οι νόμοι του Νεύτωνα. Ο λόγος για το κίνημα από τη σκοπιά των επιστημόνων της αρχαιότητας. Κίνηση, αιτία και κατεύθυνσή της Παραδείγματα επίλυσης προβλημάτων

28.09.2021Επικεφαλίδα: Λύση

Η κίνηση είναι η αλλαγή κάτι. Ήδη σε εμπειρικό επίπεδο, είναι σαφές ότι η φύση ως σύνολο φυσικών φαινομένων δεν είναι κάτι παγωμένο και αμετάβλητο, αλλά, αντίθετα, κάτι που βρίσκεται σε διαδικασία συνεχούς κίνησης. Η αλλαγή της ημέρας στη νύχτα και των εποχών, η ροή του νερού στα ποτάμια και η βροχόπτωση, η περιστροφή των πλανητών γύρω από τον Ήλιο και η εμφάνιση νέων αστεριών - αυτά είναι μερικά μόνο από τα γεγονότα βάσει των οποίων μπορούμε να πούμε ότι αλλαγές συμβαίνουν συνεχώς στη φύση.

Η δήλωση του γεγονότος της διαρκούς αλλαγής των πάντων βρήκε την έκφρασή της ήδη από την αρχαιότητα στο περίφημο ρητό του Ηράκλειτου ότι «όλα ρέουν σαν ποτάμι». Η εμπειρική παρατήρηση απαιτεί κατάλληλη θεωρητική εξήγηση, το κύριο περιεχόμενο της οποίας είναι οι απαντήσεις στα ακόλουθα ερωτήματα: 1) Γιατί συμβαίνει η κίνηση; 2) Πώς συνδέονται ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙκίνηση? 3) Υπάρχει γενική κατεύθυνση αλλαγής;

Από την αρχαιότητα έως τη σύγχρονη εποχή, η εξήγηση της κίνησης χτίστηκε, αφενός, στη βάση συνηθισμένων παρατηρήσεων και, αφετέρου, στη βάση ανθρωπόμορφων υποθέσεων όπως η ιδέα της σκοπιμότητας των πάντων και των ιδανικό ως αντικειμενικά ουσιαστικό.

Ειδικότερα, σύμφωνα με τον ίδιο Ηράκλειτο, «τα πάντα προκύπτουν δυνάμει της αντίθεσης. ... Ο Κόσμος ... γεννιέται από τη φωτιά και ξανακαίγεται σε στάχτη μετά από ορισμένες χρονικές περιόδους, εναλλάξ κατά τη διάρκεια της συνολικής αιωνιότητας, αλλά αυτό συμβαίνει σύμφωνα με τη μοίρα. Αυτό από τα αντίθετα που οδηγεί στην εμφάνιση του σύμπαντος ονομάζεται πόλεμος και διαμάχη, και αυτό που οδηγεί στην καύση είναι η αρμονία και η ειρήνη, η αλλαγή ονομάζεται το μονοπάτι πάνω και κάτω, κατά μήκος του οποίου αναδύεται ο κόσμος. Συμπυκνώνοντας, η φωτιά υγραίνεται και, συσπειρώνοντας, γίνεται νερό. το νερό στερεοποιείται στη γη: αυτός είναι ο δρόμος προς τα κάτω. Η γη, με τη σειρά της, λιώνει ξανά, από αυτήν προκύπτει νερό και από το νερό όλα τα άλλα.

Σύμφωνα με τις φυσικές ιδέες του Αριστοτέλη (που διατήρησαν τη σημασία τους μέχρι το τέλος της Αναγέννησης), κάθε σώμα τείνει στη θέση του και η κατεύθυνση και η ταχύτητα της κίνησης του τελευταίου εξαρτώνται από το υλικό από το οποίο αποτελείται. Τα "ελαφριά" σώματα (για παράδειγμα, η φωτιά) τείνουν προς την κορυφή και τα "βαριά" (για παράδειγμα, πέτρες) - προς τα κάτω. Έχοντας φτάσει στη «φυσική» του θέση, το σώμα έρχεται σε κατάσταση ηρεμίας, επομένως, για να κινηθεί ξανά, χρειάζεται ένας κινητής. Τα πάντα στη Γη κινούνται, τελικά, ως αποτέλεσμα της δράσης ενός συγκεκριμένου κοσμικού πρώτου κινητήριου κινητήριου συστήματος, ο οποίος, όντας ιδανικός ο ίδιος, περιστρέφεται πάντα σε κύκλο. Η λογική αυτού του συλλογισμού είναι η εξής: η κυκλική κίνηση είναι ορατό σύμβολο του απείρου, δηλ. αιώνιος; Ο κύριος κινητήριος μοχλός είναι ιδανικός και το ιδανικό είναι αιώνιο. Αυτό σημαίνει ότι ο αιώνιος ιδανικός πρωταρχικός κινητήριος κινείται για πάντα σε κύκλο, σαν να μεταφέρει τη δύναμη της κίνησής του στη Γη. το γήινο κινείται επίσης γιατί φιλοδοξεί στον πρωταρχικό κινητήριο ρόλο ως προς την τελειότητα.

Οι φυσικές ιδέες για τη «φυσικότητα» της ανάπαυσης και τη «βία» της κίνησης στο Μεσαίωνα χρησιμοποιήθηκαν συχνά στο πλαίσιο του λεγόμενου. «φυσική θεολογία», όπου στη βάση τους προσπάθησαν να οικοδομήσουν μια φυσική-επιστημονική απόδειξη της ύπαρξης του Θεού (πρωταρχικός κινητήριος μοχλός είναι ο Θεός).

Στη σύγχρονη εποχή, ο ανθρωπομορφισμός στη φυσική ξεπεράστηκε και ως αποτέλεσμα θεωρητικών και πειραματικών μελετών, κατέστη σαφές ότι η ανάπαυση δεν είναι μια φυσική και όχι μια απόλυτη κατάσταση των σωμάτων και η κίνηση δεν είναι πάντα βίαιη. Ειδικότερα, σύμφωνα με τον πρώτο νόμο του Νεύτωνα της κλασικής μηχανικής, η κίνηση και η ηρεμία είναι εξίσου πιθανές καταστάσεις και κάθε σώμα κινείται ή βρίσκεται για πάντα σε ηρεμία μέχρι να βιώσει αντίθεση από άλλες δυνάμεις.

Η ανακάλυψη της βαρυτικής αλληλεπίδρασης ως έλξης (νόμος της παγκόσμιας έλξης, 17ος αιώνας) και της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης ως έλξης και απώθησης (νόμος του Coulomb για την αλληλεπίδραση σημειακών ηλεκτρικών φορτίων, 18ος αιώνας) συνέβαλε σημαντικά στην καθιέρωση της γενικής ιδέας ότι η κίνηση είναι εσωτερικό περιουσιακό ζήτημα, π.χ. η ιδέα ότι η κίνηση είναι η αυτοκίνηση της ύλης. Ο Γάλλος φιλόσοφος Paul Henri Holbach (1723-1789) εξέφρασε αυτό το χαρακτηριστικό του 18ου αιώνα. σκέφτηκε ως εξής: «Θα μας ρωτήσουν: από πού πήρε την κίνησή της αυτή η φύση; Αυτό θα το απαντήσουμε από μόνο του, γιατί είναι ένα μεγάλο σύνολο, έξω από το οποίο τίποτα δεν μπορεί να υπάρξει. Λέμε ότι η κίνηση είναι ένας τρόπος ύπαρξης, που προκύπτει απαραίτητα από την ουσία της ύλης. ότι η ύλη κινείται λόγω της δικής της ενέργειας. ότι οφείλει την κίνησή του στις δυνάμεις που είναι εγγενείς σε αυτό».

Σύμφωνα με τις σύγχρονες φυσικές έννοιες, ολόκληρο το σύνολο των παρατηρούμενων κινήσεων των φυσικών αντικειμένων είναι στην πραγματικότητα μια εκδήλωση τεσσάρων τύπων θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων: βαρυτική, ηλεκτρομαγνητική, ισχυρή και ασθενής πυρηνική.

