьому і яблуко притягує до себе Землю з рівною силою. А то, що нам здається, що це саме яблуко падає на Землю, а не навпаки, це вже наслідок другого закону Ньютона. Маса яблука в порівнянні з масою Землі низька до непорівнянності, тому саме його прискорення помітно для очей спостерігача. Маса ж Землі, в порівнянні з масою яблука, величезна, тому її прискорення практично непомітно. (В разі падіння яблука центр Землі зміщується вгору на відстань менше радіуса атомного ядра.)

За сукупністю ж три закони Ньютона дали фізикам інструменти, необхідні для початку комплексного спостереження всіх явищ, що відбуваються в нашому Всесвіті. І, незважаючи на всі колосальні зрушення в науці, що відбулися з часів Ньютона, щоб спроектувати новий автомобіль або відправити космічний корабель на Юпітер, ви скористаєтеся все тими ж трьома законами Ньютона.

Див. також:
1609, 1619
закони Кеплера
1659
Відцентрова сила
1668
Закон збереження лінійного імпульсу
1736
Закон збереження моменту імпульсу
1738
рівняння Бернуллі
1835
ефект Коріоліса
1851
Гранична швидкість падіння
1891
принцип еквівалентності
1923
принцип відповідності
Ісаак Ньютон
Isaac Newton, 1642-1727

Англієць, якого багато хто вважає взагалі найбільшим вченим всіх часів і народів. Народився в сім'ї дрібнопомісних дворян в околицях м Вулсторп (графство Лінкольншир, Англія). Батька в живих не застав (той помер за три місяці до народження сина). Вступивши в повторний шлюб, мати залишила дворічного Ісаака на піклування його бабусі. Своєрідне ексцентричну поведінку вже дорослої вченого багато дослідників його біографії як раз і приписують тому факту, що до дев'ятирічного віку, коли настала смерть його вітчима, хлопчик був повністю позбавлений батьківського піклування.

Якийсь час юний Ісаак вивчав премудрості сільського господарства в ремісничому училищі. Як це часто трапляється з великими згодом людьми, про його дивацтва в ту ранню пору його життя до сих пір ходить маса легенд. Так, зокрема, розповідають, ніби одного разу його відправили на випас вартувати худобу, який благополучно розбрівся в невідомому напрямку, поки хлопчик сидів під деревом і захоплено читав зацікавила його книгу. Так це чи не так, але тягу підлітка до знань незабаром помітили – і відправили назад в гімназію м Грантом, після закінчення якої юнак успішно поступив в Трініті-коледж Кембриджського університету.

Ньютон швидко опанував навчальною програмою і перейшов до вивчення праць провідних вчених того часу, зокрема послідовників французького філософа Рене Декарта (René Descartes, 1596-1650), який дотримувався механістичних поглядів на Всесвіт. Навесні 1665 року його отримав вчений ступінь бакалавра – а далі трапилися найнеймовірніші події в історії науки. У тому ж самому році в Англії вибухнула остання епідемія бубонної чуми, все частіше лунав дзвін похоронних дзвонів, і Кембріджський університет був закритий.Ньютон майже на два роки повернувся в Вулсторп, встигнувши захопити з собою лише кілька книг і свій незвичайний інтелект на додачу.

Коли через два роки Кембриджський університет знову відкрився, Ньютон вже (1) розробив диференціальне числення – окремий розділ математики, (2) виклав основи сучасної теорії кольору, (3) вивів закон всесвітнього тяжіння і (4) вирішив кілька математичних задач, які до нього ніхто вирішити не зміг. Як говорив сам Ньютон, «В ​​ті дні я був у розквіті своїх винахідницьких сил, і Математика і Філософія з тих пір мене вже ні разу не захоплювали так сильно, як тоді». (Я часто запитую своїх студентів, розповідаючи їм в черговий раз про досягнення Ньютона: «А що ви встигли зробити за літні канікули? »)

Незабаром після повернення в Кембридж Ньютон був обраний до вченої ради Трініті-коледжу, його статуя досі прикрашає університетську церкву. Він прочитав курс лекцій з теорії кольору, в яких показував, що колірні відмінності пояснюються основними характеристиками світлової хвилі (або, як тепер кажуть, довжини хвилі) і що світло має корпускулярну природу. Він також сконструював дзеркальний телескоп, і цей винахід привернуло до нього увагу Королівського товариства.Багаторічні дослідження світла і квітів були опубліковані в 1704 році в його фундаментальній праці «Оптика» (Optics).

Відстоювання Ньютоном «неправильної» теорії світла (в той час панували хвильові уявлення) призвело до конфлікту з Робертом Гуком (см. Закон Гука), главою Королівського товариства. У відповідь Ньютон висловив гіпотезу, що поєднала корпускулярні і хвильові уявлення про світло. Гук звинуватив Ньютона у плагіаті і виступив з домаганнями на пріоритет в цьому відкритті. Конфлікт тривав до самої смерті Гука в 1702 році і справив на Ньютона таке гнітюче враження, що він на шість відмовився від участі в інтелектуальному житті. Втім, деякі психологи того часу пояснюють це нервовим розладом, що загострився після смерті його матері.

В 1679 Ньютон повернувся до роботи і здобув собі славу, досліджуючи траєкторії руху планет і їх супутників. В результаті цих досліджень, також супроводжувалися суперечками з Гуком про пріоритет, були сформульовані закон всесвітнього тяжіння і закони механіки Ньютона, як ми тепер їх називаємо. Свої дослідження Ньютон узагальнив у книзі «Математичні початки натуральної філософії» (Philosophiae naturalis principia mathematica), Представленої Королівському товариству в 1686 році і опублікованій роком пізніше. Ця робота, що поклала початок тодішньої наукової революції, принесла Ньютону всесвітнє визнання.

Його релігійні погляди, його тверда прихильність протестантизму також залучали до Ньютону увагу широких кіл англійської інтелектуальної еліти, і особливо філософа Джона Локка (John Locke, 1632-1704). Проводячи все більше часу в Лондоні, Ньютон втягнувся в політичне життя столиці і в 1696 році був призначений наглядачем Монетного двору. Хоча ця посада традиційно вважалася синекурою, Ньютон підійшов до своєї роботи з усією серйозністю, розглядаючи перекарбовування англійської монети як дієву міру боротьби з фальшивомонетниками. Якраз в цей час Ньютон був залучений в черговий суперечка про пріоритет, на цей раз з Готфрідом Лейбніцем (Gottfreid Leibniz, 1646-1716), з приводу відкриття диференціального обчислення. В кінці життя Ньютон випустив нові видання своїх основних праць, а також працював на посаді президента Королівського товариства, займаючи при цьому довічну посаду директора Монетного двору.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: