Механіка

Механіка. Загальні відомості

Основи сучасної фізики загалом і механіки зокрема, заклав видатний італійський вчений Галілео Галілей (1564-1642). Галілео зробив багато визначних відкриттів: сформулював закон інерції  і закон вільного падіння тіл, закон руху тіла по похилій площині та тіла кинутого під кутом до горизонту.  Він сформулював принцип відносності і висловив ідею про  кінечність швидкості світла. Галілей побудував перший телескоп і перший термометр,  відкрив гори на Місяці і плями на Сонці. Але основним, неоціненим досягненням Галілея було те, що він запровадив в наукову практику такий метод дослідження природи, який дозволяв отримувати гарантовано достовірні результати. Сьогодні цей метод називають  фізичним методом досліджень.

Фізичний метод досліджень – це такий метод отримання достовірних знань, при якому вибір правильних теорій здійснюється на основі експериментальної перевірки тих передбачень, які випливають з відповідної теорії. Це означає, що для перевірки правильності тієї чи іншої теорії (точніше гіпотези), необхідно на основі цієї теорії, зробити логічно обгрунтовані передбачення і перевірити їх на практиці. При цьому, якщо передбачення справджуються, значить теорія правильна, а якщо не справджуються – не правильна.

Сьогодні кожен вчений знає, якщо результати експериментів не співпадають з передбаченнями теорії, значить теорія хибна. При цьому немає значення, хто автор теорії. Наскільки він відомий, розумний і авторитетний. Немає значення, подобається вам ця теорія, чи не подобається. Розумієте ви її, чи не розумієте. Якщо результати експериментів не співпадають з передбаченнями теорії, значить теорія  не правильна. От і все.

Звичайно, експерименти мають бути достовірними і такими, що враховують всі суттєві обставини. Адже, якщо, наприклад, на основі того факту, що важкий камінь падає швидше за легку пір’їну, ви почнете заперечувати те, що всі тіла падають однаково швидко, то в своїх запереченнях ви будете спиратись на результати неправильно поставленого експерименту. Неправильного в тому сенсі, що при його проведенні ви не врахували суттєво важливу обставину – гальмуючу дію навколишнього повітря.

Спираючись на науковий спадок Галілея, видатний англійський фізик Ісаак Ньютон (1642-1727) створив першу наукову теорію, яку прийнято називати  механікою, або ньютонівською механікою   (від грецького  mechanike –  наука про машини).

Подивіться навколо себе і ви побачите величезне різноманіття великих і малих, твердих і рідких, живих і неживих, одним словом різноманітних об’єктів, які так чи інакше рухаються або  не рухаються, тобто рухаються з  нулевою швидкістю. Аналізуючи ці рухи і розмірковуючи над їх параметрами та причинами, ви починаєте вивчати механіку.

Механіку люди вивчали та застосовували з незапам’ятних часів. Достатньо згадати шедеври стародавніх культур, які називаються дивами світу (піраміда Хеопса, Колос Родоський, Олександрійський маяк, храм Артеміди, статуя Зевса в Олімпії, висячі сади Семіраміди, мавзолей в Галікарнасі)  і створення яких було неможливим без розуміння певних законів механіки та застосування їх на практиці. Але люди створювали не лише “дива”, а й будували будинки, храми, фортеці, замки, мости. Будували кораблі, створювали різноманітні види військової та цивільної техніки. І все це, передбачало певний рівень знань законів механіки.

Значний внесок в розвиток та становлення механіки як науки зробили Аристотель, Архімед, Птоломей, Леонардо-да-Вінчі, Коперник, Кеплер, Галілей.   Але тільки Ньютон перетворив механіку на сучасну наукову теорію, тобто цілісну систему достовірних знань, яка не лише описувала та пояснювала механічні явища, а й дозволяла робити точні кількісні прогнози.

Визначаючи термін “механіка” можна сказати наступне. Механіка – це розділ фізики, в якому вивчають параметри, закономірності та причини механічного руху тіл в усіх його проявах. Іншими словами, механіка – це наука  про механічний рух.

Коли ми говоримо про механічний рух, то маємо на увазі такий процес (рух) при якому тіло, як єдине ціле, або певні цілісні фрагменти цього тіла,  переміщуються відносно інших тіл. Човен  пливе, автомобіль іде, вода тече , Земля обертається, колесо крутиться, газ розширюється, яблуко падає, собака біжить, дерево хитається, м’яч  стрибає, стержень деформується – все це конкретні приклади  механічного руху тих чи інших фізичних об’єктів (тіл).     Потрібно зауважити, що однією з різновидностей механічного руху є такий рух, швидкість якого дорівнює нулю (v=0). Цю різновидність руху називають механічним спокоєм. Крім цього, різновидністю механічного руху тіла є його механічна деформація, тобто та чи інша зміна форми (розмірів) тіла, що відбувається під дією певної сили. А це означає, що в механіці вивчають не лише параметри, закономірності та причини власне самого механічного руху (спокою) тіла, а й параметри, закономірності та причини всіх видів його механічної деформації.