Η βαρυτική αλληλεπίδραση οφείλεται στην παρουσία μάζας στα σώματα και κυριαρχεί στον μέγα κόσμο. Ο νόμος της παγκόσμιας βαρύτητας είναι μια επίσημη έκφραση των συνθηκών και του μεγέθους αυτής της αλληλεπίδρασης. Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση οφείλεται σε μια συγκεκριμένη ιδιότητα της σειράς στοιχειώδη σωματίδια, το οποιο ονομαζεται ηλεκτρικό φορτίο. Διαδραματίζει πρωταγωνιστικό ρόλο στον μακρο- και στον μικρόκοσμο μέχρι αποστάσεις που υπερβαίνουν τις διαστάσεις των ατομικών πυρήνων. Χάρη στην ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, υπάρχουν άτομα και μόρια και συμβαίνουν χημικοί μετασχηματισμοί της ύλης. Οι πυρηνικές αλληλεπιδράσεις εμφανίζονται μόνο σε αποστάσεις συγκρίσιμες με το μέγεθος ενός ατομικού πυρήνα. Και οι τέσσερις τύποι θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων είναι πολύ διαφορετικοί μεταξύ τους (συγκεκριμένα, η βαρυτική αλληλεπίδραση είναι μόνο έλξη, ενώ η ηλεκτρομαγνητική υπάρχει ως έλξη και άπωση) και οφείλονται σε σημαντικά διαφορετικούς μηχανισμούς. Ωστόσο, στο πλαίσιο της θεωρητικής φυσικής, τίθεται ένα ερώτημα σχετικά με τη δυνατότητα κατασκευής μιας ενοποιημένης θεωρίας όλων των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων. Επιπλέον, ως αποτέλεσμα πειραματικών μελετών των αλληλεπιδράσεων στοιχειωδών σωματιδίων το 1983, διαπιστώθηκε ότι σε υψηλές ενέργειες σύγκρουσης στοιχειωδών σωματιδίων, οι ασθενείς και οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις δεν διαφέρουν και μπορούν να θεωρηθούν ως μια ενιαία ηλεκτροαδύναμη αλληλεπίδραση.

Στο σύγχρονο φυσικές επιστήμες, καθώς και στη φιλοσοφία, συνηθίζεται να μιλάμε για τα επίπεδα οργάνωσης της ύλης (υπάρχουν φυσικά, χημικά, βιολογικά επίπεδα οργάνωσης), η ταξινόμηση των οποίων βασίζεται στην κατανομή των αντίστοιχων τύπων κίνησης της ύλης. Συγκεκριμένα, η κίνηση της ύλης στο φυσικό επίπεδο της οργάνωσής της είναι οι 4 θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις που έχουμε εξετάσει. κίνηση σε χημικό επίπεδο - ο μετασχηματισμός των ουσιών. στο βιολογικό - ο μεταβολισμός μέσα σε έναν ζωντανό οργανισμό. Τα παραπάνω επίπεδα οργάνωσης της ύλης αντιπροσωπεύουν διαδοχικές μορφές περιπλοκής της τελευταίας, ενώ κάθε επόμενο επίπεδο δεν χωρίζεται από το προηγούμενο με μια αδιαπέραστη γραμμή, αλλά είναι το αποτέλεσμα της φυσικής ανάπτυξής του. Συγκεκριμένα, οι οργανικές ουσίες μπορούν να προκύψουν όχι μόνο ως αποτέλεσμα της ζωτικής δραστηριότητας των βιολογικών οργανισμών, αλλά και χωρίς αυτές - ως αποτέλεσμα της σύνθεσης ανόργανων. Το 1953, ο Αμερικανός χημικός S. Miller απέδειξε πειραματικά τη δυνατότητα της βιογονικής σύνθεσης ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣαπό ανόργανο. Περνώντας μια ηλεκτρική εκκένωση μέσα από ένα μείγμα ανόργανων ενώσεων, έλαβε οργανικά οξέα.

Το πρόβλημα της κατεύθυνσης της κίνησης, κατανοητό με μια εξαιρετικά γενική έννοια, μπορεί να ερμηνευθεί ως θεωρία του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος (παλίνδρομος) και ως θεωρία αυτοοργάνωσης (πρόοδος).

Η υπόθεση του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος είναι συνέπεια του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής. Ένας από τους πρώτους που πρότεινε αυτή την υπόθεση στα μέσα του 19ου αιώνα ήταν ο Γερμανός φυσικός Rudolf Clausius (1822 - 1888) με βάση την ερμηνεία του για τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Από τον δεύτερο νόμο προκύπτει ότι κατευθυνόμενες και μη αναστρέψιμες φυσικές διεργασίες υπάρχουν σε μακροσκοπικό επίπεδο. Για να το καταλάβετε αυτό, εξετάστε το ακόλουθο παράδειγμα. Ας υποθέσουμε ότι φέρνουμε ένα φρεσκοβρασμένο βραστήρα στο δωμάτιο και ρίχνουμε νερό από αυτό σε ένα ποτήρι. Είναι σαφές ότι η θερμοκρασία του νερού στο βραστήρα είναι πολύ υψηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αφήστε τη θερμοκρασία του νερού να είναι 100 βαθμούς και τη θερμοκρασία δωματίου 18 βαθμούς. Τι θα συμβεί μετά? Προφανώς, το νερό θα κρυώσει σταδιακά και ο αέρας θα ζεσταθεί λίγο. Στο τέλος, η θερμοκρασία του νερού και του αέρα θα εξισωθεί και θα είναι ας πούμε 18,5 βαθμούς, θα έρθει δηλαδή η θερμοδυναμική ισορροπία. Είναι δυνατόν τα γεγονότα να εξελιχθούν προς την αντίθετη κατεύθυνση, όταν ο βραστήρας με νερό αρχίζει να παίρνει θερμότητα από τον αέρα και, ως αποτέλεσμα, θερμαίνεται ξανά, και ο αέρας, κατά συνέπεια, κρυώνει; Καθαρά θεωρητικά ναι, αλλά η πραγματική πιθανότητα είναι κοντά στο μηδέν.

Ο κόσμος μας μπορεί να θεωρηθεί ως ένα γιγάντιο θερμοδυναμικό σύστημα που βρίσκεται σε κατάσταση μη ισορροπίας. Η ενέργεια συγκεντρώνεται κυρίως σε καυτά αστέρια και σταδιακά μεταναστεύει σε πολύ ψυχρότερο διαστρικό χώρο. Όλοι οι διαθέσιμοι κινητήρες αποδεικνύονται αποτελεσματικοί, τελικά, λόγω της ύπαρξης αυτής της παγκόσμιας μη ισορροπίας. Επομένως, το ζήτημα των προοπτικών που συνδέονται με την προσπάθεια του παγκόσμιου συστήματος προς τη θερμοδυναμική ισορροπία είναι απολύτως φυσικό.

Σύμφωνα με τον Clausius, η εντροπία του σύμπαντος τείνει στο μέγιστο. Από αυτό προκύπτει ότι στο Σύμπαν, στο τέλος, όλα τα είδη ενέργειας πρέπει να περάσουν στην ενέργεια της θερμικής κίνησης, η οποία θα κατανεμηθεί ομοιόμορφα σε ολόκληρη την ουσία του Σύμπαντος. Μετά από αυτό, όλες οι μακροσκοπικές διεργασίες θα σταματήσουν σε αυτό ή θα συμβεί "θερμικός θάνατος".

Το ηλιακό σύστημα, για παράδειγμα, μπορεί να θεωρηθεί ως ένα κλειστό θερμοδυναμικό σύστημα μη ισορροπίας. Η ενέργεια εδώ συγκεντρώνεται κυρίως στον Ήλιο. Πάνω από το 95% της ενέργειας που χρησιμοποιεί ο άνθρωπος είναι ηλιακή ενέργεια. Προφανώς, εάν σταματήσει να μας τροφοδοτεί με ενέργεια και εξαντλήσουμε όλα τα αποθέματά της, τότε δεν θα είναι δυνατή η εργασία.

Έτσι, εάν ολόκληρος ο περιβάλλοντας κόσμος θεωρείται πράγματι ένα κλειστό σύστημα, στο οποίο ισχύουν τα συμπεράσματα της κλασικής θερμοδυναμικής, τότε όταν επιτευχθεί ισορροπία, θα πρέπει να είναι ένα ομοιογενές σώμα με σταθερή θερμοκρασία, πυκνότητα ύλης και ακτινοβολία, στο οποίο δεν θα είναι δυνατός ο κατευθυνόμενος μετασχηματισμός της ενέργειας.

Οι κύριες ενστάσεις στην υπόθεση του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος είναι οι εξής: 1) Το Σύμπαν δεν είναι ένα απομονωμένο σύστημα. 2) Γιατί το Σύμπαν, που υπάρχει για απεριόριστο χρονικό διάστημα, δεν έχει ακόμη φτάσει στην κατάσταση της θερμοδυναμικής ισορροπίας;

Για πολύ καιρό υπήρχε η ιδέα ότι μόνο βιολογικά αντικείμενα και συστήματα έχουν την ικανότητα να αυτοοργανώνονται. Μετά την εμφάνιση των υπολογιστών, των προγραμμάτων αυτομάθησης και της εμφάνισης της ρομποτικής, έγινε σαφές ότι τα τεχνητά αντικείμενα μπορούν επίσης να εξελιχθούν. Σχετικά πρόσφατα, αποδείχθηκε ότι τα άψυχα αντικείμενα που προέκυψαν φυσικά χωρίς ανθρώπινη συμμετοχή μπορούν επίσης να έχουν την ικανότητα να αυτοοργανώνονται. Συγκεκριμένα, στη φυσική είναι γνωστά φαινόμενα σχηματισμού σταθερών στροβίλων σε μη στάσιμες ροές υγρών και αερίων. η εμφάνιση διατεταγμένης ακτινοβολίας στα λέιζερ. σχηματισμός και ανάπτυξη κρυστάλλων. Στη χημεία, διακυμάνσεις συγκέντρωσης στην αντίδραση Belousov-Zhabotinsky.

