VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015
ПОБЕДА В СИЛЕ И ЗНАНИИ МЕХАНИКИ
КомментарииПолная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Механика является важнейшим разделом естествознания, фундаментом многих естественных и большинства технических наук. Достижения в области механики всегда означают прогресс в технике, более глубокое понимание сути явлений природы. В наш век фундаментальных открытий в области физики элементарных частиц, физики твердого тела и плазмы, теории излучения и удивительных достижений молекулярной биологии и химии полимеров механика – наука о простейшей форме движения материи, – казалось бы, мало чем может удивить человечество.
Предметом истории механики является изучение объективного процесса развития механики как науки о простейшей форме движения материи - перемещения в пространстве и механики как конкретной отрасли естественнонаучного познания. Работа исследователя-историка науки (механики в частности) включает как изучение подлинных работ выдающихся учёных и педагогов, результатов опытов и экспериментов, так и работу по обобщению фактов, сравнению методов, систематизации всего объёма историко-научного материала. Это нелёгкая и кропотливая работа по осмыслению взаимосвязи механики и её развития с развитием общественной практики и техники, иных областей естествознания и философии. Потребность в систематизированных трактатах по механике появилась в 17 в., когда накопился обширный фактический материал решения конкретных задач о движении тел. Важнейшей вехой в выделении механики из натурфилософии (философского учения о природе) явились "Математические начала натуральной философии" Ньютона (1687). Уже в 1736 г. Л. Эйлер в знаменитом трактате "Механика, т.е. Наука о движении, изложенная аналитически", осуществил историко-методологический анализ развития механики, пытаясь определить перспективы развития этой науки. Л. Эйлер не только определил место творчества Архимеда, Галилея, Вариньона, Ньютона в судьбе механики, но и сформулировал грандиозную программу построения механики: от динамики частицы (точки) к динамике твёрдого тела, динамике механической системы тел, жидкостей, упругих тел. Сам Эйлер и его выдающиеся современники сделали очень много для реализации этой обширной программы. Вслед за Эйлером поиск единообразного аналитического аппарата механики продолжил Лагранж. Он провёл глубокий историко-научный анализ путей развития механики от античности до своей эпохи.
Формализованный язык механики и методы её построения, введенные Лагранжем, обусловили крупные достижения аналитической механики в 19 в. К середине 19 в. механистическое естествознание и принципы "классической" науки оказались недостаточно эвристичными. Начались дискуссии о значении принципов классической механики, о взаимоотношении механики со смежными отраслями науки. В 1869 г, философский факультет Геттингенского университета объявил специальный конкурс на лучшее сочинение по критической истории общих принципов механики. Одним из победителей конкурса был австрийский физик Эрнст Мах. Критические работы Э. Маха, особенно его "Механика, представленная исторически в её развития", имели шумный успех, встретили и одобрение, и критику Больцмана, Планка, Жуковского и др. То есть история естествознания выделялась как самостоятельная наука, а история механики становились одной из ветвей этой науки. В последние десятилетия 20 века, по мере выделения истории естествознания в особую научную дисциплину, углублялось понимание целей и задач истории механики. История механики как самостоятельная научная дисциплина ставит перед собой цель сформировать глубокие знания основных закономерностей развития механики; наиболее важных факторов и предпосылок её развития; этапов становления механики. Можно определить основные взаимосвязанные задачи, которые ставит и решает история механики как одна из историко-научных дисциплин. Первая задача связана с тем, что изучение истории механики, основных законов её развития помогает представить сущность этой науки через призму истории человеческого познания и практики, глубже понять связь и преемственность основных блоков механического знания. Для многих учёных-механиков историко- научный анализ был не просто "добавкой" к теории, но эффективным средством её постижения. Вторая задача изучения истории механического знания видится в необходимой для любой науки систематизации и классификации накопленных знаний. Следующая важная функция, выполняемая данной дисциплиной, методологического характера и ориентирована на выработку логических и методологических критериев и оценок выбора оптимальных и плодотворных идей и гипотез внутри самой науки. Знание прошлого науки помогает пониманию настоящего и предвидению перспектив дальнейшего развития. И, наконец, знание истории механики помогает решать педагогические задачи: оно обогащает и углубляет педагогический