Жодна сфера людської діяльності не обходиться без точних наук. І як би не були складними людські взаємини, вони теж зводяться до цих законів. пропонує згадати закони фізики, з якими людина стикається та переживає щодня свого життя.
Найпростіший, але найважливіший закон – це Закон збереження та перетворення енергії.
Енергія будь-якої замкнутої системи при всіх процесах, що відбуваються в системі, залишається постійною. А ми з Вами саме у такій замкнутій системі і знаходимося. Тобто. скільки віддамо, стільки й отримаємо. Якщо ми хочемо щось отримати, треба стільки перед тим віддати. І ніяк інакше!
А нам, звичайно ж, хочеться отримувати більшу зарплату, а на роботу при цьому не ходити. Іноді створюється ілюзія, що "дурням щастить" і багатьом щастя звалюється на голову. Вчитайтеся у будь-яку казку. Героям завжди треба долати величезні труднощі! То скупатися у воді холодця, то в окропі.
Чоловіки привертають увагу жінок залицяннями. Жінки у свою чергу піклуються потім про цих чоловіків та дітей. І так далі. Так що, якщо ви хочете щось отримати, постарайтеся спочатку віддати.
Сила дії дорівнює силі протидії.
Цей закон фізики відбиває попередній, у принципі. Якщо людина здійснила негативний вчинок – усвідомлений чи ні – та був отримав відповідь, тобто. протидія. Іноді причина та слідство бувають рознесені у часі, і можна одразу й не зрозуміти, звідки вітер дме. Потрібно, головне, пам'ятати, що нічого просто так не буває.
Закон важеля.
Архімед вигукнув: « Дайте мені точку опори, і я переверну Землю!». Будь-який тягар можна перенести, якщо підібрати правильний важіль. Потрібно завжди прикинути який довжини знадобиться важіль, щоб досягти тієї чи іншої мети і зробити для себе висновок, розставити пріоритети: чи потрібно витрачати стільки сил, щоб створити правильний важіль і пересунути цей тягар або простіше дати спокій і зайнятися іншою діяльністю.
Правило свердла.
Правило у тому, що свідчить про напрям магнітного поля. Це правило відповідає на вічне питання: хто винен? І вказує на те, що у всьому, що з нами відбувається, винні ми самі. Як би прикро не було, як би складно не було, як би, на перший погляд несправедливо не було, треба завжди усвідомлювати те, що причиною спочатку були ми самі.
Закон цвяха.
Коли людина хоче забити цвях, вона ж не стукає десь поруч із цвяхом, вона стукає саме по капелюшку цвяха. Але ж цвяхи самі не залазять у стіни. Потрібно завжди підбирати правильний молоток, щоб не розбити цвях кувалдою. І забиваючи, треба розраховувати удар, щоб не погнувся капелюшок. Будьте простіше, дбайте один про одного. Навчіться думати про ближнього.
І, насамкінець, закон Ентропії.
Під ентропією розуміють міру безладдя системи. Іншими словами, що більше хаосу в системі, то більша ентропія. Точне формулювання: при мимовільних процесах, які у системах, ентропія завжди зростає. Як правило, всі мимовільні процеси необоротні. Вони призводять до реальних змін у системі, і повернути її до початкового стану без витрати енергії неможливо. При цьому не можна точно повторити (на всі 100%) її вихідний стан.
Щоб краще усвідомити, про який порядок і безладдя йдеться, поставимо досвід. Насипаємо у скляну банку чорних та білих дробинок. Спочатку насипаємо чорних, потім білих. Дробинки розташовуватимуться у два шари: знизу чорний, зверху білий – все впорядковано. Потім кілька разів струсимо банку. Дробинки поступово перемішуються. І скільки б ми потім не трусили цю банку, нам навряд чи вдасться досягти, щоб дробинки знову розташувалися в два шари. Ось вона, ентропія у дії!
Стан, коли дробинки були розташовані у два шари, вважається впорядкованим. Стан, коли дробинки рівномірно перемішані, вважається безладним. Щоб повернутися в упорядкований стан, потрібне практично диво! Або повторна копітка робота з дробинками. А щоб навести хаос у банку, майже не потрібні зусилля.
Автомобільне колесо. Коли він накачений, у ньому надлишок вільної енергії. Колесо може їхати, отже, воно працює. Це порядок. А якщо проколоти колесо? Тиск у ньому впаде, вільна енергія «піде» в навколишнє середовище(розсіється), і працювати таке колесо вже не зможе. Це — хаос. Щоб відновити систему у вихідний стан, тобто. навести лад, потрібно провести чималу роботу: заклеїти камеру, змонтувати колесо, накачати його і т.д., після чого це знову потрібна річяка здатна приносити користь.
Тепло передається від гарячого тіла холодному, а чи не навпаки. Зворотний процес теоретично можливий, а практично ніхто не візьметься це робити, оскільки будуть потрібні колосальні зусилля, спеціальні установки та обладнання.
Також і у суспільстві. Люди старіють. Вдома руйнуються. Скелі осідають у морі. Галактики розбігаються. До безладдя мимоволі прагне будь-яка навколишня дійсність.