Η αναγκαιότητα και οι νόμοι της αυτοοργάνωσης μελετώνται από συνεργεία. Ο όρος "συνέργεια" προτάθηκε στις αρχές της δεκαετίας του '70. 20ος αιώνας Ο Γερμανός φυσικός Hermann Haken (γεν. 1927). Μεγάλη συμβολή στην ανάπτυξη της θεωρίας της αυτοοργάνωσης είχε ο Βέλγος και Αμερικανός φυσικός Ilya Prigogine (1917 - 2003). Επί του παρόντος, η συνεργεία είναι μια διεπιστημονική κατεύθυνση. επιστημονική έρευνα, θέμα του οποίου είναι τα γενικά πρότυπα αυτοοργάνωσης στα φυσικά και κοινωνικά συστήματα.

Για την αυθόρμητη εμφάνιση πιο διατεταγμένων δομών από λιγότερο διατεταγμένες δομές, είναι απαραίτητος ένας συνδυασμός των ακόλουθων συνθηκών:

Μπορούν να σχηματιστούν μόνο σε ανοιχτά συστήματα. Για την εμφάνισή τους, μια εισροή ενέργειας από έξω είναι υποχρεωτική, αντισταθμίζοντας τις απώλειες και διασφαλίζοντας την ύπαρξη διατεταγμένων καταστάσεων.

Τακτοποιημένες δομές προκύπτουν σε μακροσκοπικά συστήματα, δηλαδή συστήματα που αποτελούνται από μεγάλο αριθμό ατόμων, μορίων, κυττάρων κ.λπ. Η διατεταγμένη κίνηση σε τέτοια συστήματα έχει πάντα συνεργατικό χαρακτήρα, αφού σε αυτήν εμπλέκεται μεγάλος αριθμός αντικειμένων.

Πρέπει να τονιστεί ότι η αυτοοργάνωση δεν συνδέεται με κάποια ειδική κατηγορία ουσιών. Υπάρχει μόνο κάτω από ειδικές εσωτερικές και εξωτερικές συνθήκες του συστήματος και του περιβάλλοντος.

Εξετάστε το απλούστερο παράδειγμα αυτοοργάνωσης - τα κύτταρα Benard. Η δόμηση (δηλαδή οργάνωση) ενός αρχικά ομοιογενούς υγρού μπορεί να παρατηρηθεί όταν συμβαίνει μεταφορά (ανάμειξη των στρωμάτων του). Αφήστε το ρευστό να είναι σε ηρεμία σε μια ορισμένη σταθερή θερμοκρασία την αρχική στιγμή. Στη συνέχεια, θα αρχίσουμε να το ζεσταίνουμε από κάτω. Καθώς αυξάνεται η ένταση της θέρμανσης, εμφανίζεται το φαινόμενο της μεταφοράς: το θερμαινόμενο κάτω στρώμα του υγρού διαστέλλεται, γίνεται ελαφρύτερο και επομένως τείνει να επιπλέει προς τα πάνω. Για την αντικατάστασή του, από πάνω προς τα κάτω, κατεβαίνει ένα πιο κρύο και πυκνό στρώμα. Στην αρχή, αυτό συμβαίνει σποραδικά: ανοδικά ρεύματα εμφανίζονται σε ένα μέρος και μετά σε άλλο και δεν διαρκούν πολύ. Δηλαδή, η μεταφορά προχωρά σε χαοτικό τρόπο. Όταν η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του ανώτερου και του κατώτερου στρώματος του υγρού φτάσει σε μια ορισμένη κρίσιμη τιμή, η εικόνα αλλάζει θεμελιωδώς. Ολόκληρος ο όγκος του υγρού χωρίζεται σε πανομοιότυπα κελιά, σε καθένα από τα οποία υπάρχουν ήδη κινήσεις μεταφοράς χωρίς απόσβεση σωματιδίων υγρού κατά μήκος κλειστών τροχιών. Οι χαρακτηριστικές διαστάσεις των κυττάρων Benard στην περίπτωση πειραμάτων με υγρό είναι στην περιοχή χιλιοστών (10 -3 m), ενώ η χαρακτηριστική χωρική κλίμακα των διαμοριακών δυνάμεων εμπίπτει σε πολύ μικρότερο εύρος: 10 -10 m. Με άλλα λόγια, ένα ξεχωριστό κύτταρο Benard περιέχει περίπου 10 21 μόρια. Έτσι, ένας τεράστιος αριθμός σωματιδίων μπορεί να παρουσιάσει συνεκτική (συνεπή) συμπεριφορά.

Τα κύτταρα Benard μπορούν να σχηματιστούν υπό κατάλληλες συνθήκες σε οποιοδήποτε υγρό. Τέτοια κύτταρα έχουν βρεθεί στην επιφάνεια του Ήλιου και πιθανώς υπάρχουν στον μανδύα της Γης. Επιπλέον, σύμφωνα με τις σύγχρονες αστρονομικές αντιλήψεις, το παρατηρήσιμο μέρος του Σύμπαντος αποτελείται επίσης από κυτταρικές δομές - σμήνη γαλαξιών.

Εκτός από την αυτοοργάνωση, μια άλλη σημαντική έννοια της συνεργίας είναι η έννοια της διχοτόμησης. Ο όρος "διακλάδωση" - μια διχάλα ή χωρισμός στα δύο - στη σύγχρονη επιστημονική ορολογία χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη συμπεριφορά πολύπλοκων συστημάτων που υπόκεινται σε κρούσεις και καταπονήσεις. Σε μια συγκεκριμένη στιγμή, τέτοια συστήματα πρέπει να κάνουν μια κρίσιμη επιλογή: να ακολουθήσουν είτε τον ένα είτε τον άλλο κλάδο ανάπτυξης. Το απλούστερο παράδειγμα συστήματος που βρίσκεται σε σημείο διακλάδωσης είναι η ασταθής ισορροπία μιας μπάλας στην επιφάνεια μιας κυρτής σφαίρας μεγάλης διαμέτρου. Η μπάλα μπορεί να κυλήσει από την επιφάνεια της σφαίρας προς οποιαδήποτε κατεύθυνση και σχεδόν οποιαδήποτε στιγμή. Στο εξεταζόμενο παράδειγμα με τα κύτταρα Benard, το σημείο διχασμού είναι η τυχαία εμφάνιση δεξιόστροφων ή αριστερόστροφων κυττάρων σε ένα ρευστό. Παρόμοια εικόνα παρατηρείται και στη βιολογική εξέλιξη: μια τυχαία μετάλλαξη, που θα οδηγήσει σε μια ποιοτική μη αναστρέψιμη αναδιάρθρωση του οργανισμού, είναι, στη γλώσσα των συνεργειών, ένα σημείο διχοτόμησης. Έτσι, η έννοια της διχοτόμησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει αλλαγές σε μια μεγάλη ποικιλία συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων περιβαλλοντικών και κοινωνικών.

Τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά του σημείου διακλάδωσης είναι ότι, πρώτον, η διέλευση από αυτό μεταφέρει το σύστημα σε μια ποιοτικά νέα κατάσταση και, δεύτερον, είναι αδύνατο να γνωρίζουμε εκ των προτέρων ποια κατεύθυνση θα αναπτυχθεί το σύστημα, δηλαδή, η διχοτόμηση δεν είναι μοναδική προσδιορίζεται.

Πρέπει να γίνει ξεκάθαρα κατανοητό ότι η κύρια ιδέα της συνεργικής είναι να περιγράψει τη δυνατότητα αυθόρμητης (χωρίς την παρέμβαση του ανθρώπινου μυαλού) εμφάνισης διατεταγμένων δομών από άτακτη ή, σύμφωνα με τα λόγια του I. Prigogine, «τάξη από το χάος. ".

») γύρω στον 5ο αιώνα. προ ΧΡΙΣΤΟΥ μι. Προφανώς, ένα από τα πρώτα αντικείμενα της έρευνάς της ήταν μια μηχανική ανυψωτική μηχανή, η οποία χρησιμοποιήθηκε στο θέατρο για να ανεβοκατεβάζει τους ηθοποιούς που απεικονίζουν τους θεούς. Εξ ου και το όνομα της επιστήμης.

Οι άνθρωποι έχουν από καιρό παρατηρήσει ότι ζουν σε έναν κόσμο κινούμενων αντικειμένων - δέντρα ταλαντεύονται, πουλιά πετούν, πλοία πλέουν, βέλη που εκτοξεύονται από ένα τόξο χτυπούν στόχους. Οι λόγοι για τέτοια μυστηριώδη φαινόμενα απασχόλησαν τότε το μυαλό των αρχαίων και μεσαιωνικών επιστημόνων.

