Становление классической механики

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Становление классической механики»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:Галиева А.Х

353 гр.

 

 

 

 

Санкт-Петербург 

2012г. 
СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Введение
2. Основные этапы становления классической механики
3. Ключевые фигуры в развитии классической механики

1. Аристотель и Архимед

2. Леонардо Да Винчи
3. Галилео Галилей
4. Исаак Ньютон
5. Леонард Эйлер
6. Жозеф Луи Лагранж

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Если перелистать страницы истории развития науки, то найдется много имен, которые нельзя не упомянуть  даже при самом сжатом изложении  этой истории. Роль этих людей в истории  науки различна, их трудно выстроить  в некий иерархический ряд  по величине заслуг. Поэтому помнить свою историю – это признак культуры. Наравне с такими громкими именами как Галилей, Ньютон, Эйлер не стоит забывать и об их предшественниках и последователях, которые принесли не мало важного в развитие Механики как науки.

2. Основные этапы становления классической механики

Физика, как наука зародилась в Древней Греции, название науки  происходит от названия книги Аристотеля (384 – 322 гг. до н. э.) «Физика».

В книге Аристотеля нет  ни формул, ни описания опытов, но содержалось  немало ошибочных положений, которые  были основаны на общепринятых утверждениях (чем тяжелее тело, тем быстрее  оно падает; природа не терпит пустоты). Благодаря авторитету Аристотеля, эти  заблуждения сохранялись на протяжении нескольких веков. В III веке до нашей  эры, Евклид, описывает метрические  свойства пространства. В греческом  языке, слово (механе означает орудие, приспособление, осадная машина, уловка, ухищрение). Одним из основателей  механики, является Архимед (287-212 гг. до н.э.). Механика в те времена изучала  различные механизмы. В книге  Архимеда о равновесии плоских фигур, разработана теория рычага. А в  книге о плавающих телах, сформулирован  закон Архимеда и заложены основы гидростатики.

Герон ( II век н.э.) и Папп ( III в н.э.) обобщили механику, как  науку о простых машинах. Из которых  они выделяли 5 основных (ворот, рычаг, блок, клин, винт).Герон изобрел эолипил  и сифон. Герон не понимал принципа действия своих устройств, т.к. не знал атмосферного давления.

В средние века центр развития науки переместился на арабский восток. Арабы начали культивировать науку  как экспериментальную. Бируни производил точные измерения плотности металла и других веществ с помощью разработанного им «конического прибора»,  представляющего собой сосуд с отверстием, из которого вытекала вода.

В эпоху Возрождения началось развитие науки в Европе. Великий  этап эпохи. Леонардо да Винчи задолго  до Галилея сформулировал закон  инерции (всякое движение, будет продолжать путь своего бега по прямой линии, пока в нем будет сохраняться природа  насилия, произведенного его двигателем). Подобные мысли содержатся в трудах других мыслителей, однако, первым, нового времени, заложившим основы физики как  науки, был Галилео Галилей. Сформулировал  закон инерции, сформулировал принцип  относительности. Он показал, что для  получения научных выводов, надо устранить из опытов все побочные обстоятельства. Так, в отличие от Леонардо да Винчи, который тоже бросал шары с башни, Галилей брал шары одинаковой формы и размеров, чтобы сосредоточить  внимание на главном, на зависимости  скорости падения от силы тяжести.

В 17 веке жили многие выдающиеся ученые, которые внесли свой вклад  в развитие науки и механики в  частности. Френсис Бекон, указал на опыт, как на основу каждой науки. Он подчеркивал, ведущую роль опыта. Р.Декарт, считал, что главными были логический анализ и правильные умозаключения. В 17 веке был совершен ряд выдающихся открытий: Кеплер – законы движения планет; Гюйгенс – разработал теорию колебаний маятника, ввел понятие  центростремительного ускорения; Р.Гук  – открыл закон всемирного тяготения. Ньютон тщательно проверял свои открытия, его девиз гласил: гипотез не измышляю. И в результате Гук опубликовал  раньше его закон всемирного тяготения.