Однак люди часто говорять про безладдя як про свободу: « Ні, ми не хочемо порядку! Дайте нам таку свободу, щоб кожен міг робити те, що хоче!Але коли кожен робить, що хоче, це не свобода – це хаос. У наш час багато хто вихваляє безлад, пропагує анархію - словом, все те, що руйнує і поділяє. Але свобода – не в хаосі, свобода саме в порядку.
Упорядковуючи своє життя, людина створює собі запас вільної енергії, яку потім реалізує здійснення своїх планів: роботу, навчання, відпочинок, творчість, спорт тощо. - Іншими словами, протистоїть ентропії. Інакше як би ми змогли накопичити за останні 250 років стільки матеріальних цінностей?!
Ентропія – це міра безладдя, міра незворотного розсіювання енергії. Чим більша ентропія, тим більше безладдя. Будинок, у якому ніхто не живе, занепадає. Залізо з часом іржавіє, автомобіль старіє. Відносини, про збереження яких ніхто не дбає, руйнуються. Так і все інше в нашому житті абсолютно все!
Природний стан природи не рівновага, а зростання ентропії. Цей закон невблаганно працює і в житті однієї людини. Йому нічого не треба робити, щоб його ентропія зростала, це відбувається мимоволі за законом природи. Щоб знизити ентропію (безлад), треба докласти чимало зусиль. Це свого роду ляпас позитивним до дуру людям (під лежачий камінь та вода не тече), яких досить багато!
Підтримка успіху вимагає постійних зусиль. Якщо ми не розвиваємось, то ми деградуємо. І щоб зберегти те, що в нас було раніше, ми маємо сьогодні зробити більше, ніж робили вчора. Речі можна утримувати в порядку і навіть покращити: якщо фарба на будинку вицвіла, його можна пофарбувати заново, причому ще красивіше, ніж раніше.
Люди повинні намагатися «утихомирити» довільну деструктивну поведінку, яка переважає в сучасному світіповсюдно, намагатись знизити стан хаосу, який ми ж і розігнали до грандіозних меж. І це фізичний закон, а не просто балаканина про депресію та негативне мислення. Все або розвивається, або деградує.
Живий організм народжується, розвивається і вмирає, і ніхто ніколи не спостерігав, щоб після смерті він оживав, молодшав і повертався у сім'ю чи утробу. Коли кажуть, що минуле ніколи не повертається, то, звичайно, мають на увазі насамперед ці життєві явища. Розвиток організмів задає позитивний напрямок стріли часу, і зміна одного стану системи іншим відбувається завжди в одному напрямку для всіх без винятку процесів.
Валеріан Чупін
Джерело інформації: Чайковські.
Коментарі (3)
Багатство сучасного суспільстваприростає, і буде приростати все більшою мірою, насамперед загальною працею. Промисловий капітал став першою історичною формою громадського виробництва, коли інтенсивно почав експлуатуватися загальний працю. Причому спочатку той, який дістався йому задарма. Наука, як зазначив Маркс, нічого не коштувала капіталу. Справді, жоден капіталіст не заплатив винагороду ні Архімеду, ні Кардано, ні Галілею, ні Гюйгенсу, ні Ньютону за практичне використання їхніх ідей. Але саме промисловий капітал у масовому масштабі починає експлуатувати механічну техніку, а тим самим і загальну працю, уречевлену в ній. Маркс До, Енгельс Ф. Соч., Т. 25, ч. 1, с. 116.
Хелен Черскі (Helen Czerski)
Фізик, океанограф, провідна науково-популярна програма на ВВС.
Коли мова заходить про фізику, ми представляємо якісь формули, щось дивне та незрозуміле, непотрібне звичайній людині. Можливо, ми чули щось про квантову механіку та космологію. Але між цими двома полюсами якраз і знаходиться все, що складає нашу повсякденне життя: планети та бутерброди, хмари та вулкани, бульбашки та музичні інструменти. І всіма ними керує відносно невелика кількість фізичних законів.
Ми постійно можемо спостерігати ці закони у дії. Візьміть, наприклад, два яйця - сире та варене - і розкрутіть їх, а потім зупиніть. Варене яйце залишиться нерухомим, сире знову почне обертатися. Все тому, що ви зупинили лише шкаралупу, а рідина всередині продовжує обертання.
Це наочна демонстрація закону збереження моменту імпульсу. Спрощено його можна сформулювати так: почавши обертатися навколо постійної осі, система продовжить обертання, доки її щось зупинить. Це один із фундаментальних законів Всесвіту.
Він потрібний не тільки, коли потрібно відрізнити варене яйце від сирого. З його допомогою можна пояснити, як космічний телескоп «Хаббл», перебуваючи без будь-якої опори у просторі, наводить об'єктив на певну ділянку неба. Просто всередині у нього гіроскопи, що обертаються, які, по суті, поводяться так само, як і сире яйце. Сам телескоп обертається навколо них і таким чином змінює своє становище. Виходить, закон, який ми можемо протестувати у себе на кухні, пояснює і влаштування однієї з найвидатніших технологій людства.
Знаючи основні закони, що регулюють наше повсякденне життя, ми перестаємо почуватися безпорадними.
Щоб розуміти, як влаштований навколишній світ, ми повинні спочатку розібратися з його основами. Ми повинні зрозуміти, що фізика - це не тільки дивакуваті вчені в лабораторіях або складні формули. Вона прямо перед нами, доступна кожному.
