Эпоха Просвещения. Формирование законов классической механики

Эпоха Просвещения охватывает период с середины XVII до начала XIX в. Выдающиеся открытия Коперника, Кеплера, Галилея способствовали распространению в обществе веры в безграничные возможности науки и образования для решения лю бых проблем. Природа стала рассматриваться как образец для построения общества по естественным законам. В европейских странах получение образование постепенно становится правом человека. В работах выдающихся просветителей этой эпохи {Вольтер, Ж. Ж. Руссо, Д. Дидро, Г. В. Лейбниц, К. Томазий, Б. Франклин, Я. А. Коменский и многие др.) отражаются идеи равенства людей, отстаиваются права человека на свободу в мыслях и действиях.

Эпоха Просвещения характеризуется становлением науки как социального института. Возникают первые научные общества и академии. Германская академия естествоиспытателей «Лео-польдина» (1652), Флорентийская академия эксперимента (1657), Лондонское королевское общество (1660), Парижская академия наук (1666), Прусская академия наук (1700), Петербургская академия наук (1724). В 1765 г. открывается первая в мире Горная академия во Фрейбурге (Саксония). На средства государств организуются обсерватории в Париже, Гринвиче, Москве, Петербурге. Открываются естественнонаучные музеи, ботанические сады. В 1665 г. основан первый научный журнал (Париж). Научная деятельность становится профессией, а сама наука - общественным достоянием.

К середине XVII в. сложилось мнение, что мир создан Творцом, все в нем устроено очень разумно, как в хорошем механизме, который работает в соответствии с однажды заложенной программой. Считалось, что цель науки - поиск истины, т. е. достоверного знания о предметах и явлениях, существующих независимо от человека. В эпоху Просвещения ученые строили свои выводы на основании данных, полученных в ходе экспериментов и опытов. Они стремились обнаружить между предметами и явлениями то общее, что связывает их. Когда удавалось выразить устойчивую взаимосвязь математически, это означало открытие закона. Наиболее значительными для этого этапа развития естествознания стали законы одного из величайших ученых в истории человечества - Исаака Ньютона.

И. Ньютон

Научная деятельность гениального английского ученого протекала в основном в Кембридже, где в 1669 г. он стал профессором математики и в течение 32 лет возглавлял физико-математическую кафедру. Первые открытия в области математики и физики были им сделаны в 24 года. Работы Ньютона относятся к механике, оптике, астрономии, математике. Его науч ное наследие чрезвычайно разнообразно. Он разработал дифференциальное и интегральное исчисления, с помощью собственноручно построенных зеркальных телескопов провел важные астрономические наблюдения, внес большой вклад в развитие оптики. Ньютон сформулировал три основных закона движения, которые легли в основу механики как науки.

Все законы механики формулируются достаточно просто. Как не вспомнить Ньютона: «Природа проста и не роскошествует излишними причинами».

Первый закон механики Ньютона - всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил. Стремление тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью, поэтому первый закон Ньютона называется законом инерции.

При одинаковых воздействиях различные тела неодинаково изменяют скорость своего движения, т. е. приобретают различные ускорения. Ускорение зависит не только от величины воздействия, но и от свойств самого тела (от его массы). Физическая величина, характеризующая инертность тела, - его масса. Масса - это количество вещества в теле. Масса тела - физическая величина, являющаяся одной из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные (инертная масса) и гравитационные (гравитационная масса) свойства. В настоящее время можно считать доказанным, что инертная и гравитационная массы равны друг другу.

Чтобы описывать воздействия, упоминаемые в первом законе Ньютона, вводится понятие силы. В каждый момент времени сила характеризуется числовым значением, направлением в пространстве и точкой приложения. Сила - это векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел, в результате которого тело приобретает ускорение (динамическое проявление силы) или изменяет свою форму и размеры (статическое проявление силы). Первый закон Ньютона выполняется не во всякой системе отсчета, а те системы, по отношению к которым он выполняется, называются инерциальными системами отсчета. Первый закон Ньютона утверждает существование инерциальных систем.

Сущность второго закона механики Ньютона состоит в том, что приобретаемое телом под действием какой-то силы ускорение прямо пропорционально этой действующей силе и обрат но пропорционально массе тела, т. е. произведение массы тела на ускорение равно действующей силе. В классической механике масса не меняется с изменением скорости. Векторная величина, численно равная произведению массы материальной точки на ее скорость и имеющая направление скорости, называется импульсом (количеством движения) этой материальной точки. Поэтому второй закон Ньютона можно сформулировать по-другому: скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на нее силе или сила равна изменению импульса в единицу времени.