Το 1638, ο Galileo Galilei έγραψε: «Δεν υπάρχει τίποτα στη φύση παλαιότερο από την κίνηση, και οι φιλόσοφοι έχουν γράψει αρκετούς και σημαντικούς τόμους γι' αυτήν». Οι αρχαίοι και ιδιαίτερα οι επιστήμονες του Μεσαίωνα και της Αναγέννησης (Ν. Κοπέρνικος, Γ. Γαλιλαίος, Ι. Κέπλερ, Ρ. Ντεκάρτ κ.λπ.) ερμήνευαν ήδη σωστά ορισμένα θέματα κίνησης, αλλά γενικά δεν υπήρχε σαφής κατανόηση των νόμων. της κίνησης στην εποχή του Γαλιλαίου.

Το δόγμα της κίνησης των σωμάτων εμφανίζεται για πρώτη φορά ως μια αυστηρή, συνεπής επιστήμη, χτισμένη, όπως η γεωμετρία του Ευκλείδη, σε αλήθειες που δεν απαιτούν απόδειξη (αξιώματα), στο θεμελιώδες έργο του Ισαάκ Νεύτωνα «The Mathematical Principles of Φυσική Φιλοσοφία», που δημοσιεύτηκε το 1687. Αξιολογώντας τη συμβολή των προκατόχων επιστημόνων της επιστήμης, ο μεγάλος Νεύτων είπε: «Αν έχουμε δει πιο μακριά από άλλους, είναι επειδή σταθήκαμε στους ώμους γιγάντων».

Κίνηση γενικά, κίνηση ανεξάρτητα από οτιδήποτε, δεν υπάρχει και δεν μπορεί να υπάρξει. Η κίνηση των σωμάτων μπορεί να συμβεί μόνο σε σχέση με άλλα σώματα και τους χώρους που συνδέονται με αυτά. Επομένως, στην αρχή του έργου του, ο Νεύτωνας λύνει το θεμελιωδώς σημαντικό ερώτημα του χώρου σε σχέση με τον οποίο θα μελετηθεί η κίνηση των σωμάτων.

Για να δώσει συγκεκριμένο χώρο σε αυτόν τον χώρο, ο Newton συνδέει μαζί του ένα σύστημα συντεταγμένων που αποτελείται από τρεις αμοιβαία κάθετους άξονες.

Ο Νεύτωνας εισάγει την έννοια του απόλυτου χώρου, την οποία ορίζει ως εξής: «Ο απόλυτος χώρος από την ίδια του την ουσία, ανεξάρτητα από οτιδήποτε εξωτερικό, παραμένει πάντα ο ίδιος και ακίνητος». Ο ορισμός του χώρου ως ακίνητου είναι πανομοιότυπος με την υπόθεση της ύπαρξης ενός απολύτως ακίνητου συστήματος συντεταγμένων, σε σχέση με το οποίο εξετάζεται η κίνηση των υλικών σημείων και των στερεών σωμάτων.

Ως τέτοιο σύστημα συντεταγμένων, ο Νεύτων πήρε ηλιοκεντρικό σύστημα, την αρχή του οποίου τοποθέτησε στο κέντρο, και κατεύθυνε τρεις νοητούς αμοιβαία κάθετους άξονες σε τρία «σταθερά» αστέρια. Αλλά σήμερα είναι γνωστό ότι δεν υπάρχει τίποτα απολύτως ακίνητο στον κόσμο - περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του και γύρω από τον Ήλιο, ο Ήλιος κινείται σε σχέση με το κέντρο του Γαλαξία, ο Γαλαξίας - σε σχέση με το κέντρο του κόσμου κ.λπ.

Έτσι, μιλώντας αυστηρά, δεν υπάρχει απολύτως σταθερό σύστημα συντεταγμένων. Ωστόσο, η κίνηση των "σταθερών" αστεριών σε σχέση με τη Γη είναι τόσο αργή που για τα περισσότερα προβλήματα που επιλύονται από τους ανθρώπους στη Γη, αυτή η κίνηση μπορεί να παραμεληθεί και τα "σταθερά" αστέρια είναι πραγματικά σταθερά, και το απολύτως σταθερό σύστημα συντεταγμένων που προτείνει ο Νεύτων πραγματικά υπάρχει.

Σε σχέση με ένα απολύτως ακίνητο σύστημα συντεταγμένων, ο Νεύτων διατύπωσε τον πρώτο του νόμο (αξίωμα): «Κάθε σώμα συνεχίζει να διατηρείται σε κατάσταση ηρεμίας ή ομοιόμορφης ευθύγραμμης κίνησης, έως ότου και εφόσον δεν αναγκαστεί από τα εφαρμοσμένα να αλλάξει αυτό. κατάσταση."

Από τότε, υπήρξαν και συνεχίζουν να γίνονται προσπάθειες βελτίωσης της διατύπωσης του Newton εκδοτικά. Μία από τις διατυπώσεις ακούγεται ως εξής: «Ένα σώμα που κινείται στο διάστημα επιδιώκει να διατηρήσει το μέγεθος και την κατεύθυνση της ταχύτητάς του» (που σημαίνει ότι η ανάπαυση είναι κίνηση με ταχύτητα ίση με μηδέν). Εδώ έχει ήδη εισαχθεί η έννοια ενός από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά της κίνησης - μεταφορική, ή γραμμική, ταχύτητα. Η ταχύτητα γραμμής συνήθως συμβολίζεται με V.

Ας δώσουμε προσοχή στο γεγονός ότι ο πρώτος νόμος του Νεύτωνα μιλάει μόνο για μεταφορική (ευθύγραμμη) κίνηση. Ωστόσο, όλοι γνωρίζουν ότι στον κόσμο υπάρχει μια άλλη, πιο περίπλοκη κίνηση σωμάτων - καμπυλόγραμμη, αλλά γι 'αυτό αργότερα ...

Η επιθυμία των σωμάτων να «διατηρούνται στην κατάστασή τους» και «να διατηρούν το μέγεθος και την κατεύθυνση της ταχύτητάς τους» ονομάζεται αδράνεια, ή αδράνεια, τηλ. Η λέξη "αδράνεια" είναι λατινική, μεταφρασμένη στα ρωσικά σημαίνει "ειρήνη", "αδράνεια". Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι η αδράνεια είναι μια οργανική ιδιότητα της ύλης γενικά, «η έμφυτη δύναμη της ύλης», όπως είπε ο Newton. Είναι χαρακτηριστικό όχι μόνο της μηχανικής κίνησης, αλλά και άλλων φυσικών φαινομένων, όπως ηλεκτρικά, μαγνητικά, θερμικά. Η αδράνεια εκδηλώνεται τόσο στη ζωή της κοινωνίας όσο και στη συμπεριφορά των ατόμων. Αλλά πίσω στη μηχανική.

Το μέτρο της αδράνειας του σώματος κατά τη μεταφορική του κίνηση είναι η μάζα του σώματος, που συνήθως συμβολίζεται με m. Έχει διαπιστωθεί ότι στην περίπτωση της μεταφορικής κίνησης, η τιμή αδράνειας δεν επηρεάζεται από την κατανομή μάζας εντός του όγκου που καταλαμβάνει το σώμα. Αυτό δίνει τη βάση για την επίλυση πολλών προβλημάτων της μηχανικής για την αφαίρεση από τις συγκεκριμένες διαστάσεις του σώματος και την αντικατάστασή του με ένα υλικό σημείο, η μάζα του οποίου είναι ίση με τη μάζα του σώματος.

Η θέση αυτού του υπό όρους σημείου στον όγκο που καταλαμβάνει το σώμα ονομάζεται κέντρο μάζας του σώματος, ή, που είναι σχεδόν το ίδιο αλλά πιο οικείο, κέντρο βαρύτητας.

Το μέτρο της μηχανικής ευθύγραμμης κίνησης, που προτάθηκε από τον R. Descartes το 1644, είναι το μέγεθος της κίνησης, που ορίζεται ως το γινόμενο της μάζας του σώματος και της γραμμικής ταχύτητάς του: mV.

Κατά κανόνα, τα κινούμενα σώματα δεν μπορούν να διατηρήσουν το μέγεθος της ορμής τους αμετάβλητο για μεγάλο χρονικό διάστημα: τα αποθέματα καυσίμου καταναλώνονται κατά την πτήση, μειώνοντας τη μάζα αεροσκάφος, τα τρένα επιβραδύνουν και επιταχύνουν, αλλάζοντας την ταχύτητά τους. Ποια είναι η αιτία της αλλαγής της ορμής; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα δίνεται από τον δεύτερο νόμο (αξίωμα) του Νεύτωνα, ο οποίος στη σύγχρονη διατύπωσή του ακούγεται ως εξής: ο ρυθμός μεταβολής της ορμής ενός υλικού σημείου είναι ίσος με τη δύναμη που ασκείται σε αυτό το σημείο.