З чого почати, подумаєте ви. Напевно, ви помічали щось дивне чи незрозуміле, але замість того, щоб задуматися про це, казали собі, що ви доросла людина і у вас немає на це часу. Черки радить не відмахуватися від подібних речей, а починати якраз із них.
Якщо не хочете чекати, поки зустрінеться щось цікаве, покладіть родзинки в газировку і подивіться, що станеться. Поспостерігайте, як висихає розлита кава. Постукайте ложкою по краю чашки та прислухайтеся до звуку. Зрештою, спробуйте впустити бутерброд так, щоб він не падав олією вниз.
Хелен Черскі (Helen Czerski)
Фізик, океанограф, провідна науково-популярна програма на ВВС.
Коли мова заходить про фізику, ми представляємо якісь формули, щось дивне та незрозуміле, непотрібне звичайній людині. Можливо, ми чули щось про квантову механіку та космологію. Але між цими двома полюсами якраз і знаходиться все, що складає наше повсякденне життя: планети та бутерброди, хмари та вулкани, міхури та музичні інструменти. І всіма ними керує відносно невелика кількість фізичних законів.
Ми постійно можемо спостерігати ці закони у дії. Візьміть, наприклад, два яйця - сире та варене - і розкрутіть їх, а потім зупиніть. Варене яйце залишиться нерухомим, сире знову почне обертатися. Все тому, що ви зупинили лише шкаралупу, а рідина всередині продовжує обертання.
Це наочна демонстрація закону збереження моменту імпульсу. Спрощено його можна сформулювати так: почавши обертатися навколо постійної осі, система продовжить обертання, доки її щось зупинить. Це один із фундаментальних законів Всесвіту.
Він потрібний не тільки, коли потрібно відрізнити варене яйце від сирого. З його допомогою можна пояснити, як космічний телескоп «Хаббл», перебуваючи без будь-якої опори у просторі, наводить об'єктив на певну ділянку неба. Просто всередині у нього гіроскопи, що обертаються, які, по суті, поводяться так само, як і сире яйце. Сам телескоп обертається навколо них і таким чином змінює своє становище. Виходить, закон, який ми можемо протестувати у себе на кухні, пояснює і влаштування однієї з найвидатніших технологій людства.
Знаючи основні закони, що регулюють наше повсякденне життя, ми перестаємо почуватися безпорадними.
Щоб розуміти, як влаштований навколишній світ, ми повинні спочатку розібратися з його основами. Ми повинні зрозуміти, що фізика - це не тільки дивакуваті вчені в лабораторіях або складні формули. Вона прямо перед нами, доступна кожному.
З чого почати, подумаєте ви. Напевно, ви помічали щось дивне чи незрозуміле, але замість того, щоб задуматися про це, казали собі, що ви доросла людина і у вас немає на це часу. Черки радить не відмахуватися від подібних речей, а починати якраз із них.
Якщо не хочете чекати, поки зустрінеться щось цікаве, покладіть родзинки в газировку і подивіться, що станеться. Поспостерігайте, як висихає розлита кава. Постукайте ложкою по краю чашки та прислухайтеся до звуку. Зрештою, спробуйте впустити бутерброд так, щоб він не падав олією вниз.
Вступ
1. Закони Ньютона
1.1. Закон інерції (Перший закон Ньютона)
1.2 Закон руху
1.3. Закон збереження імпульсу (Закон збереження кількості руху)
1.4. Сили інерції
1.5. Закон в'язкості
2.1. Закони термодинаміки
Закон всесвітнього тяготіння
3.2. Гравітаційна взаємодія
3.3. Небесна механіка
Сильні гравітаційні поля
3.5. Сучасні класичні теорії гравітації
Висновок
Література
Вступ
Фундаментальні закони фізики описують найважливіші явища у природі та Всесвіті. Вони дозволяють пояснити і навіть передбачити багато явищ. Так, спираючись лише на фундаментальні закони класичної фізики (закони Ньютона, закони термодинаміки тощо), людство успішно освоює космос, відправляє космічні апаратиінші планети.
Я хочу розглянути у цій роботі найважливіші закони фізики та його взаємозв'язок. Найбільш важливими законами класичної механіки є закони Ньютона, яких достатньо, щоб описати явища в макросвіті (без урахування високих значень швидкості чи маси, що вивчається в ЗТО – Загальної теорії Відносності, або СТО – спеціальної теорії відносності.)
Закони Ньютона
Закони механіки Ньютонатри закони, що лежать в основі т.з. класичної механіки Сформульовані І. Ньютоном (1687). Перший закон: “Будь-яке тіло продовжує утримуватися у своєму стані спокою чи рівномірного і прямолінійного руху, поки що і оскільки вона не примушується докладеними силами змінити цей стан”. Другий закон: “Зміна кількості руху пропорційно доданої рушійною силоюі відбувається за напрямом тієї прямої, якою ця сила діє”. Третій закон: “Дію завжди є рівна і протилежна протидія, інакше, взаємодії двох тіл один на одного між собою рівні та спрямовані у протилежні сторони”.
1.1. Зако ́ ніне ́ рції (Перший закон Нью ́ тону) : вільне тіло, на яке не діють сили з боку інших тіл, перебуває у стані спокою або рівномірного прямолінійного руху (поняття швидкості тут застосовується до центру мас тіла у разі непоступального руху). Іншими словами, тілам властива інерція (від латів. inertia - "бездіяльність", "кісність"), тобто явище збереження швидкості, якщо зовнішні впливина них компенсовані.
