Механика

Механика (грчки: μηχανική) — област од науката што се занимава со однесувањето на физичките тела кога се изложени на сили или поместувања и последователните ефекти на телата во нивната средина.

Научната дисциплина води потелко од Древна Грција со записите на Аристотел и Арихмед^[1]^[2]^[3] (види Историја на класичната механика и Хронологија на класичната механика). За време на раниот раниот нов век, научници како Галилео Галилеј, Јоханес Кеплер, а особено Исак Њутн, ги поставил на сега познатата класична механика.

Станува збор за гранка на класичната физика која се занимава со честички кои се во мирување или се движат со брзини значајно помали од онаа од брзината на светлината. Исто така може да се дефинира како гранка од науката која се занимава со движењето и силите кои дејствуваат на телата.

Класична наспроти квантна механика

Главната поделба на механиката ја одвојува класичната механика од квантната механика.

Историски, класичната механика се појавила прва, додека квантната механика споредбено е неодамнешно откритие. Класичната механика започнала со Њутновите закони за движење во Математички принципи на природната филозофија (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica). Квантната механика била откриена во 1925. Се смета дека двата вида на механика го сочинуваат најзначајното познавање за физичката природа. Класичната механика особено се сметала како модел за други т.н. точни науки. Основата на сето ова е тврдокорната употреба на математиката во теориите, како и значајната улога на експериментите за проверка на теориите.

Квантната механика е со поголем опфат, бидејќи ја вклучува и класичната механика како под-диспиплина во која се применува по многу строго определени случаи. Според принципот за кореспонденција, не постои спротивставеност или конфликт помеѓу двете теми, секоја едноставно се употребува за определени ситуации. Принципот за кореспонденција тврди дека однесувањето на системите опишани од квантните теории ја претставува класичната физика во границата на големите квантни броеви. Квантната механика ја надминала класичната механика на основно ниво и е незаменлива при објаснувањето и предвудување на процесите на молекуларно и атомско ниво. Сеедно, за макроскопските процеси класичната механика е способна да ги реши проблемите кои се незамисливо тешки за квантната механика и затоа е во употреба до ден денес. Современите описи на ваквите проблеми почнува со внимателно дефинирање на квантитетите како поместување (изминато растојание), време, брзина, забрзување, маса и сила. До пред 400 години движењето се објаснувало од многу поразлична точка на гледање. На пример, следејќи ги идеите на грчкиот филозоф и научник Аристотел, научниците расправале дека ѓулето паѓа поради неговата природна местоположба во однос на Земјата, Сонцето, Месечината и ѕвездите кои се движеле кружно околу Земјата, бидејќи природата на тешките тела е да се движат во совршени кругови.

Италијанскиот физичар и астроном Галилео ги собрал идеите на други големи мислители од неговиот период и почнал да го анализира движењето во услови на изминато растојание од некоја почетна точка и времето потребно да се измине тоа растојание. Тој покажал дека брзината на телата во пад се зголемува постепено за време на падот. Ова забрзување е исто за тешките тела и за лесните тела, доколку се занемари триењето на воздухот. Англискиот математичар и физичар Исак Њутн ја подобрил анализата преку дефинирањето на силата и масата и истите ги поврзал со забрзувањето. За тела кои се движат со брзина блиски до брзината на светлината, Њутновите закони биле заменети со квантната теорија. За секојдневните појави, сепак, се користат трите Њутнови закони за движење, кои се основата на динамиката која се занимава со изучување на причините на движењето.

Релативистичка наспроти Њутнова механика

Во споредба разликата меѓу квантната и класичната механика, Ајнштајновата теорија за општа релативност и специјалната релативност теории за релативноста го прошириле опфатот на Њутновите и Галилеевите записи на механиката. Разликите меѓу релативистичката и Њутновата механика станува значајна и доминантна како што се зголемува брзината на масивното тело и се приближува до брзината на светлината. На пример, во класичната механика, Њутновите закони за движењето се определени со равенката $F=ma$ ,додека пак во релативистичката механика се користат Лоренцовите преобразби, кои првично се откриени од Хендрик Лоренц и се запишани со равенството $F=\gamma ma$ (каде $\gamma$ е Лоренцовиот фактор, кој е речиси еднаков на 1 за мали брзини).

Општа релативност наспроти квантна

Релатицистичките исправки исто така се потребни за квантната механика, иако општата релативност сè уште не е вклучена. Двете теории остануваат неспојливи, препрека која мора да се надмине при развојот на теоријата на сè.

Историја

Антика

Главната теорија за механиката во антиката била Аристотеловата механика.^[4] Подоцнежен пронаоѓач со ваква традиција е Хипарх.^[5]

Среден век

Ракопис на арапска машина. Непознат датум (по претпоставка: 16 до 19 век).