В 1687г вышла книга Ньютона  «Математические начала натуральной  философии», в которой были сформулированы основные законы механики и закон  всемирного тяготения. Книга Ньютона  написана геометрическим языком, и  суть теории Ньютона из нее понять сложно. В 1736г вышла книга Эйлера «Механика», в которой законы Ньютона и его теория изложена четким языком и с применением дифференциального исчисления. Эйлер ввел термины механика, динамика, статика. Разработал теорию твердого тела.

Во второй половине 18 века была разработана аналитическая  механика. 1788г – аналитическая  механика Лагранжа. В основу механики Лагранжа был положен принцип  наименьшего действия, принцип Даламбера. Аналитическая механика представляет собой классическую механику, изложенную другим языком. Аналитическая механика широко используется для описания несвободных  механических систем, систем на которые  наложены некоторые ограничения.

Ирландский ученый Гамильтон  в 1835г предложил вариант аналитической  механики, которую называют механика Гамильтона. В основе механики Гамильтона лежат канонические уравнения и  принцип наименьшего действия.

В 19 веке, развитие механики продолжалось, однако все сводилось  к установлению определенных частных  законов. Можно отметить Понселе, который  в 1829 г ввел понятие «работа»; 1835 — Кориолис ввел понятие силы Кориолиса

3. Ключевые фигуры в развитии классической механики
1. Аристотель и Архимед

 

По мере накопления знаний о мире задача их систематизации становилась  всё более насущной. Эта задача была выполнена одним из величайших мыслителей древности- Аристотелем (384-322гг. до н. э.) "Аристотель- "самая универсальная голова" среди древнегреческих философов",  
сказал Ф. Энгельс про этого великого учёного Древней Греции. 
Аристотель родился в Греции , в г. Стагире, расположенном рядом с Македонией.  
В 366 г. до н. э. он приехал в Афины в академию Платона и пробыл там вместе с Платоном около 20-ти лет. В 339 г. до н. э. Аристотель организовал в Афинах свой Лицей и успешно руководил им 13 лет.Умер Аристотель в 322 году до н. э. на острове Эвбея.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. Для того чтобы лучше разобраться в сути дела введём некоторые современные термины и обозначения: f- сила, действующая на тело, р-вес тела. Рассуждения Аристотеля сводятся к следующему: сила пропорциональна произведению скорости тела, к которому она приложена, на его вес, т.е. f= pv = ps/t ,где s- пройденный путь, t- соответствующее время, а v - скорость.

Но вместе с тем Аристотель верил в бога, противопоставлял земное и небесное, в центре ограниченной Вселенной он поместил неподвижную  Землю, как тело, обладающее наибольшей тяжестью. За эти и подобные им моменты  в учении Аристотеля ухватилась церковь, превратив их в догмы. 
Аристотеля называют крёстным отцом физики: ведь название его книги "Физика" стало названием всей физической науки.

Величайший ученый древности Архимед  родился в 287 г. до н. э. в городе Сиракузы, на острове Сицилия. В противостоянии римлян и греков Сицилия занимала сторону последних. В 270 г. до н. э. правителем Сиракуз стал полководец Гиерон. В числе его приближенных был и отец Архимеда, астроном Фидий. По некоторым сведениям, он даже состоял с Гиероном в родстве. Это открыло ему возможность дать сыну хорошее образование. Вопреки традиции, Архимед не поехал учиться в Афины, а отправился в Египет, в Александрию, где посвятил себя изучению математики. Вернувшись в Сиракузы, Архимед прожил там всю свою жизнь и погиб при захвате Сиракуз римлянами в 212 до н.э. О жизни и смерти Архимеда известно из сочинений античных философов и историков: Полибия, Тита Ливия, Цицерона, Плутарха и других. Никто из них не был современником Архимеда, поэтому достоверность сведений, изложенных в их трудах, оценить сложно. Многие эпизоды рассказываются по-разному, и отделить правду от вымысла очень трудно.