Системи відліку, у яких виконується закон інерції, називаються інерціальними системами відліку (ІСО).
Вперше закон інерції був сформульований Галілео Галілеєм, який після безлічі дослідів уклав, що для руху вільного тіла з постійною швидкістюне потрібно будь-якої зовнішньої причини. До цього загальноприйнятою була інша точка зору (висхідна до Аристотеля): вільне тіло перебуває у стані спокою, а руху з постійної швидкістю необхідний додаток постійної сили.
Згодом Ньютон сформулював закон інерції як перший із трьох своїх знаменитих законів.
Принцип відносності Галілея: у всіх інерційних системах відліку все фізичні процесипротікають однаково. У системі відліку, наведеної в стан спокою або рівномірного прямолінійного руху щодо інерційної системи відліку (умовно - “спокоїться”) всі процеси протікають так само, як і в системі, що покоїться.
Слід зазначити, що поняття інерційної системи відліку - абстрактна модель (якийсь ідеальний об'єкт розглядається замість реального об'єкта. Прикладами абстрактної моделі служать абсолютно тверде тілоабо невагома нитка), реальні системи відліку завжди пов'язані з будь-яким об'єктом і відповідність реально спостерігається руху тіл у таких системах з результатами розрахунків буде неповною.
1.2 Закон руху - Математичне формулювання того, як рухається тіло або як відбувається рух більш загального виду.
У класичній механіці матеріальної точки закон руху є три залежності трьох просторових координат від часу, або залежність однієї векторної величини (радіус-вектора) від часу, виду
Закон руху можна знайти, залежно від завдання, або з диференціальних законів механіки, або з інтегральних.
Закон збереження енергії - Основний закон природи, який полягає в тому, що енергія замкнутої системи зберігається у часі. Іншими словами, енергія не може виникнути з нічого і не може нікуди зникнути, вона може тільки переходити з однієї форми в іншу.
Закон збереження енергії зустрічається у різних розділах фізики та проявляється у збереженні різних видівенергії. Наприклад, у класичній механіці закон проявляється у збереженні механічної енергії (суми потенційної та кінетичної енергій). У термодинаміці закон збереження енергії називається першим початком термодинаміки та говорить про збереження енергії у сумі з тепловою енергією.
Оскільки закон збереження енергії відноситься не до конкретних величин і явищ, а відображає загальну, застосовну скрізь і завжди закономірність, то правильніше називати його не законом, а принципом збереження енергії.
Частковий випадок – Закон збереження механічної енергії – механічна енергія консервативної механічної системи зберігається в часі. Простіше кажучи, за відсутності сил типу тертя (диссипативных сил) механічна енергія немає з нічого і може нікуди зникнути.
Ек1+Еп1=Ек2+Еп2
Закон збереження енергії – це інтегральний закон. Це означає, що він складається з впливу диференціальних законів і є властивістю їх сукупного впливу. Наприклад, іноді кажуть, що неможливість створити вічний двигун обумовлена законом збереження енергії. Але це не так. Насправді, у кожному проекті вічного двигунаспрацьовує один із диференціальних законів і саме він робить двигун непрацездатним. Закон збереження енергії просто узагальнює цей факт.
Відповідно до теореми Нетер, закон збереження механічної енергії є наслідком однорідності часу.
1.3. Зако ́ н збереженні ́ ня та ́ мпульсу (Зако ́ н збереженні ́ ня коли ́ ства руху) стверджує, що сума імпульсів всіх тіл (або частинок) замкнутої системи є постійною величиною.
p align="justify"> З законів Ньютона можна показати, що при русі в порожньому просторі імпульс зберігається в часі, а за наявності взаємодії швидкість його зміни визначається сумою докладених сил. У класичній механіці закон збереження імпульсу зазвичай виводиться як наслідок законів Ньютона. Однак цей закон збереження вірний і у випадках, коли ньютонівська механіка не застосовується (релятивістська фізика, квантова механіка).
Як і будь-який із законів збереження, закон збереження імпульсу описує одну з фундаментальних симетрій, - однорідність простору
Третій закон Ньютона пояснює, що відбувається із двома взаємодіючими тілами. Візьмемо для прикладу замкнуту систему, що складається із двох тіл. Перше тіло може діяти друге з деякою силою F12, а друге - на перше з силою F21. Як співвідносяться сили? Третій закон Ньютона стверджує: сила дії дорівнює модулю і протилежна за напрямом силі протидії. Наголосимо, що ці сили докладені до різним тілам, А тому зовсім не компенсуються.
Сам закон:
Тіла діють один на одного з силами, спрямованими вздовж однієї і тієї ж прямої, рівними за модулем і протилежними за напрямом: .
1.4. Сили інерції
Закони Ньютона, строго кажучи, справедливі лише в інерційних системах відліку. Якщо ми чесно запишемо рівняння руху тіла в неінерційній системі відліку, воно буде виглядати відрізнятися від другого закону Ньютона. Однак часто для спрощення розгляду вводять якусь фіктивну “силу інерції”, і тоді ці рівняння руху переписуються у вигляді, дуже схожому на другий закон Ньютона. Математично тут все коректно (правильно), але з погляду фізики нову фіктивну силу не можна розглядати як щось реальне, як результат деякої реальної взаємодії. Ще раз наголосимо: "сила інерції" - це лише зручна параметризація того, як відрізняються закони руху в інерційній та неінерційній системах відліку.