Во средновековниот период, Аристотеловите теории биле критикувани и изменето од голем број на личности, почнувајќи со Јован Филопон во шестиот век. Главен проблем било проектилното движење, со кое се занимавале Хипарх и Филопон. Ова довело до пронаоѓање на теоријата на импетусот од Французинот Жан Буридан од времето на четиринаесеттиот век, кое се развило во современите теории за инерција, брзина, забрзување и импулс. Овие и други трудови биле остварени во четиринаесеттиот век во Англија од страна на Оксфордските калкулатори како што е мислителот Томас Брадвардин, кој изучувал и формулирал бројни закони во врска со падот на телата.

На прашањето за тело изложено на постојана сила, еврејско-арапскиот физичар Абул-Баракат ал-Багдади од времето на дванаесеттиот век изјавилдека постојаната сила дава постојано забрзување, додека главните својства на рамномерното забрзано движење биле разработени од Оксфордските калкулатори од времето на четиринаесеттиот век.

Ран нов век

Двете главни фигури во раниот нов век биле Галилео Галилеј и Исак Њутн. Последната изјава на Галилео за неговата механика, поточно за падот на телата, се наоѓа во неговота книга Две нови науки (англиски: Two New Sciences) објавена во 1638. Њутновата книга Математички принципи на природната филозофија (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) објавена во 1687 овозможила детални математички сметки на механиката, користејќи го новиот математички калкулус и ги овозможила основите на Њутновата механика.^[5]

Постои спор за приоритетот на различни идеи: Њутновиот принцип (principia) сигурно е плодотворна работа со исклучително влијание, а систематската математика не била и не можела да биде потврдена порано бидејќи сè уште не бил пронајден калкулусот. Сеедно, многу од идеите, поточно што се однесува на инерцијата и падот на телата, биле пронајдени и потврдени од порани истражувачи, заедно тогаш новиот Галилео и помалку познати средновековни претходници. Точно одредување на заслугата понекогаш е тешко или спорно бидејќи научниот јазик и стандарди на докажување се промениле, така без разлика дали средновековните изјави се еднакви со модерните изјави или доволни докази или наместо тоа се слични со модерните тврдења и хипотези, честопати е тема на разговор.

Нов век

Двете главни нововековни напредувања во механиката се општата теорија на Алберт Ајнштајн и квантната механика, двете развиени во дваесеттиот век засновани на некои идеи од претходниот XIX век.

Видови на механички тела

Често употребуваниот термин тело треба да стои за голем број на предмети, вклучувајќи ги честичките, проектилите, вселенските летала, ѕвездите, делови од машинството, делови од цврстите материи, делови од флуиди (гасови и течности) и др.

Други разлики помеѓу различните поддисциплини на механиката, ја опфаќаат природата на телата кои се опишуваат. Честичките се тела со маклу позната внатрешна структура, се третираат како математички точки во класичната механика. Цврстите тела имаат големина и форма, но се задржуваат на едноставноста слична со онаа на честичката, додавајќи само неколку т.н. степени на слобода, како што е ориентацијата во просторот.

Инаку, телата можат да бидат полуцврсти, односно еластични, или не-цврсти, односно течност. Овие предмети имаат класична и квантна поделба на изучување.

На пример, движењето на вселенското летало, кое се однесува на неговата орбита и однос (вртење), е опишано со релативистичката теорија на класичната механика, додека аналогните движења на атомското јадро се опишани со квантната механика.

Поддисциплини во механиката

Подолу има два списока за различни предмети кои се изучуваат во механиката.

Напомена дека постои и „теорија на полиња“ која претставува посебна дисциплина во физиката, формално се третира како различна од механиката, без разлика на тоа дали е класични полиња или квантни полиња. Но во практика, предметите припаѓаат на механиката и полињата се тесно поврзани. На пример, силите кои дејствуваат на честички често се добиени од електромагнетни или гравитациски полиња, така честичките произведуваат полиња дејствувајќи како извори. Всушност, во квантната механика, самите честички се полиња, како што е теориски опишано од брановата функција.

Класична механика

Професор Валтер Левин го објаснува Њутновиот закон за гравитација.^[6]

Во продолжение поддисциплините се опишани како составен дел на класичната механика:

Њутнова механика, оригиналната теорија на движење (кинематика) и (динамички) сили.
Теориска механика е реформулација на Њутновата механика со акцент на системот на енергија, наместо на силата. Постојат две главни гранки на теориска механика:
- Хамилтонова механика, теориски формализам, заснован на принципот на конзервација на енергија.
- Лагранжова механика, друг теориски формализам, заснован на принципот на стационарното дејство.
Статистичка механика ја поопштува обичната класична механика за разгледување на системи во неодредена состојба, често употребувана за одредување на термодинамички својства.
Небесна механика, движењето на телата во вселената: планети, комети, ѕвезди, галаксии и др.
Астродинамика, навигација на вселенски летала и др.
Механика на цврсти материи, еластичност, својствата на деформирачки тела.
Механика за пукнатини
Акустика, звук во цврсти материи, флуиди и гасови.
Статика, полутврди тела во механичка рамнотежа.
Флуидна механика, движењето на флуиди
Механика на почва, механичко однесување на почвите
Механика на непрекинатост, (заедно цврсти материи и флуиди)
Хидраулика, механички својства на течности
Флуидна статика, течности во рамнотежа
Применета механика или инженерска механика
Биомеханика, цврсти материи, флуиди и др. во биологијата
Биофизика, физички процеси во живи организми
Релативистичка или Ајнштајнова механика, универзална гравитација.