процесс, учит аргументировать и раскрывать теоретические положения, способствует усвоению теоретических знаний, усаливает наглядность, образный строй лекционного материала. Пример жизни и творчества великих учёных обращает внимание студентов на нравственную сторону деятельности учёного, формирует основы научного этоса: служение истине, запрет на плагиат, стремление к познанию неизвестного, социальную ответственность. Единство задач, которые формулирует история механики как самостоятельная научная дисциплина, обусловлено единством и преемственностью самого механического знания. Методология историко-научных исследований связана с философскими позициями в понимании сущности познания, процесса формирования истины, диалектики истины и заблуждения, механизма интеграции социокультурных идеалов, ценностей в ткань научного поиска. В последние два десятилетия главной тенденцией в понимании возможностей и целей науки был отход от позиций классической теории познания Нового времени. Центром внимания классической эпистемологии (теории познания) был анализ готового научного знания, а не процесс его получения. Образ науки включал следующие черты: история науки есть процесс накопления доказанных истин за вычетом ошибок и заблуждений; история генезиса (становления) соответствующей науки не даёт сколько-нибудь значительной прибавки знания о сущности изучаемых явлений и остаётся на периферии внимания учёных; из науки должны быть устранены "метафизические" (в данном контексте философские) принципы и прочие социокультурные факторы; история науки оказывается неизменным и статическим набором фактов. Отход от антиисторической позиции, характерный для современной методологии науки в целом и истории механики в частности, выразился прежде всего в интересе к психологическим и историческим факторам развития науки, в понимании того, что есть безусловная связь между прошлым, настоящим и будущим любой науки. Прошлое науки, в том числе механики, не является ни замкнутым, ни статичным. Чтобы показать прошлое механики как динамическое целое, влияющее на современный и будущий научный поиск, необходимо обозначить основные позиции в общеметодологических подходах к истории механики, выяснить основные факторы и этапы её развития.
Наиболее общей методологической базой оценки истории механического познания является диалектико- материалистическая методология, её ориентация на внутренние противоречия и сложность процесса познания, нелинейный характер развития науки, диалектический характер истинности механического знания. Необходимо обозначить основные методологические подходы, которые применяются при анализе развития науки механики.
Прежде всего, исследователь-механик должен синтезировать исторические и логические стороны развития механики. Фактологическая, систематизаторская работа исследователя в области истории механики неразрывно связана с осмыслением и реконструкцией логики и закономерностей развития самой науки, её внутренней "линии", "оси" развития. Выход за рамки истории механики как совокупности фактов, открытий и изобретений предполагает осмысление развития механики как элемента целого, куда входят такие составляющие, как общественная практика, производительные силы общества, техника, развитие иных естественных наук, гуманитарного знания, философии. Единство исторического и логического, поиск закономерностей, "пробивающихся" через стихию фактов, открытий, заблуждений и ошибок - один из важнейших методологических регулятивов в историко-научных исследованиях. Необходим также обоснованный выбор той модели развития науки, на которую опирается исследователь - историк науки. Механика в этом отношении - наиболее репрезентативная отрасль естествознания, поскольку она имеет длительную историю развития, сыграла большую роль в становлении естествознания современного типа. История и методология естественных наук исходит из того, что развитие науки есть общественное явление, детерминированное всей совокупностью материальных и духовных условий жизни общества и одновременно при этом относительно самостоятельна и автономна в развитии, т.е. имеет внутренние детерминанты для саморазвития. В 60-е годы в кругах философов и историков естествознания шла оживлённая полемика между представителями экстерналистского и интерналистского направлений в истории и методологии науки. Представители экстернализма, лидером которых был английский физик Дж. Бернал, подчеркивали прямое влияние общественно-исторической практики, развития производительных сил общества и техники на развитие науки. Лидером интерналистского направления был А. Койре, французский историк физики. Внимание этих исследователей было сосредоточено на развитии научных идей, особенностях творческого характера, на научном стиле мышления, преемственности методов внутри научной школы и т.