1.5. Закон в'язкості
Закон в'язкості (внутрішнього тертя) Ньютона - математичний вираз, що зв'язує напругу внутрішнього тертя τ (в'язкість) та зміну швидкості середовища v у просторі
(швидкість деформації) для текучих тіл (рідин та газів):
де величина η називається коефіцієнтом внутрішнього тертя або динамічним коефіцієнтомв'язкості (одиниця СГС – пуаз). Кінематичним коефіцієнтом в'язкості називається величина μ = η / ρ (одиниця СГС – Стокс, ρ – щільність середовища).
Закон Ньютона може бути отриманий аналітично прийомами фізичної кінетики, де в'язкість розглядається зазвичай одночасно з теплопровідністю та відповідним законом Фур'є для теплопровідності. У кінетичній теорії газів коефіцієнт внутрішнього тертя обчислюється за формулою
де – середня швидкість теплового руху молекул, λ – середня довжина вільного пробігу.
2.1. Закони термодинаміки
Термодинаміка ґрунтується на трьох законах, які сформульовані на основі експериментальних даних і тому можуть бути прийняті як постулати.
* 1-й закон термодинаміки. Є формулюванням узагальненого закону збереження енергії для термодинамічних процесів. У найбільш простій формі його можна записати як δQ = δA + d"U, де dU є повний диференціал внутрішньої енергіїсистеми, а δQ і δA є елементарна кількість теплоти та елементарна робота, виконана над системою відповідно. Потрібно враховувати, що A і Q не можна вважати диференціалами в звичайному сенсі цього поняття. З погляду квантових уявлень цей закон можна інтерпретувати так: dU є зміна енергії даної квантової системи, δA є зміна енергії системи, обумовлена зміною заселеності енергетичних рівнівсистеми, а δQ є зміна енергії квантової системи, обумовлена зміною структури енергетичних рівнів.
* 2-й закон термодинаміки: Другий закон термодинаміки виключає можливість створення вічного двигуна другого роду. Є кілька різних, але в той же час еквівалентних формулювань цього закону. 1 – Постулат Клаузіуса. Процес, у якому немає інших змін, крім передачі теплоти від гарячого тіла до холодного, є незворотним, тобто теплота може перейти від холодного тіла до гарячого без будь-яких інших змін у системі. Це називають розсіюванням чи дисперсією енергії. 2 - Постулат Кельвіна. Процес, у якому робота перетворюється на теплоту без будь-яких інших змін у системі, є незворотним, тобто неможливо перетворити на роботу всю теплоту, взяту від джерела з однорідною температурою, не проводячи інших змін у системі.
* 3-й закон термодинаміки: Теорема Нернста: Ентропія будь-якої системи при абсолютному нулі температури завжди може бути прийнята рівною нулю
3.1. Закон всесвітнього тяготіння
Гравітація (всемирне тяжіння, тяжіння) (від латів. gravitas - "тяжкість") - далекодіюча фундаментальна взаємодія в природі, якому піддаються всі матеріальні тіла. За сучасними даними, є універсальним взаємодією у тому сенсі, що, на відміну будь-яких інших сил, всім без винятку тілам незалежно від своїх маси надає однакове прискорення. Головним чином гравітація грає визначальну роль космічних масштабах. Термін гравітація використовується також як назва розділу фізики, що вивчає гравітаційну взаємодію. Найбільш успішною сучасною фізичною теорією в класичній фізиці, що описує гравітацію, є загальна теорія відносності, квантова теорія гравітаційної взаємодії поки що не побудована.
3.2. Гравітаційна взаємодія
Гравітаційна взаємодія – одна з чотирьох фундаментальних взаємодій у нашому світі. У межах класичної механіки, гравітаційне взаємодія описується законом всесвітнього тяжіння Ньютона, який свідчить, що сила гравітаційного тяжіння між двома матеріальними точками маси m1 і m2, розділеними відстанню R, є
Тут G - постійна гравітаційна, рівна м³/(кг с²). Знак мінус означає, що сила, що діє на тіло, завжди дорівнює напрямку радіус-вектору, спрямованому на тіло, тобто гравітаційна взаємодія призводить завжди до тяжіння будь-яких тіл.
Поле тяжкості є потенційно. Це означає, що можна ввести потенційну енергію гравітаційного тяжіння пари тіл, і ця енергія не зміниться після переміщення тіл замкнутим контуром. Потенційність поля тяжкості тягне за собою закон збереження суми кінетичної та потенційної енергії та при вивченні руху тіл у полі тяжіння часто суттєво спрощує рішення. У рамках ньютонівської механіки гравітаційна взаємодія є далекодіючою. Це означає, що як би масивне тіло не рухалося, в будь-якій точці простору гравітаційний потенціал залежить тільки від положення тіла Наразічасу.