Так, например, рассказ о гибели Архимеда во время взятия Сиракуз  войсками римского полководца Марцелла передается в разных источниках по-разному. Но практически все версии сообщают о том, что ученого, задумавшегося над решением трудной задачи, зарубил мечом римский солдат.

Важнейшим достижением Архимеда являются теоретические изыскания и практические работы в области механики. Фактически Архимед является создателем механики как науки, изучающей законы движения, покоя и равновесия тел.

В течение многих веков фундаментом  механики была теория рычага, изложенная Архимедом в сочинении “О равновесии плоских фигур”. В основе этой теории лежат следующие постулаты.

«1. Равные тяжести на равных длинах уравновешиваются, на неравных же длинах не уравновешиваются, но перевешивают тяжести на большей длине.

2. Если при равновесии тяжестей  на каких-нибудь длинах к одной  из тяжестей будет что-нибудь  прибавлено, то они не будут  уравновешиваться, но перевесит  та тяжесть, к которой было  прибавлено.

3. Точно так же, если от одной из тяжестей будет отнято что-нибудь, то они не будут уравновешиваться, но перевесит та тяжесть, от которой не было отнято.»

Даже по формулировкам видно, что  эти положения были проверены  экспериментально, а не придуманы  “за письменным столом”. Основываясь  на них, Архимед доказывает следующее  утверждения: “Соизмеримые величины уравновешиваются на длинах, которые будут обратно  пропорциональны тяжестям”. И далее: “Если величины будут несоизмеримы, то они точно так же уравновесятся  на длинах, которые обратно пропорциональны  этим величинам”. В этих предложениях содержится первая точная формулировка закона рычага. Кроме закона рычага, в книге “О равновесии плоских  фигур” содержатся примеры установления центров тяжести треугольника, параллелограмма, трапеции и других фигур. Само же определение  центра тяжести, данное Архимедом гласит: “Центром тяжести каждого тела является некоторая расположенная внутри его точка — такая, что, если за нее мысленно подвесить тело, то оно остается в покое и сохраняет первоначальное положение”.

Наряду с фундаментальной наукой Архимед много времени уделял практике и был одним из крупнейших инженеров своего времени, конструктором  машин и механических аппаратов. Так, он изобрел такие оригинальные устройства, как машину для поливки  полей (“улитку”) и водоподъемный  винт.

Архимед создал и проверил теорию пяти простых механизмов: рычага, клина, блока, бесконечного винта и ворота. Эти механизмы широко применялись  еще в древние времена, но и  сегодня именно их сочетание служит основой самых сложных современных  устройств.

Особенно успешно Архимед разрабатывал конструкции военных машин. И  это понятно. Могущественные Рим  и Карфаген прилагали немало усилий, чтобы склонить на свою сторону Сиракузы. Гиерон и его преемники стремились всячески сохранить независимость  и готовились к грядущей схватке  с римлянами. В оборонительных планах Сиракуз военная техника занимала видное место. Под руководством Архимеда жители Сиракуз построили множество  устройств различного назначения. Это  были и мощные метательные машины, и подъемные механизмы для  опрокидывания атакующих судов, похожие на современные краны. Железными  крюками захватывали вражеские  суда, приподнимали их кверху, а затем  бросали вниз, так что корабли  переворачивались и тонули.

В основе всех этих изобретений лежал  рычаг, который позволял поднимать  большие тяжести, преодолевать значительные сопротивления, затрачивая относительно небольшие усилия. Использование  понятия “центр тяжести” при поиске равновесных состояний в конструкции  значительно повышало их прочность  и надежность. Законы механики, выведенные на основе математических выкладок и  подтвержденные экспериментально, помогали Архимеду эффективно решать сложные практические задачи. Существует, например, легенда, что построенный Гиероном в подарок египетскому царю Птолемею роскошный корабль “Сиракузы” никак не удавалось спустить на воду. Архимед соорудил систему блоков – полиспаст, с помощью которой он смог проделать эту работу.