д. Каждое из этих направлений рассматривало одну из сторон сложной системы детерминации (обусловленности) научного знания и было по-своему односторонним. Необходимо исходить из признания науки как системы развивающегося знания, включённого в историческую практику человеческого общества, с одной стороны, с другой - сохраняющего относительную автономность и самостоятельность в содержании и направлении развития. Наиболее оптимальна модель истории механики, которая рассматривает её внешнюю и внутреннюю историю. Разделение истории механики на внутреннюю и внешнюю условно, но оправдано в том случае, если перед исследователем стоит задача проследить взаимодействие внутренних и внешних факторов развития науки. "Внешняя" история связана с тем, что ни одна наука не может быть абсолютно изолирована от влияния научного, технического, социального окружения. Социум как целое, и наука как элемент этого целого, развиваются в противоречивом взаимодействии и взаимовлияния. История совместного развития целого, взятая под углом развития одной из научных дисциплин - механики, есть внешняя история этой науки. Главной движущей силой этой истории выступают производительные силы общества и центральный её компонент - техника, её механическая составляющая. Проблема конструирования различных машин и механизмов, проблеме расчёта равновесия и движения различных материальных тел, деталей машин и сооружений являлись на разных этапах истории источником конкретного влияния на развитие процесса познания в механике. Техническое влияние отразилось на развитии различных направлений механической науки - "строительная механика", "механика космического полёта", "биомеханика". В 17 веке, например, почти все выдающиеся механики, как теоретики, так и практики, - Галилей, Гюйгенс, Гук, Г. фон Вик, И. Тюро и др. - упорно занимались проблемой колебания маятника - простого и составного. Задача имела прямое отношение к проблеме создания точного хронометра (часов). Проблема измерения точного времени была тесно связана с необходимостью астрономической навигации в открытом океане. Таких примеров очень много. Однако осознание запросов строительной техники, военного дела, судоходства, ирригационной техники и астрономии преломлялось через научную картину мира, стиль научного мышления соответствующей эпохи, философское и личностное мировоззрение учёного. Так, например, Н.Коперник создал гелиоцентрическую систему мира в то время, когда наблюдательный материал астрономии, низкий технический уровень техники астрономического наблюдения, необходимый для обоснования этой гипотезы, был ещё недостаточен. Следовательно, явления, подтверждающие эту гипотезу – параллакс звёзд, аберрация света и др. - не могли быть установлены. В создании гипотезы Коперника сыграли решающую роль антисхоластический характер мировоззрения эпохи Возрождения, новые принципы натурфилософского понимания мира. Таким образом, внутренние импульсы развития механики также играют немаловажную роль в её развитии
На основе взаимодействия основных факторов развития механики её история рассматривается согласно следующей периодизации. 1. Элементарный период развития науки механики охватывает большой промежуток времени от 5-4 вв. до н.э. до середины 17 в. В этот период домануфактурного развития промышленности механическая часть техники остаётся на элементарном уровне развития, испытывая медленную эволюцию. Характерно отсутствие машин со сложными исполнительными механизмами, примитивное состояние техники военных метательных машин как механических, так и, начиная с 14 века, огнестрельных. На протяжении элементарного периода развития механики исследованию подвергаются лишь самые простые виды равновесия и движения материальных тел под действием простейших факторов: силы тяжести, силы живой тяги и т.д. Формирование научных абстракций механики находится в зачаточном состоянии. Познание основных законов движения и равновесия началось к этому времени, однако простота задач механики не выходит за область компетенции элементарной геометрии, арифметики и элементарной алгебры. Причём эти разделы математики разрабатываются при активном участии учёных-механиков. 2. Период формирования основных понятий и основных законов механики длился с середины 17 в. до конца первой трети 18 в. Этому периоду соответствует расцвет мануфактурной промышленности. С запросами механической части техники сочетается интерес к теоретической астрономии, теории движения планет, Солнца, Луны. Это было время развивающегося мореплавания, географических открытий, завоевания заморских колоний. В механике в это время происходит постепенное преодоление разобщённости между различными самостоятельными направлениями этой науки: между динамикой и статикой. Появляется ряд новых задач - задача о движении соударяющихся тел, задача о движении маятника, задача расчёта движения текущей воды и другие. В этот период, с одной стороны, резко выявилось стремление преодолеть ограниченность и упрощённость процесса познания законов механических движений. С другой стороны, характерно стремление установить и познать общие законы движения и равновесия, охватывающие весь объём затронутого практикой конкретного механического материала. Именно поэтому в это время начинается формирование основных научных абстракций механики, её понятий и законов. Повышенные требования к количественному анализу влекут за собой разработку основ дифференциального и интегрального исчисления. 