Коли ми говоримо про тіла, то маємо на увазі такі фізичні об’єкти, механічна поведінка яких практично не залежить від руху молекул навколишнього середовища. Дрібна пісчинка і масивний камінь, вода в склянці і сама склянка, і стіл  на якому вона стоїть і будинок, в якому вони знаходяться, і планета, на якій ми всі живемо, все це приклади конкретних фізичних тіл.

Як правило, в механіці не вивчається глибинна суть тих процесів, результатом яких є механічний рух тіла. Наприклад, вивчаючи механіку, ми не будемо цікавитись тим, чому деформована пружина штовхає тіло? Чому повітряно-бензинова суміш в процесі згорання штовхає поршень двигуна? В чому причина появи сили тертя, сили опору повітря, сили пружності, сили тяги автомобіля, м’язової сили людини, тощо. В механіці просто констатується той факт, що причиною зміни швидкості руху тіла і причиною його пружної деформації є певна механічна дія на це тіло іншого фізичного об’єкту, і що мірою цієї дії є фізична величина, яка називається силою.

Теоретичну основу механіки складають принцип відносності, три закони Ньютона та закон Всесвітнього тяжіння. Це означає, що на базі цих законів, можна кількісно пояснити практично все різноманіття механічних явищ. Але це не означає, що в механіці не діють і не мають широкого застосування інші закони. Просто ці закони, як-то закон збереження механічної енергії, закон збереження імпульсу, умова рівноваги тіла, рівняння руху, закон Бернуллі, тощо, – так чи інакше випливають із законів Ньютона та визначальних рівнянь відповідних фізичних величин. Щоправда, в механіці є і такі закони, які не є прямими наслідками законів Ньютона. Скажімо, закон Гука не є похідним ані від законів Ньютона, ані від закону всесвітнього тяжіння.

Сучасна Ньютонівська механіка дозволяє пояснити надзвичайно широкий спектр явищ і не лише механічних. Наприклад, на її основі можна пояснити теплові і звукові явища, різноманітні властивості твердих, рідких і газоподібних тіл. Ця механіка дозволяє точно передбачити механічну поведінку як простих тіл, так і їх складних систем, починаючи від дрібної пісчинка і закінчуючи гігантськими зірковими системами, від простого футбольного м’яча до складного автомобіля, від підводного човна до космічного корабля.

Але ньютонівська механіка не є тією теорією, яка дозволяє пояснити все. Наприклад, вона не може пояснити електричні, магнітні, оптичні та ядерні явища. Пояснити хімічні властивості речовин, будову атомів і молекул, властивості елементарних частинок, тощо. Іншими словами, ньютонівська механіка має певні межі свого застосування і певні межі своєї достовірності. При цьому, ці межі визначаються не лише рамками визначення “ механіка – це наука про механічний рух тіл”, а й тим, що параметри цього руху, параметри простору, часу та самих тіл, певним чином залежать від багатьох факторів, зокрема – від швидкості руху тієї системи відліку в якій описується відповідний рух. Тому, наприклад, при швидкостях близьких до швидкості світла (300 000 км/с), закони ньютонівської механіки, а разом з ними і наші уявлення про навколишній світ, потребують певного суттєвого уточнення.

Та як би там не було, а ньютонівська механіка була і залишається однією з основ сучасної науки. І якщо сьогодні ми говоримо про існування нових, більш точних наукових теорій, зокрема квантової механіки і теорії відносності, то ви маєте знати,  що ці нові теорії не “відміняють”  ньютонівську механіку, а лише доповнюють та уточнюють її, розширюючи тим самим її можливості.

Намагаючись певним чином систематизувати процес вивчення механіки ми умовно розділимо її на три базові теми:

1.Кінематика

2. Статика

3. Динаміка

При цьому ви маєте  знати, що в рамках цих тем ми будемо вивчати лише основи механіки. Адже насправді, сучасна механіка це надзвичайно ємка та багатогранна наука, складовими частинами якої, окрім кінематики, статики і динаміки є механіка періодичних  процесів, механіка рідин і газів, механіка тіл змінної маси, теорія пружності і теорія пластичності, теорія коливань і теорія стійкості, теорія гіроскопів,  теорія ударів, тощо. Крім цього, прикладними розділами механіки є безліч технічних дисциплін: технічна механіка, деталі машин та механізмів, опір матеріалів (сопромат), підіймально-транспортні механізми, тощо.

Контрольні запитання

1. Хто заклав основи сучасної науки? В чому суть цих основ?

2. Хто перетворив механіку на цілісну наукову теорію? Що лежить в основі цієї теорії?

3. Що є предметом вивчення механіки?

4. Що називають механічним рухом?

5. Чи є механічний спокій різновидністю механічного руху?

6. Чи є механічна деформація тіла, механічним рухом цього тіла?

7. Які фізичні об’єкти називають тілами?

8. Чи є ньютонівська механіка наукою, яка може пояснити все?

9. Що може і чого не може пояснити ньютонівська механіка?