Великі космічні об'єкти – планети, зірки та галактики мають величезну масу і, отже, створюють значні гравітаційні поля. Гравітація – найслабша взаємодія. Однак, оскільки воно діє на будь-яких відстанях і всі маси позитивні, це дуже важлива сила у Всесвіті. Для порівняння: повний електричний зарядцих тіл нуль, оскільки речовина в цілому електрично нейтральна. Також гравітація, на відміну інших взаємодій, універсальна у дії всю матерію і енергію. Не виявлено об'єктів, у яких взагалі не було б гравітаційної взаємодії.
Через глобальний характер гравітація відповідальна і за такі великомасштабні ефекти, як структура галактик, чорні дірки та розширення Всесвіту, і за елементарні астрономічні явища - орбіти планет, і за просте тяжіння до поверхні Землі та падіння тіл.
Гравітація була першою взаємодією, описаною математичною теорією. В античні часи Аристотель вважав, що об'єкти з різною масою падають із різною швидкістю. Тільки набагато пізніше Галілео Галілей експериментально визначив, що це не так – якщо опір повітря усувається, всі тіла прискорюються однаково. Закон загального тяжіння Ісаака Ньютона (1687) добре описував загальну поведінку гравітації. В 1915 Альберт Ейнштейн створив Загальну теорію відносності, більш точно описує гравітацію в термінах геометрії простору-часу.
3.3. Небесна механіка та деякі її завдання
Розділ механіки, що вивчає рух тіл у порожньому просторі, тільки під дією гравітації називається небесною механікою.
Найбільш простим завданням небесної механіки є гравітаційна взаємодія двох тіл у порожньому просторі. Це завдання вирішується аналітично остаточно; результат її вирішення часто формулюють у вигляді трьохзаконів Кеплера.
При збільшенні кількості тіл, що взаємодіють, завдання різко ускладнюється. Так, вже знамените завданнятрьох тіл (тобто рух трьох тіл з ненульовими масами) не може бути вирішена аналітично в загальному вигляді. При чисельному рішенні, досить швидко настає нестійкість рішень щодо початкових умов. Застосовуючи Сонячну систему, ця нестійкість не дозволяє передбачити рух планет на масштабах, що перевищують сотню мільйонів років.
У окремих випадках вдається знайти наближене рішення. Найбільш важливим є випадок, коли маса одного тіла істотно більша за масу інших тіл (приклади: сонячна системата динаміка кілець Сатурна). У цьому випадку в першому наближенні можна вважати, що легкі тіла не взаємодіють один з одним і рухаються кеплеровими траєкторіями навколо масивного тіла. Взаємодії між ними можна враховувати у межах теорії збурень, і усереднювати за часом. При цьому можуть виникати нетривіальні явища, такі як резонанси, атрактори, хаотичність і т. д. Наочний приклад таких явищ - нетривіальна структура кілець Сатурна.
Незважаючи на спроби описати поведінку системи з великої кількості тіл, що притягуються, приблизно однакової маси, зробити цього не вдається через явище динамічного хаосу.
3.4. Сильні гравітаційні поля
У сильних гравітаційних полях, при русі з релятивістськими швидкостями, починають проявлятися ефекти загальної теорії відносності:
Відхилення закону тяжіння від Ньютонівського;
Запізнення потенціалів, пов'язане з кінцевою швидкістю розповсюдження гравітаційних збурень; поява гравітаційних хвиль;
Ефекти нелінійності: гравітаційні хвилі мають властивість взаємодіяти один з одним, тому принцип суперпозиції хвиль у сильних полях не виконується;
Зміна геометрії простору-часу;
Виникнення чорних дірок;
3.5. Сучасні класичні теорії гравітації
У зв'язку з тим, що квантові ефекти гравітації надзвичайно малі навіть у екстремальних експериментальних і спостережних умовах, досі не існує їх надійних спостережень. Теоретичні оцінки показують, що у переважній більшості випадків можна обмежитися класичним описомгравітаційної взаємодії.
Існує сучасна канонічна класична теоріягравітації - загальна теорія відносності, і безліч гіпотез, що уточнюють її, і теорій різного ступенярозробленості, які конкурують між собою (див. статтю Альтернативні теорії гравітації). Всі ці теорії дають дуже схожі передбачення у межах того наближення, у якому нині здійснюються експериментальні тести. Далі описані кілька основних, найбільш добре розроблених чи відомих теорій гравітації.
Теорія гравітації Ньютона заснована на понятті сили тяжіння, яка є далекою дією силою: вона діє миттєво на будь-якій відстані. Цей миттєвий характер дії несумісний з польовою парадигмою сучасної фізики і, зокрема, зі спеціальною теорією відносності, створеною в 1905 Ейнштейном, натхненним роботами Пуанкаре і Лоренца. Теоретично Ейнштейна ніяка інформація не може поширитися швидше швидкостісвітла у вакуумі.
Математично сила гравітації Ньютона виводиться із потенційної енергії тіла у гравітаційному полі. Потенціал гравітації, відповідний цієї потенційної енергії, підпорядковується рівнянню Пуассона, яке інваріантно при перетвореннях Лоренца. Причина неінваріантності полягає в тому, що енергія у спеціальній теорії відносності не є скалярною величиною, а переходить у тимчасову компоненту 4-вектора. Векторна ж теорія гравітації виявляється аналогічною до теорії електромагнітного поляМаксвелла і призводить до негативної енергії гравітаційних хвиль, що пов'язано з характером взаємодії: однойменні заряди (маси) у гравітації притягуються, а не відштовхуються, як електромагнетизм. Таким чином, теорія гравітації Ньютона несумісна з фундаментальним принципом спеціальної теорії відносності - інваріантністю законів природи в будь-якій інерційній системі відліку, а пряме векторне узагальнення теорії Ньютона, вперше запропоноване Пуанкаре в 1905 році в його роботі "Про динаміку електрона", призводить до фізичної невдачі .