3. Аналитический период развития науки механики хронологически охватывает вторую треть 18 - начало 20 в. Основными событиями этого времени выступают промышленная революция 18 в. и, как её следствие, развитие крупной фабрично-заводской промышленности вплоть до конца 19 в. На этом этапе завершился процесс формирования принципиальных основ механики. Появились новые факторы, влияющие на характер развития механики. Это запросы механической части техники, запросы механического естествознания 18 века, относительно автономные потребности и стремления самой механики. Модели "материальной точки", "абсолютно твёрдого тела", "идеальной жидкости " - основные научные абстракции так называемой "классической механики", найденные в конце предыдущего периода, принимают окончательно сформулированный вид. Создаётся аналитическая динамика, основной раздел классической механики, в ответ на потребности широких конкретных приложений теории движения и равновесия к различным частным задачам практики. Формируется аппарат дифференциальных уравнений движения как математический аппарат для решения таких задач. Содержание классической аналитической механики на 1-м этапе её оформления в эпоху промышленной революции составляют новые методы исследования в механике вместе с многочисленными конкретными приложениями теории к практическим проблемам техники и естествознания 18 в. После завершения промышленной революции в начале 19 в. происходит успешное экстенсивное развёртывание аналитической механики и её конкретных приложений. Но, уже во второй половине 19 в. процесс развития аналитической механики явно "затухает", начинают играть всё более существенную роль ряд специальных механических дисциплин, стихийно возникающих в различных разделах крупной промышленности, в связанных с нею разделах техники. В связи с усложнением самих механических процессов, используемых в промышленности, в механике появляются задачи о более сложных видах движения, чем раньше и, соответственно, вводятся новые научные абстракции и модели материальных тел, происходит процесс отделения от классической механики ряда новых самостоятельных дисциплин. Механика самым активным образом включается в процесс становления "неклассической науки". 4. Физико-технический период развития механики начинается с конца 19 в. и продолжается вплоть до наших дней. Характерной особенностью способа производства на этой стадии является использование новых свойств вещества и факторов взаимодействия материальных тел. Этот период характеризуется также переходом к производству машин, выполняющих сложные технические процессы, и возникновением автоматического производства. Машины заменяют человека в самых разнообразных и ответственных функциях, включая логические: запоминание, отбор, классификация, решение уравнений, конструирование и моделирование, контроль и экспертиза и т.д. Процесс этот развивается. Механика также переходит в новую фазу развития. Бурно продолжается процесс выделения отдельных механических дисциплин и, соответственно, расширяется круг механических абстракций. Появляются такие понятия, как сжимаемая жидкость, пластичные материалы, тело переменной массы, вязкая жидкость и др. Кроме основных принципов классической механики вводятся новые гипотезы о свойствах движения материальных тел, учитывающие физические, химические и другие процессы, происходящие в изучаемых телах. Пересматриваются такие фундаментальные понятия механики, как сила, масса, пространство, время. Новая отрасль физики - релятивистская механика, тесно связанная со старой классической механикой, выработала более глубокое понимание категорий пространства и времени, относительности движения. В рамках этой науки по-новому трактуются вопросы инвариантности законов природы относительно системы отсчёта, вопросы о зависимости массы движущегося материального объекта от скорости движения и др. Ньютоновская механика содержится в релятивистской как некоторый предельный случай. В этот период происходит тесное сближение механики с другими отраслями естествознания: физикой, химией, биологией, геофизикой, метеорологией, астрофизикой и др. Происходит дальнейшая техническая специализация механического знания (ракетная механика, механика композитов и т.д.) Необходимо отметить, что временные границы основных фаз развития механического познания довольно расплывчаты, что связано с невозможностью датировать изменения в сдвигах развития производства, техники, науки.