Квантна механика

Следните поддисциплините се категоризираат како дел од квантната механика:

Шредингерова бранова механика, го опишува движењето на брановата функција на поединечна честичка.
Матрична механика е алтернативна формулација која овозможува оглед на системи со конечно-димензионална просторна состојба.
Квантна статистичка механика ја пооштува обичната квантна механика за разгледување на системи во неодредена состојба, често употребувана за одредување на термодинамички својства.
Честична физика, движењето, структурата и реакциите на честичките
Јадрена физикаNuclear physics, движењето, структурата и реакциите на јадрата
Физика на кондензираната материја, квантни гасови, цврсти материи, течности и др.

Професионални организации

Дивизија на применета механика, Американско друштво на машински инженери
Дивизија на флуидна динамика, Американско физичко друштво
Друштво за експериментална механика
Институција на машински инженери е британски главен орган за машински инженери и е дом на машински инженери повеќе од 150 години.
Меѓународна унија за теориска и применета механика

Поврзано

Наводи

↑ Dugas, Rene. A History of Classical Mechanics. New York, NY: Dover Publications Inc, 1988, pg 19.
↑ Rana, N.C., and Joag, P.S. Classical Mechanics. West Petal Nagar, New Delhi. Tata McGraw-Hill, 1991, pg 6.
↑ Renn, J., Damerow, P., and McLaughlin, P. Aristotle, Archimedes, Euclid, and the Origin of Mechanics: The Perspective of Historical Epistemology. Berlin: Max Planck Institute for the History of Science, 2010, pg 1-2.
↑ "A history of mechanics". René Dugas (1988). p.19. ISBN 0-486-65632-2
↑ ^5,0 ^5,1 "A Tiny Taste of the History of Mechanics". The University of Texas at Austin.
↑ Walter Lewin. (October 4, 1999) (ogg). Work, Energy, and Universal Gravitation. MIT Course 8.01: Classical Mechanics, Lecture 11.. [videotape]. Cambridge, MA USA: MIT OCW. Се случува во 1:21-10:10. Archived from the original on 2012-10-28. https://web.archive.org/web/20121028071401/http://ocw.mit.edu/courses/physics/8-01-physics-i-classical-mechanics-fall-1999/video-lectures/lecture-11/. Retrieved December 23, 2010.

Надворешни врски

iMechanica: the web of mechanics and mechanicians
Mechanics Blog by a Purdue University Professor
The Mechanics program at Virginia Tech Архивирано на 6 октомври 2006 г.
Physclips: Mechanics with animations and video clips Архивирано на 1 јуни 2007 г. from the University of New South Wales
U.S. National Committee on Theoretical and Applied Mechanics Архивирано на 30 март 2009 г.
Interactive learning resources for teaching Mechanics Архивирано на 29 јануари 2019 г.
The Archimedes Project

[1] Dugas, Rene. A History of Classical Mechanics. New York, NY: Dover Publications Inc, 1988, pg 19.

[2] Rana, N.C., and Joag, P.S. Classical Mechanics. West Petal Nagar, New Delhi. Tata McGraw-Hill, 1991, pg 6.

[3] Renn, J., Damerow, P., and McLaughlin, P. Aristotle, Archimedes, Euclid, and the Origin of Mechanics: The Perspective of Historical Epistemology. Berlin: Max Planck Institute for the History of Science, 2010, pg 1-2.

[4] "A history of mechanics". René Dugas (1988). p.19. ISBN 0-486-65632-2

[mechanics-5] 5,0 ^5,1 "A Tiny Taste of the History of Mechanics". The University of Texas at Austin.

[6] Walter Lewin. (October 4, 1999) (ogg). Work, Energy, and Universal Gravitation. MIT Course 8.01: Classical Mechanics, Lecture 11.. [videotape]. Cambridge, MA USA: MIT OCW. Се случува во 1:21-10:10. Archived from the original on 2012-10-28. https://web.archive.org/web/20121028071401/http://ocw.mit.edu/courses/physics/8-01-physics-i-classical-mechanics-fall-1999/video-lectures/lecture-11/. Retrieved December 23, 2010.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]