Ейнштейн почав пошук теорії гравітації, яка б сумісна з принципом інваріантності законів природи щодо будь-якої системи відліку. Результатом цього пошуку стала загальна теорія відносності, заснована на принципі тотожності гравітаційної та інертної маси.
Принцип рівності гравітаційної та інертної мас
У класичній механіці Ньютона існує два поняття маси: перше відноситься до другого закону Ньютона, а друге - до закону всесвітнього тяжіння. Перша маса – інертна (або інерційна) – є відношення негравітаційної сили, що діє на тіло, до його прискорення. Друга маса – гравітаційна (або, як її іноді називають, важка) – визначає силу тяжіння тіла іншими тілами та його власну силу тяжіння. Власне, ці дві маси вимірюються, як видно з опису, в різних експериментах, тому зовсім не повинні бути пропорційними один одному. Їх строга пропорційність дозволяє говорити про єдину масу тіла як у негравітаційних, так і в гравітаційних взаємодіях. Відповідним вибором одиниць можна зробити ці маси рівними одна одній.
Сам принцип було висунуто ще Ісааком Ньютоном, а рівність мас було перевірено їм експериментально з відносною точністю 10-3. У наприкінці XIXстоліття більш тонкі експерименти провів Етвеш, довівши точність перевірки принципу до 10-9. Протягом XX століття експериментальна техніка дозволила підтвердити рівність мас із відносною точністю 10-12-10-13 (Брагінський, Дікке і т. д.).
Іноді принцип рівності гравітаційної та інертної мас називають слабким принципом еквівалентності. Альберт Ейнштейн поклав його основою загальної теорії відносності.
Принцип руху геодезичними лініями
Якщо гравітаційна маса точно дорівнює інерційної, то у виразі для прискорення тіла, на яке діють лише гравітаційні сили, обидві маси скорочуються. Тому прискорення тіла, отже, та її траєкторія залежить від маси і внутрішньої будовитіла. Якщо ж всі тіла в одній і тій точці простору отримують однакове прискорення, то це прискорення можна пов'язати не з властивостями тіл, а з властивостями самого простору в цій точці.
Таким чином, опис гравітаційної взаємодії між тілами можна звести до опису простору-часу, в якому рухаються тіла. Природно припустити, як і зробив Ейнштейн, що тіла рухаються по інерції, тобто отже їх прискорення у своїй системі відліку дорівнює нулю. Траєкторії тіл тоді будуть геодезичними лініями, теорія яких була розроблена математиками ще у XIX столітті.
Самі геодезичні лінії можна знайти, якщо задати в просторі-часі аналог відстані між двома подіями, який називається за традицією інтервалом або світовою функцією. Інтервал у тривимірному просторіта одновимірному часі (іншими словами, у чотиривимірному просторі-часі) задається 10 незалежними компонентами метричного тензора. Ці 10 чисел утворюють метрику простору. Вона визначає “відстань” між двома нескінченно близькими точками простору-часу у різних напрямках. Геодезичні лінії, що відповідають світовим лініям фізичних тіл, швидкість яких менша за швидкість світла, виявляються лініями найбільшого власного часу, тобто часу, що вимірюється годинами, жорстко скріпленими з тілом, що йде по цій траєкторії.
Сучасні експерименти підтверджують рух тіл геодезичними лініями з тією ж точністю, як і рівність гравітаційної та інертної мас.
Висновок
З законів Ньютона відразу ж випливають деякі цікаві висновки. Так, третій закон Ньютона каже, що, хоч би як тіла взаємодіяли, вони можуть змінити свій сумарний імпульс: виникає закон збереження імпульсу. Далі треба зажадати, щоб потенціал взаємодії двох тіл залежав тільки від модуля різниці координат цих тіл U(r1-r2). Тоді виникає закон збереження сумарної механічної енергії тіл, що взаємодіють:
Закони Ньютона є основними законами механіки. З них можуть бути виведені інші закони механіки.
У той же час, закони Ньютона - не найглибший рівень формулювання класичної механіки. У рамках лагранжової механіки є одна-єдина формула (запис механічної дії) і один-єдиний постулат (тіла рухаються так, щоб дія була мінімальною), і з цього можна вивести всі закони Ньютона. Більше того, в рамках лагранжевого формалізму можна легко розглянути гіпотетичні ситуації, в яких дія має якийсь інший вид. При цьому рівняння руху стануть уже несхожими на закони Ньютона, але сама класична механіка буде, як і раніше, застосовна.
Розв'язання рівнянь руху
Рівняння F = ma (тобто другий закон Ньютона) є диференціальним рівнянням: прискорення є другою похідною від координати за часом. Це означає, що еволюцію механічної системи у часі можна однозначно визначити, якщо задати її початкові координати та початкові швидкості. Зауважимо, що якби рівняння, що описують наш світ, були б рівняннями першого порядку, то з нашого світу зникли б такі явища як інерція, коливання, хвилі.