Изменение принципов механики, изменение понятия "механическое движение", расширение предмета и абстрактных моделей механики, возникновение в физике новых представлений о пространстве и времени, массе и поле, характере взаимодействия материальных объектов и другие изменения ставят перед историей механики проб- лему историко-методологического сравнения и анализа развития механики: например, "классического" и "неклассического" типа. Возникают трудности терминологического и методологического характера: "стыковки" последовательно сменяющих друг друга фундаментальных теоретических систем, проблемы выбора конкурирующих теорий и гипотез. Решая эти проблемы, невозможно не использовать комплекс понятий, представлений, теорий, которые разрабатываются в особой области философского знания - методологии науки. Предметом методологии науки выступают многообразные методы, приемы, операции научного исследования, его нормы и идеалы, структура и формы организации научного знания. Такие понятия, как эмпирический и теоретический уровни науки, научная революция, научная картина мира, идеалы и нормы науки активно используются в историко-методологическом анализе и составляют его понятийный аппарат. Современная методология науки интенсивно использует материал истории науки. Наиболее активно в истории механики осмысливалась проблема соотношения теоретического и эмпирического уровней механического знания. В структуре механического, как и любого другого научного знания, выделяются прежде всего два уровня знания – эмпирический и теоретический. Этим уровням соответствуют и специфическая познавательная деятельность - эмпирическая и теоретическая, которые различаются по предмету, средствам исследования, особенностям методов. Рассматривая отличие по предмету, можно сказать, что эмпирическое исследование в основе своей ориентировано на изучение явлений и зависимостей между ними. Среди таких зависимостей можно назвать, например, нахождение периода колебаний маятника с неподвижной и движущейся точками подвеса; экспериментально найденная зависимость между напряжением в теле и действующими на него усилиями - закон Гука в теории упругости и др. Познание на эмпирическом уровне не сводится только к фиксации данных наблюдения, но на основе этих данных формируется особый тип знания - научный факт. Теоретическое познание способствует выделению сущностных связей в "чистом" виде, т.е. находит и формулирует отношения между законами, которым подчиняется данный объект. Коли эмпирическая зависимость, в основном, результат индуктивного обобщения, то теоретический закон - это достоверное знание, которое достигается c помощью особых теоретических средств и методов. Например, теория движения механической системы с несколькими степенями свободы или теория соотношения между напряжениями в изотропных и анизотропных телах. Эмпирия и теория в механике различаются по средствам исследования. Эмпирическое исследование предполагает непосредственный контакт с объектом, поэтому пользуется приборами, приборными установками и другими средствами реального наблюдения и эксперимента. На теоретическом уровне объект изучается только опосредованно, в мысленном эксперименте, но не в реальном. Эмпирический и теоретический языки науки также являются средством познания. Эмпирический язык науки - механики, в том числе является сложным образованием и включает как эмпирические термины, так и теоретические. Смыслом эмпирических терминов являются особые абстракции - эмпирические объекты - "Земля", "расстояние между Землёй и Луной" и др. В теоретическом исследовании применяют, в основном, теоретический язык (теоретические термины) в качестве средства исследования. Все теоретические высказывания классической механики непосредственно характеризуют связи, свойства и отношения идеализированных конструктов, таких, как "материальная точка", "идеальный газ", "твёрдое тело", "сила", "инерциальная система отсчёта" и т.д., которые представляют собой идеализации и не могут существовать в качестве реальных материальных объектов. Например, "сила" в механике определяется как особое свойство одного тела (или нескольких) воздействовать на другое тело и изменять состояние его движения. Это свойство абстрагируется от самих тел и превращается в самостоятельный объект, существующий наряду с другими телами и воздействующий на них. Однако все эти теоретические конструкции механики можно сопоставить с некоторыми фрагментами природы: "материальная точка" - с телами, размерами которых можно пренебречь при решении определённых задач, "инерциальная система отсчёта" - с реальными предметами и процессами, используемыми в роли "линеек и часов", движение которых с определённым допуском можно считать равномерным и прямолинейным. Введение в теорию абстрактных, идеализированных объектов позволяет решить задачу выявления законов взаимодействия объектов "в чистом виде". Соответственно эмпирический и теоретический уровни познания отличаются по своим методам. Для эмпирического уровня - это реальные наблюдения и эксперимент. Для теоретического - метод идеализации (метод построения идеализированных объектов); мысленный эксперимент с идеализированными объектами, которые как бы заменяют реальные; методы построения теории: аксиоматический, гипотетико-дедуктивный и др. Именно методы построения теории стали предметом взаимопротивостояния в истории механики. Примером дедуктивного построения науки является механика и космология Рене Декарта (17 в). Декарт считал, что именно метод дедукции, движение познания от рационального знания к эмпирическому обеспечивает решение основной задачи науки - построение истинной теории и постижение законов природы. С другой стороны, методологический анализ отношения И. Ньютона к гипотезам и опытным данным даёт возможность понять суть индуктявизма Ньютона, формулой которого была известная фраза: "Гипотез не измышляю". В механике, в оптике, в астрономии Ньютон стремился опираться только на опытные принципы, которые могут быть в будущем дополнены, обобщены, изменены, но в основе своей были незыблемы и долговечны. В качестве примера индуктивного подхода могут быть названы многие руководства по строительной механике 19 в. Отделение эмпирического от теоретического, индуктивно-эмпирических методов от дедуктивных, рациональных возможно только в абстракции. В реальном познании эти два слоя знания всегда взаимодействуют. Рассматривая творчество Галилея, можно видеть, как для проведения опытов с падением шариков вдоль наклонных плоскостей, он ввёл свой знаменитый тезис о равновысоких наклонных плоскостях, содержащий зародыши энергетических принципов. Таким образом, опыт и наблюдения в трудах Галилея были опосредованы и освещены глубокими теоретическими соображениями. Научное знание в любой области, в том числе и в механике, является большим числом взаимосвязанных и взаимодействующих между собой различных типов знаний, как на эмпирическом (наблюдения и факты), так и на теоретическом (частные теории и обобщающие теоретические схемы) уровнях. Кроме указанных, в структуре научного знания выделяется особый слой - основания научного знания: идеалы и нормы исследования, научная картина мира и философские основания. Указанные основания науки формируются под влиянием внутринаучных и социокультурных факторов. Эти сложные по природе образования придают целостность научному знанию, интегрируют его в соответствующую социальную и культурную среду. Как и всякая деятельность, научное познание регулируется определёнными установками, идеалами, нормативами, которые выражают цели и ценности науки. Это идеалы и нормы доказательности и обоснования знания, объяснения и описания, организации теории. Одним из таких регулятивов, принципиальных в процессе построения теоретического знания в механике, был и остаётся "принцип простоты", "Принцип простоты" - принцип, регулирующий выбор наиболее оптимальной структуры, организации теории. Системный характер научного знания связан с выбором наименьшего числа принципиальных положений в основании теории. На их основе происходит объяснение большего или меньшего круга явлений, которые входят в "компетенцию" данной теории. Было подмечено, что более простая теория, как правило, оказывается более эффективной по сравнению со сложными многозвенными схемами. Принцип простоты, или иначе "Бритва Оккама", явился обобщением этого опыта познания. Критерии "простоты" теории могут быть различными: эмпирическими и внеэмпирическими, логическими и эстетическими. Классическим примером внеэмпирического математического критерия для выбора пути построения общей теории можно привести критерии простоты, которыми пользовался А. Эйнштейн. Он подчёркивал теоретико-познавательное значение его сравнительной простоты: "Выдающееся эвристическое значение общего принципа относительности состоит вот в чём: он приводит нас к отысканию тех систем уравнений, которые, будучи общековариантными, являются в то же время наиболее простыми, среди этих систем мы и должны искать уравнения поля, выражающие свойства физического пространства" (Эйнштейн А. Собр. научи. трудов, т.IV, с.284). Существуют два современных подхода к интерпретации "принципа простоты": на основе возможности верификации (проверяемости) гипотезы и на основе возможности фальсификации (опровержения) ее.– При первом, исходя из требования проверяемости гипотезы, постепенно "отрезают" дополнительные предположения к основной посылке, а иногда и саму посылку. Как например, в процессе проверки истинности вихревой гипотезы Декарта, для сохранения которой в 18 в. высказывалось большое разнообразие гипотез. Гипотеза "обросла" таким количеством переплетающихся "ветвей", что "бритва Оккама" отрезала вместе с ними и основной ствол: вихревая гипотеза уступила место конкурирующей теории тяготения Ньютона. Другой подход развит К.Поппером на основе принципа фальсификации. Например, проверку истинности траекторий планет И.Кеплер начал с традиционной круговой орбиты. Эту гипотезу легче было опровергнуть, чем гипотезу об эллиптической орбите. Последняя и сохранилась в качестве вполне удовлетворительного приближения к истине. Особым компонентом научного, в том числе механического, знания является научная картина мира. В каждой отрасли науки складывается своя общая картина тех объектов и процессов, которые изучает наука на определённом этапе своего исторического развития. Эта картина определяет видение природы естествоиспытателем, вводит в науку общие представления о структуре изучаемой реальности. Благодаря сопоставлению (объективации) теоретического знания (теорий, теоретических схем) с научной картиной мира, теория может быть представлена как отображение реальных природных процессов. Например, Г.Герц построил свою механику на основе такой системы фундаментальных абстрактных объектов, где заданы только корреляции материальных точек (масс) к пространству и времени. Идея Герца заключалась в том, чтобы любое движение механической системы описать как свободное движение по одному из возможных "прямейших путей", т.е. по геодезическим линиям. Герц показывает, что, исходя из предложенной им теоретической схемы, можно получить известные законы механики и доказать в качестве теорем принцип Гамильтона и принцип наименьшего действия Эйлера-Лагранжа. Казалось бы, этих аргументов достаточно, чтобы обосновать теорию как выражение сущности механических процессов. Тем не менее, Герц включает в изложение своей теории ещё одно обоснование, которое не было следствием из его собственных соображений. Герц ссылается на то, что после успехов теории электромагнитного поля в физике утверждается представление о процессах природы как взаимодействии атомов, молекул, макротело мировой средой - эфиром. Поэтому силовые воздействия одного наблюдаемого тела на другое можно представить как движение частиц - масс мировой среды. Согласно Герцу, если дополнить каждую наблюдаемую механическую систему скрытой материальной системой, носителем которой является эфир, можно в любом случае рассмотреть движение системы как естественное движение по одному из возможных "прямейших путей". Ссылка на существующую в научной картине мира того времени модель взаимодействия (эфир - посредник в передаче взаимодействия одного тела на другое) позволила Герцу представить теорию как образ природных процессов движения. Целостность самим основаниям механики придают соответствующие философски-методологические идеи, представления, функции которых - "включить" соответствующее знание в общемировоззренческий фон культуры эпохи. Эти философские представления дают наиболее общие характеристики материальных объектов (природа движения, пространство, время, взаимодействие и т.д.) и содержат сведения о наиболее общих закономерностях процесса познания. Например, принцип передачи сил в мировом эфире при различных взаимодействиях в природе во многом был связан с философскими представлениями о различии между описанием явлений и их объяснением: явление объяснялось материальными процессами, которые непосредственно не лежат на поверхности явления и образуют его сущность. В истории механики много ярких выразительных примеров взаимовлияния философских воззрений и механического познания; Выдающийся датский астроном Тихо Браге к концу 16 в. обладал большим наблюдательным материалом. Однако понимание мира, которое сложилось в схоластическом мировоззрении и которое он разделял, не позволяло ему принять гелиоцентрическую систему Коперника. Иоганн Кеплер, получивший доступ к журналам астрономических наблюдений Т. Браге, на основе формирующейся Научной картины мира, философские основания которой закладывались