Άρα, η αιτία που προκαλεί την κίνηση των σωμάτων (αν mV = 0 στην αρχή) ή αλλάζει την ορμή τους (αν mV δεν είναι ίση με 0 στην αρχή) σε σχέση με τον απόλυτο χώρο (ο Νεύτωνας δεν έλαβε υπόψη άλλους χώρους) είναι δυνάμεις. Αυτές οι δυνάμεις έλαβαν αργότερα διευκρινιστικά ονόματα - φυσικός, ή Νευτώνεια, δύναμη. Συνήθως ονομάζονται F.

Ο ίδιος ο Νεύτωνας έδωσε τον ακόλουθο ορισμό των φυσικών δυνάμεων: «Εφαρμοσμένη δύναμη είναι μια ενέργεια που εκτελείται σε ένα σώμα προκειμένου να αλλάξει η κατάσταση ηρεμίας ή ομοιόμορφη ευθύγραμμη κίνησή του». Υπάρχουν πολλοί άλλοι ορισμοί της δύναμης. Ο Λ. Κούπερ και ο Ε. Ρότζερς - συγγραφείς υπέροχων δημοφιλών βιβλίων για τη φυσική, αποφεύγοντας τους βαρετούς αυστηρούς ορισμούς της δύναμης, εισάγουν τον δικό τους ορισμό με μια ορισμένη πονηριά: «Οι δυνάμεις είναι αυτό που τραβά και σπρώχνει». Δεν είναι απολύτως σαφές, αλλά εμφανίζεται κάποια ιδέα για το τι είναι η δύναμη.

Οι φυσικές δυνάμεις περιλαμβάνουν: δυνάμεις, μαγνητικές (βλ. άρθρο ""), δυνάμεις ελαστικότητας και πλαστικότητας, δυνάμεις αντίστασης του μέσου, φως και πολλές άλλες.

Εάν κατά τη διάρκεια της κίνησης του σώματος η μάζα του δεν αλλάξει (μόνο αυτή η περίπτωση θα εξεταστεί αργότερα), τότε η διατύπωση του δεύτερου νόμου του Νεύτωνα απλοποιείται πολύ: «Η δύναμη που ασκεί σε ένα υλικό σημείο είναι ίση με το γινόμενο της μάζας του το σημείο και η αλλαγή στην ταχύτητά του».

Μια αλλαγή στη γραμμική ταχύτητα ενός σώματος ή σημείου (σε μέγεθος ή κατεύθυνση - θυμηθείτε αυτό) ονομάζεται γραμμική επιτάχυνσησώματα ή σημεία και συνήθως συμβολίζεται με α.

Οι επιταχύνσεις και οι ταχύτητες με τις οποίες κινούνται τα σώματα σε σχέση με τον απόλυτο χώρο ονομάζονται απόλυτες επιταχύνσειςκαι ταχύτητες.

Εκτός από το απόλυτο σύστημα συντεταγμένων, μπορεί κανείς να φανταστεί (φυσικά, με κάποιες υποθέσεις) και άλλα συστήματα συντεταγμένων που κινούνται σε σχέση με το απόλυτο ευθύγραμμα και ομοιόμορφα. Εφόσον (σύμφωνα με τον πρώτο νόμο του Νεύτωνα) η ηρεμία και η ομοιόμορφη ευθύγραμμη κίνηση είναι ισοδύναμες, τότε οι νόμοι του Νεύτωνα ισχύουν σε τέτοια συστήματα, ιδίως στον πρώτο νόμο - νόμος της αδράνειας. Για το λόγο αυτό ονομάζονται συστήματα συντεταγμένων που κινούνται ομοιόμορφα και ευθύγραμμα σε σχέση με το απόλυτο σύστημα αδρανειακά συστήματα συντεταγμένων.

Ωστόσο, στα περισσότερα πρακτικά προβλήματα, οι άνθρωποι ενδιαφέρονται για την κίνηση των σωμάτων όχι σε σχέση με μακρινό και άυλο απόλυτο χώρο, ούτε καν σε σχέση με αδρανειακούς χώρους, αλλά σε σχέση με άλλα πιο κοντινά και αρκετά υλικά σώματα, για παράδειγμα, ένας επιβάτης σε σχέση με το σωμα του ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ. Αλλά αυτά τα άλλα σώματα (και οι χώροι και τα συστήματα συντεταγμένων που συνδέονται με αυτά) κινούνται από μόνα τους σε σχέση με τον απόλυτο χώρο με μη ευθύγραμμο και ανομοιόμορφο τρόπο. Τα συστήματα συντεταγμένων που σχετίζονται με τέτοια σώματα ονομάζονται κινητό. Ο L. Euler (1707-1783) ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε κινούμενα συστήματα συντεταγμένων για να λύσει πολύπλοκα προβλήματα στη μηχανική.

Με παραδείγματα κίνησης σωμάτων σε σχέση με άλλα κινούμενα σώματα, συναντιόμαστε συνεχώς στη ζωή μας. Τα πλοία πλέουν στις θάλασσες και τους ωκεανούς, κινούνται σε σχέση με την επιφάνεια της Γης, περιστρέφονται σε απόλυτο διάστημα. ο αγωγός κινείται σε σχέση με τα τοιχώματα του βιαστικού επιβατικού αυτοκινήτου, μεταφέροντας τσάι γύρω από το διαμέρισμα. το τσάι χύνεται από ένα ποτήρι με αιχμηρά χτυπήματα του αυτοκινήτου κ.λπ.

Να περιγράψει και να μελετήσει τόσο πολύπλοκα φαινόμενα, τις έννοιες φορητή κίνησηκαι σχετική κίνησηκαι τις αντίστοιχες φορητές και σχετικές ταχύτητες και επιταχύνσεις τους.

Στο πρώτο από τα παραπάνω παραδείγματα, η περιστροφή της Γης σε σχέση με τον απόλυτο χώρο θα είναι μεταφορική κίνηση και η κίνηση του πλοίου σε σχέση με την επιφάνεια της Γης θα είναι σχετική κίνηση.

Για να μελετήσουμε την κίνηση του αγωγού σε σχέση με τα τοιχώματα του αυτοκινήτου, πρέπει πρώτα να δεχθούμε ότι η περιστροφή της Γης δεν έχει σημαντική επίδραση στην κίνηση του αγωγού και επομένως η Γη σε αυτό το πρόβλημα μπορεί να θεωρηθεί ακίνητη. Στη συνέχεια η κίνηση του επιβατικού αυτοκινήτου - φορητή κίνησηκαι η κίνηση του αγωγού σε σχέση με το αυτοκίνητο - η κίνηση είναι σχετική. Με τη σχετική κίνηση, τα σώματα ενεργούν μεταξύ τους είτε απευθείας (με άγγιγμα) είτε σε απόσταση (για παράδειγμα, μαγνητικές και βαρυτικές αλληλεπιδράσεις).

Η φύση αυτών των επιρροών καθορίζεται από τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα (αξίωμα). Αν θυμηθούμε ότι ο Νεύτωνας ονόμασε τις φυσικές δυνάμεις που εφαρμόζονται στα σώματα δράση, τότε ο τρίτος νόμος μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: «Η δράση ισούται με αντίδραση». Πρέπει να σημειωθεί ότι η δράση εφαρμόζεται στο ένα και η αντίδραση εφαρμόζεται στο άλλο από τα δύο σώματα που αλληλεπιδρούν. Η δράση και η αντίδραση δεν είναι ισορροπημένες, αλλά προκαλούν επιταχύνσεις σωμάτων που αλληλεπιδρούν και το σώμα με μικρότερη μάζα κινείται με μεγαλύτερη επιτάχυνση.

Υπενθυμίζουμε επίσης ότι ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα, σε αντίθεση με τους δύο πρώτους, ισχύει σε οποιοδήποτε σύστημα συντεταγμένων, και όχι μόνο σε απόλυτα ή αδρανειακά.

Εκτός από την ευθύγραμμη κίνηση, η καμπυλόγραμμη κίνηση είναι ευρέως διαδεδομένη στη φύση, η απλούστερη περίπτωση της οποίας είναι η κίνηση σε κύκλο. Θα εξετάσουμε μόνο αυτή την περίπτωση στο μέλλον, ονομάζοντας την κίνηση κατά μήκος του κύκλου κυκλική κίνηση. Παραδείγματα κυκλικής κίνησης: η περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονά της, η κίνηση των θυρών και των ταλαντεύσεων, η περιστροφή αμέτρητων τροχών.

Η κυκλική κίνηση των σωμάτων και των υλικών σημείων μπορεί να συμβεί είτε γύρω από άξονες είτε γύρω από σημεία.

Η κυκλική κίνηση (όπως και η ευθύγραμμη) μπορεί να είναι απόλυτη, μεταφορική και σχετική.