Третий закон механики - это закон равенства действия и противодействия. Этот закон гласит, что силы действия двух тел друг на друга всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны. Силы могут действовать на расстоянии или быть контактными, например, как сила трения.

Новым в системе Ньютона стало понятие силы не просто как некоего действия, а как величины. Законы Ньютона связывали силу не с движением, а с изменением движения. Это сделало динамику основой теоретической физики. Кроме поступательного движения существует вращательное движение. При изучении вращения тел пользуются понятиями «момент силы» и «момент импульса». Момент силы (вращательный, крутящий момент) характеризует вращательное действие силы на материальную точку. Момент импульса (угловой, орбитальный момент) характеризует количество вращательного движения. Эти физические величины определяются произведением радиуса-вектора соответственно на силу или на импульс. Согласно второму закону Ньютона момент силы равен изменению момента импульса в единицу времени.

Закон всемирного тяготения. Система законов движения была дополнена открытым Ньютоном законом всемирного тяготения. Ньютон при формулировке этого закона использовал законы движения планет, открытые Кеплером: «Силы, которыми главные планеты отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к Солнцу и обратно пропорциональны квадратам расстояний до центра его». Подтверждением закона всемирного тяготения являются: объяснение движений Луны, сплюснутость Земли у полюсов, предсказание возвращения кометы Галлея, открытие ряда планет (Нептун, Плутон) и др. Закон всемирного тяготения имеет всеобщий характер: «Все тела, независимо от их свойств, испытывают притяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними».

F = Gmim.2 / R2,

где F - сила, направленная вдоль прямой, соединяющей материальные точки; G - гравитационная постоянная (универсальная мировая константа). Значение этой константы было измерено английским физиком Генри Кавендишем в 1798 г. и составило 6,67 • КГ11 Н • м2/кг.

Важно различать вес и массу. Масса - это свойство вещества, т. е. мера количества содержащегося в ней вещества. Масса тела остается неизменной повсюду, поскольку тело содержит одно и то же количество атомов независимо от того, находится ли оно на Земле, Луне или в космическом пространстве. Вес характеризует силу, действующую на опору. Если опора двигается с ускорением, то вес может меняться, а масса остается неизменной. В общем случае связь между весом и массой такова: вес равен произведению массы тела на ускорение силы тяжести, определенное в том месте, где производится измерение. Это означает, что масса является не только мерой инертности, но и мерой гравитации. Ньютон с достаточной точностью показал равенство инертной и гравитационной масс.

Сила тяготения является дальнодействующей. Дальнодействие - это представление о мгновенной передаче действия тел друг на друга через пустоту на любые расстояния. Ньютон показал, что огромное множество самых разнообразных явлений и процессов можно объяснить, если принять гипотезу о существовании силы всемирного тяготения (гравитации). Подробные вычисления были выполнены им с помощью оригинальных математических методов.

В отличие от Кеплера, который полагал, что движение тел в Солнечной системе определяется только действием одного Солнца, Ньютон объяснил возмущенное движение как следствие взаимного воздействия планет и спутников друг на друга, т. е. как следствие устройства самой Солнечной системы. Ньютон окончательно утвердил идентичность небесных и земных движений и сил. Ни одно из всех ранее сделанных научных открытий не оказало такого громадного влияния на дальнейшее развитие естествознания, как открытие первого универсального закона природы - закона всемирного тяготения.

В 1687 г. вышел в свет главный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», заложивший основы современной теоретической физики. В своей знаменитой работе

Ньютон предложил ученому миру научно-исследовательскую программу, которая вскоре стала ведущей в Европе. Свою научную программу Ньютон назвал экспериментальной философией, подчеркнув этим решающее значение эксперимента в изучении природы.

Ньютон был последовательным сторонником атомистической теории, убежденным, что все вещество состоит из твердых, непроницаемых, подвижных корпускул. Он полагал, что корпускулярные свойства присущи также и свету. Однако он критиковал концепции атомистов и утверждал, что только из одних неупорядоченных механических движений частиц не могла возникнуть вся сложная организация мира. Он считал, что материя сама по себе пассивна и не способна к движению. Поэтому для объяснения начала орбитального движения планет он был вынужден допустить божественную силу.

В 1696 г. Ньютон был назначен смотрителем Монетного двора, а в 1699 г. - его директором. В том же году он был избран членом Парижской академии наук. В 1701 г. Ньютона избрали членом парламента, а в 1703-м он стал президентом Лондонского королевского общества. Через два года королева Анна возвела Ньютона в рыцарское достоинство. Исаак Ньютон умер в Кенсингтоне (ныне часть Лондона) и похоронен в Вестминстерском аббатстве.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >