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古典力学

古典力学是物理学的一个分支,根据以撒牛顿的力学定律来处理身体运动。古典力学描述了点质量(无限小物体)和刚体(大对象旋转但不能改变形状)的运动。虽然没有物体是真正的点质量或完全刚性的,但是通过近似它们,经典力学准确地描述了物体从分子到星系的运动。古典力学有效地描述了量子或相对论效应可忽略的系统,它是科学中最古老的科目之一。

使用几个方程式,科学家们可以描述一个球飞过空中的动作和磁铁的拉动,并预测月球的月食。日常物体的运动和影响它们的力量的数学研究被称为经典力学。古典力学通常被称为牛顿力学,因为几乎整个研究都建立在艾萨克牛顿的作品上。经典力学核心的一些数学规律和原则包括:

牛顿的第一法律法规:休息的身体将保持休息,一个运动的机构除非被外力作用,否则将保持动议。

牛顿的第二定律:作用在物体上的净力等于该物体的质量乘以其加速度。

牛顿第三定律:对于每一个动作,都有一个平等和相反的反应。

牛顿的通用重力定律:两个物体之间的重力拉力将与物体的质量成正比,并且与物体质心之间的距离的平方成反比。

能源保护法:能源不能被创造或消灭,而是从一种形式变为另一种形式;例如,机械能转化为热能。

动量守恒定律:在没有摩擦等外力的情况下,物体碰撞时,碰撞前的总动量与碰撞后的总动量相同。

伯努利的原理:在流体流动的连续流线中,流体的静水压力将与其速度和高度相反。

古典力学准确地描述了大多数“正常”对象的行为。根据加利福尼亚大学戴维斯分校化学系的“动态化学电子教科书”,被认为是“正常的”,物体应该是“大于一个分子,小于一个星球”,接近室温,速度明显慢于光速。

老科学用新名字

虽然它是物理学中最古老的分支,但“经典力学”一词却相对较新。 1900年以后,数学思维中的一系列革命诞生了新的研究领域:与非常快的现象相关的力学和量子力学与非常小的现象有关。

在1900年之前开发的方程式仍然非常适合描述日常尺寸和速度的对象。然而,由于这个较老的物理学分支与两个新的物理学一起存在,所以需要一个新的名称。术语“经典力学”是为了在量子和相对论效应可忽略的范围内松散地标注描述现实的方程组。

1687年,牛顿出版了“哲学自然主义数学”(自然哲学的数学原理),描述了身体如何在外力的影响下移动。这项工作统一了数学推理与地球表面运动相对较新的思想,以及最古老的科学探究领域:天文学。

古代通过中世纪时代

美索不达米亚,埃及和印度河谷的古代文明都表现出对太阳,月亮和星星运动的了解。他们甚至可以预测到十八世纪的日食日期。正如克虏伯大夫在他的“古代天空回声”(Dover,2003)中所描述的那样,“星星和行星经常是一个崇拜的对象,被认为代表他们的神。定义上的这种超自然的解释缺乏证据,但观察记录为世代观察者奠定了基础。天体力学因此成了关于天空如何移动的研究。

古希腊人是第一个一贯追求自然(而不是超自然)的解释。正如查尔斯·辛格(Charles Singer)在“十九世纪科学史短篇小说”(Dover,2011)中写道:“诸如泰勒斯哲学家(公元前624-545年)的哲学家拒绝了对自然现象的非自然主义解释,并宣称每个事件都有自然的原因。”涉及例如“身体幽默”和“围绕地球的宇宙壳”的无数解释确实是自然主义的,但大多数是幻想错误的。一个特别顽强的错误观念集中于运动,近二十年来,建立在亚里士多德(384-322 B.C.)的工作基础之上。这项被称为“动力理论”的作品将在第六,十二和十四世纪进行重大修改A.D.地球力学因此成为研究地球表面如何运动和相互作用的研究。

复兴

到十六世纪,学者开始注意到,动力理论不适合描述许多现象,特别是从弹射器和大炮射出的射弹。根据这个理论,射弹应该飞过空气,直到它消失,因此它应该直接落地。实际上,射弹的路径是一个非常具体的曲线。根据伯纳德·科恩(Bernard Cohen)在“新物理学诞生”(Norton,1985)中的观点,科学家们开始考虑以均匀加速度对物体进行重力牵引。伽利略·伽利略(Galileo Galilei,1564-1642)在他的1638年出版物“Galileo Galilei”(1564-1642)发表了第一个数学证明,即均匀加速会使抛射体移动成与观测结果相匹配的抛物线轨迹,从而表明地球力学受数学的约束。

同样的,也是16世纪,天体力学与数学的关系非常强烈。根据David S. Landes在“时代革命”(Belknap,1983)中,Tycho Brahe(1546-1601)是第一位使用能够计数数秒钟和秒数的钟表的天文学家,以及象限和六分仪,跟踪天体的运动(望远镜还没有从海军间谍空间改装)。约翰内斯开普勒(1571 – 1630年)根据他的三项行星定律,关于布拉赫关于火星运动的数据。这些法律中的第一个,在他的1609年的“天文学新星”中发表,表明行星在太阳周围的椭圆形路径上移动。

伟大的统一

七十年后,牛顿建立在伽利略和开普勒的工作基础上,表明天体领域的椭圆运动和陆地领域的抛物线运动可以用一个优雅的数学定律,即他的重力定律来解释。此外,他通过用数学语言描述运动法则。

使用牛顿定律,科学家可以利用代数和微积分(也由牛顿共同发明)来操纵符号数学,以了解尚未观察到的现象。古典力学在整个十八世纪和十九世纪都在增长,从光学,流体和热量到压力,电力和磁力等方面都有所描述。

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Posted on March 28, 2017 in 物理学

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