Όπως η ευθύγραμμη, η κυκλική κίνηση χαρακτηρίζεται από ταχύτητα, επιτάχυνση, συντελεστή δύναμης, μέτρο αδράνειας, μέτρο κίνησης. Ποσοτικά, όλα αυτά τα χαρακτηριστικά εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την απόσταση από τον άξονα περιστροφής του σημείου περιστρεφόμενου υλικού. Η απόσταση αυτή ονομάζεται ακτίνα περιστροφής και συμβολίζεται r .

Στη γυροσκοπική τεχνολογία, η ροπή ορμής ονομάζεται συνήθως κινητική ροπή και εκφράζεται μέσω των χαρακτηριστικών της κυκλικής κίνησης. Έτσι, η κινητική ροπή είναι το γινόμενο της ροπής αδράνειας του σώματος (σε σχέση με τον άξονα περιστροφής) και της γωνιακής του ταχύτητας.

Φυσικά, οι νόμοι του Νεύτωνα ισχύουν και για την κυκλική κίνηση. Όπως εφαρμόζονται στην κυκλική κίνηση, αυτοί οι νόμοι θα μπορούσαν να διατυπωθούν κάπως απλοϊκά ως εξής.

Ο πρώτος νόμος: ένα περιστρεφόμενο σώμα τείνει να διατηρεί το μέγεθος και την κατεύθυνση της γωνιακής του ορμής σε σχέση με τον απόλυτο χώρο (δηλ. το μέγεθος και την κατεύθυνση της γωνιακής του ορμής).
Ο δεύτερος νόμος: η μεταβολή του χρόνου της στιγμής της ορμής (κινητική ροπή) είναι ίση με την εφαρμοζόμενη ροπή των δυνάμεων.
Ο τρίτος νόμος: η στιγμή της δράσης είναι ίση με τη στιγμή της αντίδρασης.

Ο λόγος που το σώμα αρχίζει να κινείται είναι η δράση σε αυτό το σώμα άλλων σωμάτων. Η μπάλα θα κυλήσει μόνο αν την χτυπήσετε. Ένα άτομο θα πηδήξει εάν σπρώξει από το πάτωμα. Μερικά σώματα ενεργούν σε απόσταση. Έτσι, η Γη προσελκύει τα πάντα γύρω, επομένως, αν απελευθερώσετε την μπάλα από τα χέρια σας, θα αρχίσει αμέσως να κινείται προς τα κάτω. Η ταχύτητα ενός σώματος μπορεί επίσης να αλλάξει μόνο όταν άλλα σώματα ενεργούν σε αυτό το σώμα. Για παράδειγμα, μια μπάλα αλλάζει απότομα την ταχύτητα κίνησής της όταν χτυπά σε έναν τοίχο και ένα πουλί κάνει μια απότομη στροφή, σπρώχνοντας τον αέρα μακριά με τα φτερά και την ουρά του.

Όλα τα παραπάνω παραδείγματα και πολλά άλλα που συναντάμε σε κάθε βήμα δείχνουν ότι ένα σώμα μπορεί να αλλάξει την ταχύτητά του μόνο όταν άλλα σώματα ενεργούν πάνω του. Και το αντίστροφο, εάν κανένα άλλο σώμα δεν ενεργεί στο σώμα, τότε το σώμα θα είναι σε ηρεμία ή θα κινείται ομοιόμορφα και ευθύγραμμα. Για πρώτη φορά, ο Γ. Γαλιλαίος κατέληξε σε αυτό το συμπέρασμα στις αρχές του 17ου αιώνα και έναν αιώνα αργότερα, ο Ι. Νεύτων το ονόμασε έναν από τους βασικούς νόμους της μηχανικής.

Η ικανότητα ενός σώματος να διατηρεί την ταχύτητά του ονομάζεται αδράνεια. Επομένως, ο νόμος που ανακάλυψε ο Γ. Γαλιλαίος και διατυπώθηκε από τον Ι. Νεύτωνα ονομάζεται νόμος της αδράνειας ή πρώτος νόμος του Νεύτωνα.

Ο νόμος της αδράνειας δεν ισχύει σε όλα τα πλαίσια αναφοράς. Για παράδειγμα, στο πλαίσιο αναφοράς που σχετίζεται με ένα κινούμενο αυτοκίνητο, ο οδηγός του αρχίζει να κινείται προς τα εμπρός κατά το απότομο φρενάρισμα, αν και κανένα σώμα δεν ενεργεί πάνω του. Στεκόμενοι σε έναν δίσκο που αρχίζει να περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του, νιώθουμε πώς κάποια άγνωστη δύναμη μας κάνει να κινηθούμε από το κέντρο αυτού του δίσκου. Προφανώς, σε αυτά τα δύο πλαίσια αναφοράς - ένα αυτοκίνητο πέδησης και έναν περιστρεφόμενο δίσκο, ο νόμος της αδράνειας δεν πληρούται.

Τα πλαίσια αναφοράς στα οποία πληρούται ο νόμος της αδράνειας ονομάζονται αδρανειακά συστήματα αναφοράς. Το πλαίσιο αναφοράς που σχετίζεται με τη Γη μπορεί να θεωρηθεί αδρανειακό, αν και, όπως γνωρίζετε, η Γη (όπως ο δίσκος σε ένα από τα προηγούμενα παραδείγματα) περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της, αλλά τόσο αργά που μόνο πολύ ακριβείς μετρήσεις δείχνουν ότι ο νόμος αδράνεια δεν παρατηρείται σε αυτό το πλαίσιο αναφοράς.

Εάν το σώμα αναφοράς κινείται ομοιόμορφα, ευθύγραμμα και μεταφορικά σε σχέση με το αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς, τότε το πλαίσιο αναφοράς που σχετίζεται με αυτό το σώμα είναι επίσης αδρανειακό. Ας το αποδείξουμε αυτό χρησιμοποιώντας τον κανόνα για τον μετασχηματισμό των ταχυτήτων κατά τη μετάβαση από το ένα πλαίσιο αναφοράς στο άλλο (βλ. § 2). Έστω η ταχύτητα του σώματος M (βλ. Εικ. 7), που μετράται στο πλαίσιο αναφοράς C 1, ίση με v 1, στη συνέχεια η ταχύτητα v2 του ίδιου σώματος, αλλά μετρημένη στο πλαίσιο αναφοράς C 2, κινούμενη σχετικά έως C 1 με ταχύτητα v, ισούται με:

v 2 = v 1 - v (7.1)

Από την (7.1) προκύπτει ότι οι αλλαγές στις ταχύτητες Dv 1 και Dv 2 στο χρονικό διάστημα Dt πρέπει να είναι οι ίδιες, αφού η ταχύτητα v παραμένει αμετάβλητη. Επομένως, οι τιμές επιτάχυνσης του σώματος M, που μετρώνται και στα δύο συστήματα αναφοράς, θα είναι επίσης ίδιες. Ειδικότερα, εάν το σώμα Μ, το οποίο δεν επηρεάζεται από άλλα σώματα, κινείται χωρίς επιτάχυνση, δηλαδή ομοιόμορφα, στο πλαίσιο αναφοράς C 1, τότε η κίνησή του ως προς το πλαίσιο C2 θα είναι επίσης ομοιόμορφη, πράγμα που σημαίνει ότι το πλαίσιο του Η αναφορά C 2 μπορεί επίσης να θεωρηθεί αδρανειακή. Έτσι, για παράδειγμα, αν θεωρήσουμε τη Γη ως αδρανειακό σύστημα αναφοράς, τότε ένα βαγόνι τρένου που κινείται ομοιόμορφα, ευθύγραμμα και προοδευτικά, μπορεί επίσης να θεωρηθεί αδρανειακό σύστημα αναφοράς.

Επιθεώρηση των ερωτήσεων:

Τι μελετά η δυναμική;

Ποιος είναι ο λόγος της επιτάχυνσης του σώματος;

· Να ορίσετε την αδράνεια ενός σώματος και να διατυπώσετε το νόμο της αδράνειας.

Ποια συστήματα αναφοράς ονομάζονται αδρανειακά;

· Δώστε παραδείγματα αδρανειακών πλαισίων αναφοράς και εκείνων στα οποία δεν τηρείται ο νόμος της αδράνειας.

Ρύζι. 7. Το πλαίσιο αναφοράς C2 είναι αδρανειακό, καθώς κινείται σε σχέση με το αδρανειακό πλαίσιο C1 μεταφορικά, ομοιόμορφα και ευθύγραμμα με ταχύτητα v. Δείχνεται μια μέθοδος για τον υπολογισμό της ταχύτητας v2 του σώματος Μ σε σχέση με το σύστημα C2 από τη γνωστή ταχύτητα v1 αυτού του σώματος στο σύστημα C1.