Вивчення фундаментальних законів фізики підтверджує, що наука поступово розвивається: кожен етап, кожен відкритий закон є етапом у розвитку, але не дає остаточних відповідей на всі питання.
Література:
Велика Радянська Енциклопедія(Ньютона Закони механіки та інших. статті), 1977, “Радянська Енциклопедія”
Онлайн-енциклопедія www.wikipedia.com
Федеральне агентство з освіти
ГОУ ВПО Рибінська державна авіаційна академія ім. П.А.Соловйова
Кафедра "Загальної та технічної фізики"
РЕФЕРАТ
З дисципліни "Концепції сучасного природознавства"Тема: "Фундаментальні закони фізики"
Група ЗКС-07
Студент Балшин О.М.Викладач: Василюк О.В.
Стаття створена на основі матеріалів з Інтернету, підручника фізики та власних знань.
Ніколи не любила фізику, не знала і намагалася уникати по можливості. Однак у Останнім часомвсе більше розумію: все наше життя зводиться до простими законамифізики.
1) Найпростіший, але найважливіший із них – це Закон збереження та перетворення енергії.
Він звучить так: "Енергія будь-якої замкнутої системи при всіх процесах, що відбуваються в системі, залишається постійною". А ми з вами саме у такій системі й перебуваємо. Тобто. скільки віддамо, стільки й отримаємо. Якщо ми хочемо щось отримати, треба стільки перед тим віддати. І ніяк інакше! А нам, звичайно ж, хочеться отримувати більшу зарплату, а на роботу при цьому не ходити. Іноді створюється ілюзія, що "дурням щастить" і багатьом щастя звалюється на голову. Вчитайтеся у будь-яку казку. Героям завжди треба долати величезні труднощі! То скупатися у воді студеної, то у воді вареної. Чоловіки привертають увагу жінок залицяннями. Жінки у свою чергу піклуються потім про цих чоловіків та дітей. І так далі. Так що, якщо ви хочете щось отримати, постарайтеся спочатку віддати. Фільм "Заплати вперед" дуже яскраво відображає цей закон фізики.
Є ще жарт на цю тему:
Закон збереження енергії:
Якщо ви вранці прийшли на роботу енергійним, а йдіть як вичавлений лимон, то
1. хтось інший прийшов як вичавлений лимон, а йде енергійним
2. вас використовували для нагрівання приміщення
2) Наступний закон звучить так: "Сила дії дорівнює силі протидії"
Цей закон фізики відбиває і попередній, у принципі. Якщо людина здійснила негативний вчинок – усвідомлений чи ні – потім отримав відповідь, тобто. протидія. Іноді причина та слідство бувають розкидані в часі, і можна одразу й не зрозуміти, звідки вітер дме. Потрібно, головне, пам'ятати, що нічого просто так не буває. Як приклад, можна навести батьківське виховання, який потім проявляється через кілька десятків років.
3) Наступний закон - Закон важеля. Архімед вигукнув: "Дайте мені точку опори, і я переверну Землю!". Будь-який тягар можна перенести, якщо підібрати правильний важіль. Потрібно завжди прикидати, якої довжини знадобиться важіль, щоб досягти тієї чи іншої мети і зробити собі висновок, розставити пріоритети. Зрозуміти, як розрахувати свої сили, чи потрібно витрачати стільки сил, щоб створити правильний важіль і пересунути цей тягар чи простіше дати спокій і зайнятися іншою діяльністю.
4) Так зване правило свердловина, яке полягає в тому, що вказує на напрямок магнітного поля. Це правило відповідає на вічне запитання: хто винний? І вказує на те, що у всьому, що з нами відбувається, винні ми самі. Як би прикро не було, як би складно не було, як би, на перший погляд, несправедливо не було, треба завжди усвідомлювати те, що причиною спочатку були ми самі.
5) Напевно, хтось пам'ятає закон складання швидкостей. Звучить він так: "Швидкість руху тіла щодо нерухомої системи відліку дорівнює векторній сумі швидкості цього тіла щодо рухомої системи відліку та швидкості самої рухомої системи відліку щодо нерухомої системи" Складно звучить? Зараз розберемося.
Принцип складання швидкостей не що інше, як арифметична сума доданків швидкостей, як математичних понять чи визначень.
Швидкість - це одне із суттєвих явищ, що відносяться до кінетики. Кінетика вивчає процеси перенесення енергії, імпульсу, заряду та речовини в різних фізичних системахта вплив на них зовнішніх полів. Може бути самовпевнено, але з погляду кінетики тоді можна розглядати і цілу низку суспільних процесівНаприклад, конфлікти.
Отже, за наявності двох конфліктуючих об'єктів та їх дотику має спрацьовувати закон, аналогічний закону збереження швидкостей (як факт перенесення енергії)? Отже, сила та агресія конфлікту залежить від ступеня конфліктності двох (трьох, чотирьох) сторін. Чим більше вони агресивні та сильні, тим конфлікт жорсткіший і руйнівніший. Якщо одна із сторін не конфліктна, то зростання ступеня агресивності не відбувається.
Все дуже просто. І якщо не можеш зазирнути всередину себе, щоб розібратися в причинно-наслідкових зв'язках своєї проблеми, просто відкрий підручник з фізики за 8 клас.