§ 8. ΔΥΝΑΜΗ - ΜΕΤΡΟ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΣΩΜΑΤΩΝ: ΕΙΔΗ ΔΥΝΑΜΕΩΝ ΚΑΙ Η ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΟΥΣ

Μέρος 2. Η δυναμική μελετά τους νόμους της κίνησης των σωμάτων και τις αιτίες που προκαλούν ή αλλάζουν αυτή την κίνηση. Απαντά στην ερώτηση: Γιατί αλλάζει η κίνηση του σώματος;

Μέρος 3. Η στατική μελετά τις συνθήκες (νόμους) ισορροπίας ενός σώματος ή συστήματος σωμάτων. Απαντά στην ερώτηση: Τι είναι απαραίτητο για να μην κινείται το σώμα;

Μέρος 4. Οι νόμοι διατήρησης ορίζουν θεμελιώδεις αμετάβλητες σε όλες τις αλλαγές. Απαντούν στην ερώτηση: Τι αποθηκεύεται στο σύστημα όταν γίνονται αλλαγές σε αυτό;

Το αντικείμενο της εξέτασης είναι ένα σώμα ή ένα σύστημα σωμάτων. Για παράδειγμα, υπάρχει διαφορά στο τι ονομάζεται ώθηση ενός σώματος και τι είναι η ώθηση ενός συστήματος σωμάτων. Δώστε κατάλληλους ορισμούς!

Υλικό σημείοείναι ένα μοντέλο σώματος με μάζα, οι διαστάσεις του οποίου μπορούν να αγνοηθούν σε αυτό το πρόβλημα. Η μελέτη της κίνησης ενός αυθαίρετου σώματος (που έχει διαστάσεις και κάποια μορφή) ανάγεται στη μελέτη της κίνησης ενός συστήματος υλικών σημείων.

Μεθοδικές οδηγίες.Σημειωτέον ότι βασικά όλα όσα μελετώνται σε επίπεδο δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης αναφέρονται μόνο σε μηχανική υλικών σημείων. Έτσι, οι συντεταγμένες ορίζουν μόνο τη θέση έναςσημεία, και αν εννοούμε ένα σώμα που έχει πάντα κάποιες διαστάσεις, τότε είναι αδύνατο να ορίσουμε τη θέση του χρησιμοποιώντας ένα τριπλό (στο διάστημα) συντεταγμένων! Μπορείτε να υποδείξετε μόνο τη θέση ορισμένων από τα σημεία του, πιο συχνά σημαίνει το κέντρο μάζας (σημείο C) αυτού του σώματος.

Επιπλέον, η έννοια του όρου «απόσταση» (στην περίπτωση που μιλάμε για δύο αντικείμενα) συνοψίζεται πάντα σε απόσταση μεταξύ δύο σημείων. Αν δύο σώματα έχουν σχήμα μπάλες, τότε η απόσταση μεταξύ τους μπορεί να ληφθεί ως η απόσταση μεταξύ των σημείων των κέντρων τους. Για παράδειγμα, εάν λάβουμε υπόψη την κίνηση της Γης γύρω από τον Ήλιο, τότε, αγνοώντας τις γραμμικές διαστάσεις αυτών των σωμάτων, η μεταξύ τους απόσταση λαμβάνεται ως η απόσταση μεταξύ των σημείων των κέντρων βάρους τους (υποθέτοντας ότι η Γη και ο Ήλιος είναι μπάλες συμμετρικές σε πυκνότητα, βρίσκουμε ότι το κέντρο βάρους καθενός από αυτά συμπίπτει στη θέση του στο χώρο με το γεωμετρικό του κέντρο). Εάν τα σχήματα των σωμάτων είναι αυθαίρετα, τότε, πιθανότατα, η μεταξύ τους απόσταση θα θεωρείται η μικρότερη απόσταση μεταξύ δύο σημείων της επιφάνειάς τους.

Από αυτή την άποψη, η χρήση του μοντέλου υλικού σημείου θεωρητικά μας σώζει από πολλές ενοχλήσεις και ασάφειες. Αλλά είναι επίσης σημαντικό να παρακολουθείτε πόσο διαφέρουν τα αποτελέσματα που λαμβάνονται χρησιμοποιώντας αυτήν την αφαίρεση από αυτό που είναι στην πραγματικότητα. Με άλλα λόγια, πόσο ακριβή ανταποκρίνεται το μοντέλο στην πραγματική υπό μελέτη κατάσταση. Η ανάγκη εισαγωγής αφαιρέσεων (μοντέλων) οφείλεται συχνά στην απαίτηση χρήσης ακριβούς μαθηματικού μηχανισμού.

Εάν το σώμα διαμορφώνεται από ένα υλικό σημείο, τότε μπορεί να κινηθεί με έναν από τους παρακάτω απλούς 1 τρόπους:

ευθεία και ομοιόμορφα

ευθύγραμμο με σταθερή επιτάχυνση (ομοιόμορφα μεταβλητό),

ομοιόμορφα γύρω από την περιφέρεια

γύρω από τον κύκλο με επιτάχυνση,

ταλάντωση - περιοδική κίνηση ή κίνηση με επανάληψη.

Η κίνηση ενός σώματος που ρίχνεται υπό γωνία ως προς τον ορίζοντα είναι μια σύνθετη μορφή κίνησης: =1+2, δηλ. ομοιόμορφα κατά μήκος του άξονα Χκαι εξίσου κατά μήκος του άξονα στο. Η προσθήκη αυτών των κινήσεων δίνει μια κίνηση αυτού του τύπου.

Εάν το σώμα μοντελοποιείται ως ATT, τότε οι τύποι κίνησης είναι διαφορετικοί και αυτό αντικατοπτρίζεται στην ορολογία.

μεταφραστική κίνηση - κίνηση κατά την οποία κάθε ευθεία γραμμή που συνδέεται άκαμπτα με το κινούμενο σώμα παραμένει παράλληλη στην αρχική του θέση. Οι τροχιές όλων των σημείων είναι ακριβώς οι ίδιες (εντελώς συνδυασμένες), οι παράμετροι κίνησης είναι ίδιες ανά πάσα στιγμή. Επομένως, για να περιγράψουμε τη μεταφορική κίνηση του ΑΤΤ, αρκεί να περιγράψουμε την κίνηση οποιουδήποτε από τα σημεία του.

περιστροφική κίνηση- μια κίνηση κατά την οποία όλα τα σημεία του σώματος κινούνται κατά μήκος κύκλων, τα κέντρα των οποίων βρίσκονται σε μια ευθεία γραμμή, που ονομάζεται άξονα περιστροφής.Όλα τα σημεία έχουν τα ίδια γωνιακά χαρακτηριστικά κίνησης και διαφορετικά γραμμικά.

Για να περιγράψετε τη μηχανική κίνηση, χρειάζεστε τα δικά σας μέσα. Η ολότητά τους ονομάζεται πλαίσιο αναφοράς.

Το να ληφθεί υπόψη η σχετικότητα της κίνησης περιλαμβάνει τον καθορισμό της θέσης ενός υλικού σημείου σε σχέση με κάποιο άλλο, αυθαίρετα επιλεγμένο σώμα, που ονομάζεται όργανο αναφοράς.Συνδέεται με ένα σύστημα συντεταγμένων. Σύστημα αναφοράς- ένα σύνολο σώματος αναφοράς, σύστημα συντεταγμένων και ρολόι. Η αρχή της αντίστροφης μέτρησης ξεκινά από τη στιγμή που το ρολόι «ενεργοποιείται» (θα κατανοήσουμε το ρολόι ως συσκευή μέτρησης χρονικών διαστημάτων). Οι έννοιες «στιγμή του χρόνου» και «χρονικό διάστημα» είναι διαφορετικές! Η τιμή του χρονικού διαστήματος δεν εξαρτάται από ποιο ρολόι μετράται (αν όλα τα εν λόγω ρολόγια μετρούν τον χρόνο στις ίδιες μονάδες). Το χρονικό σημείο, αντίθετα, καθορίζεται πλήρως από το πότε το ρολόι «ήταν αναμμένο», δηλ. θέση ώρα έναρξης.

Μπορείτε να περιγράψετε την κίνηση σε διάφορες γλώσσες:

Ο τύπος που εκφράζει την εξάρτηση των συντεταγμένων του σώματος (ή την απόσταση που διανύθηκε) από τον χρόνο ονομάζεται ο νόμος της κίνησης.

Σχόλιο . Η σχετικότητα της κίνησης εκφράζεται στο γεγονός ότι η θέση (συντεταγμένη ή απόσταση από το σώμα αναφοράς), η ταχύτητα και ο χρόνος κίνησης του εξεταζόμενου σώματος μπορεί να διαφέρουν σε διαφορετικά συστήματα αναφοράς. Από αυτή την άποψη, ο τύπος για τον νόμο της κίνησης του ίδιου αντικειμένου έχει διαφορετική μορφή σε διαφορετικά συστήματα αναφοράς, δηλ. η μορφή καταγραφής του νόμου της κίνησης (του ίδιου τύπου κίνησης) εξαρτάται από την επιλογή της θέσης των απαρχών του χρόνου και της απόστασης (και στην περίπτωση καθορισμού μιας συντεταγμένης, επίσης από την επιλογή της θετικής κατεύθυνσης του άξονας συντεταγμένων). Τις περισσότερες φορές, σε σχέση με αυτό, η επιλεγμένη προέλευση της χρονικής αναφοράς συμπίπτει με την αρχή της εξεταζόμενης κίνησης του σώματος και η αρχή των συντεταγμένων τοποθετείται στο σημείο της αρχικής θέσης αυτού του σώματος.

Σημειώνουμε επίσης ότι ο τύπος της κίνησης ενός σώματος μπορεί να είναι διαφορετικός όταν θεωρείται σε σχέση με διαφορετικά συστήματα αναφοράς.

Τροχιά–γραμμήκατά μήκος του οποίου κινείται το σώμα.

Μονοπάτι–μήκοςτροχιές (απόσταση που διανύει το σώμα κατά μήκος της τροχιάς). κλιμακωτή μη αρνητική τιμή. ορίζω μεγάλο, ωρες ωρες μικρό.

Π
μετατόπιση–διάνυσμα, συνδέοντας την αρχική και την τελική θέση του σώματος. ορίζω .

Ταχύτητα–διάνυσμαφυσική ποσότητα (που χαρακτηρίζει την αλλαγή στη θέση ενός σημείου), ίσοςη πρώτη παράγωγος της διαδρομής (ή η συντεταγμένη) ως προς το χρόνο και σκηνοθετημένοςεφαπτομενικά στη διαδρομή προς την κατεύθυνση της κίνησης. ορίζω .Σχόλιο. Ταχύτητα πάντακατευθύνεται εφαπτομενικά στην τροχιά στο αντίστοιχο σημείο προς την κατεύθυνση της κίνησης.

Μέση ταχύτητα -μια τιμή ίση με την αναλογία ολόκληρης της διαδρομής προς το χρόνο που αφιερώθηκε στο πέρασμά της (αντιστοιχεί σε ορισμένες διάστημαχρόνος). Στιγμιαία Ταχύτηταχαρακτηρίζει την ταχύτητα σε ορισμένους στιγμήχρόνος.

Στο επιτάχυνση–διάνυσματην τιμή που χαρακτηρίζει την αλλαγή της ταχύτητας (κατά τιμή ισοδυναμείτην πρώτη παράγωγο της ταχύτητας ως προς το χρόνο ή τη δεύτερη παράγωγο της διαδρομής (ή τις συντεταγμένες) ως προς το χρόνο· Απεσταλμέναόπως ο καλών εξουσία).

Μεθοδικές οδηγίες.Πρέπει να τονιστεί ότι στη φυσική είναι απαραίτητο να γίνει ξεκάθαρη διάκριση μεταξύ δύο τύπων μεγεθών: ενός διανύσματος και ενός βαθμωτού. Ένα κλιμακωτό φυσικό μέγεθος καθορίζεται πλήρως από την τιμή του (μερικές φορές λαμβάνοντας υπόψη το σύμβολο "+" ή "-"). Το διανυσματικό φυσικό μέγεθος προσδιορίζεται τουλάχιστον δύοΧαρακτηριστικά: αριθμητική αξία (μια αριθμητική τιμή ονομάζεται μερικές φορές μέτρο συντελεστή μιας διανυσματικής ποσότητας· σε μια συγκεκριμένη κλίμακα, ισούται με το ΜΗΚΟΣ του τμήματος που την αντιπροσωπεύει και επομένως είναι πάντα θετικός αριθμός) και κατεύθυνση (που μπορεί απεικονίζωστο σχήμα ή ρυθμίστε αριθμητικά τη γωνία που σχηματίζει αυτό το διάνυσμα με οποιαδήποτε επιλεγμένη κατεύθυνση: ορίζοντα, κατακόρυφο κ.λπ.). Θα πούμε ότι ένα διάνυσμα (διανυσματικό φυσικό μέγεθος) είναι γνωστό αν μπορούμε να πούμε επακριβώς για αυτό: 1) με τι ισούται, ΚΑΙ 2) πώς κατευθύνεται. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό να το έχετε κατά νου όταν αναλύετε αλλαγές σε οποιαδήποτε διανυσματική φυσική ποσότητα!

Κατά την επίλυση προβλημάτων, είναι δυνατές οι ακόλουθες καταστάσεις: 1) μιλάμε για διανυσματική ποσότητα (ταχύτητα, δύναμη, επιτάχυνση κ.λπ.), αλλά εξετάζουμε μόνο το νόημά του(η κατεύθυνση σε αυτή την περίπτωση είναι είτε προφανής, είτε δεν είναι σημαντική, είτε απλά δεν απαιτεί ορισμό κ.λπ.). Αυτό μπορεί, ειδικότερα, να αποδειχθεί από την ερώτηση της εργασίας (για παράδειγμα, «Πόσο γρήγορα vκινείται…», δηλ. δίνεται μόνο η ονομασία μονάδα μέτρησηςΤαχύτητα. 2) Απαιτείται να βρεθεί η τιμή ως διάνυσμα: «Τι είναι η ταχύτητα v σώματα;» όπου έντονοι πλάγιοι χαρακτήρες υποδηλώνουν διανυσματικές ποσότητες. 3) Δεν υπάρχει άμεση ένδειξη για το είδος της αναζήτησης: «Πόση είναι η ταχύτητα του σώματος;». Σε αυτήν την περίπτωση, εάν οι εργασίες που δίνονται το επιτρέπουν, είναι απαραίτητο να δοθεί μια πλήρης απάντηση (όπως για ένα διάνυσμα), με βάση ορισμοί(ταχύτητα κ.λπ.).

Αριστοτέλης - η κίνηση είναι δυνατή μόνο υπό τη δράση της δύναμης. ελλείψει δυνάμεων, το σώμα θα είναι σε ηρεμία.

Galileo - το σώμα μπορεί να συνεχίσει να κινείται ακόμη και χωρίς δυνάμεις. Απαιτείται δύναμη για να εξισορροπηθούν άλλες δυνάμεις, όπως η τριβή

Newton - διατύπωσε τους νόμους της κίνησης

Οι νόμοι του Νεύτωνα ισχύουν μόνο σε αδρανειακά συστήματα αναφοράς.

Αδρανειακή - συστήματα αναφοράς στα οποία ικανοποιείται ο νόμος της αδράνειας (το σώμα αναφοράς βρίσκεται σε ηρεμία ή κινείται ομοιόμορφα και ευθύγραμμα)

Μη αδρανειακό - ο νόμος δεν πληρούται (το σύστημα κινείται ανομοιόμορφα ή καμπυλόγραμμα)

Ο πρώτος νόμος του Νεύτωνα: Το σώμα βρίσκεται σε ηρεμία ή κινείται ομοιόμορφα και ευθύγραμμα εάν η δράση άλλων σωμάτων αντισταθμίζεται (ισορροπημένη)

(Ένα σώμα θα κινείται ομοιόμορφα ή θα είναι σε ηρεμία αν το άθροισμα όλων που εφαρμόζεται στο σώμα είναι μηδέν)

Δεύτερος νόμος του Νεύτωνα: Η επιτάχυνση με την οποία κινείται ένα σώμα είναι ευθέως ανάλογη με το αποτέλεσμα όλων των δυνάμεων που ασκούνται στο σώμα, αντιστρόφως ανάλογη με τη μάζα του και κατευθύνεται με τον ίδιο τρόπο με τη δύναμη που προκύπτει:

Βάροςείναι μια ιδιότητα ενός σώματος που χαρακτηρίζει την αδράνειά του. Με την ίδια πρόσκρουση από τα γύρω σώματα, το ένα σώμα μπορεί να αλλάξει γρήγορα την ταχύτητά του και το άλλο, υπό τις ίδιες συνθήκες, πολύ πιο αργά. Συνηθίζεται να λέμε ότι το δεύτερο από αυτά τα δύο σώματα έχει μεγαλύτερη αδράνεια ή, με άλλα λόγια, το δεύτερο σώμα έχει μεγαλύτερη μάζα.

Εξουσίαείναι ένα ποσοτικό μέτρο της αλληλεπίδρασης των σωμάτων. Η δύναμη είναι η αιτία της αλλαγής της ταχύτητας ενός σώματος. Στη Νευτώνεια μηχανική, οι δυνάμεις μπορούν να έχουν διάφορες φυσικές αιτίες: δύναμη τριβής, δύναμη βαρύτητας, ελαστική δύναμη, κ.λπ. Η δύναμη είναι ένα διανυσματικό μέγεθος. Το διανυσματικό άθροισμα όλων των δυνάμεων που ασκούνται σε ένα σώμα ονομάζεται δύναμη που προκύπτει.