философами и учёными эпохи Возрождения - Дж. Бруно, Коперником, достиг поразительных результатов, не потерявших силу и до наших дней. Пример влияния мировоззрения учёного на его научные результаты приводит Л. де Бройль. Он ставит вопрос, почему А. Пуанкаре, заметивший равноправие всех систем отсчёта, полученных из одной допустимой системы с помощью преобразования Лоренца, не сделал решительного шага для построения специальной теории относительности. Ответ следующий: Пуанкаре скептически оценивал физические теории, считая, что принцип удобства - главный при выборе из множества эквивалентных точек зрения и образов. Этот номинализм мешал ему понять тот факт, что среди логически возможных теорий имеются, однако, теории, которые наиболее близки к физической реальности. Взаимодействие науки и мировоззрения было двусторонним. Примером влияния механики на формирование определённой системы мировоззрения, служит возникновение механистического материализма 18-19 вв., обусловленного крупными успехами механики. (Об этом см. следующие части). Влияние философии на механику осуществлялось и осуществляется не только через философские основания науки, но и личное мировоззрение учёных. Таким образом, в данном учебно-методическом пособии изложены определения предмета истории механики и задачи этой научной дисциплины. Описан тот образ исторически развивающейся науки, на который опираются авторы при анализе динамики механического познания. Выделены основные этапы развития механики как науки, а также те методологические понятия и представления, которые служат ориентирами при исследовании исторического развития механики как науки. Часть II partII Предпосылки становления классической механики
История науки мыслит не столько датами, сколько периодами. Она прослеживает влияние общеисторических условий, вводя в свои заключения такие характеристики, как общественная психология, осознанность интересов общественных групп, изменение настроений, религиозных, философских, моральных взглядов. Воздействие вполне определённых общеисторических условий, которые придают истории науки конкретный пространственно-временной характер, делает историю науки частью общей истории человечества. Научные революции, и в их числе наиболее радикальная, завершающая фаза научной революции 16-17 вв. - генезис классической механики - иллюстрируют, неотделимость влияния общеисторического процесса на науку и её внутреннюю логику. Революция в науке - это период такого ускорения темпов её роста, которое связано с преобразованием фундаментальных понятий, принципов, теорий в частных науках, с существенным преобразованием мировоззрения и общей методологии исследования. Историки науки единодушно выделяют 17 век ("великий век") как эру зарождения научных (в противовес схоластическим) методов естествознания. Основные достижения 17 века: установление важнейших законов механики, создание на их основе динамически обоснованной гелиоцентрической системы мира, создание качественно нового математического аппарата механики и физики - дифференциального и интегрального исчисления - составляют ядро научной революции 17 века. Исторические корни классической механики могут быть поняты, если проследить единую линию экономических, социальных и культурных процессов, проходящих через итальянское Возрождение, северный гуманизм - эпоху Реформации и английскую революцию. а) Общественная практика и производство - основная предпосылка становления классической механики В 17 веке освоение колоний, завоевание новых рынков сбыта, вывоз ценного сырья, развитие торговли, мореплавания, кораблестроения и промышленности в целом создавали предпосылки сближения механики с общественно- производственной практикой. Развитие мануфактурной промышленности достигло в середине 17 в. высокого уровня. Водяная мельница с её проблемами верхнебойных, среднебойных и нижнебойных колес, ременных передач от водяного двигателя к фабрике; изобретение доменного процесса, автоматических часов, печатного станка, механизмов для дробления руды в металлургии - все эти достижения ставили на повестку дня введение машин в производство. В научном творчестве голландского учёного Стевина сочетались деятельность инженера и теоретика. Он ввёл аппарат десятичных дробей в арифметику, создал трохлеостатику - теорию действия веревочных машин, теорию и конкретные расчёты плотин, шлюзов.емуже принадлежали исследования равновесия судов с нагруженной вершиной (абордажных). Большой интерес к технике проявлял Галилей. Он изобрёл телескоп, микроскоп, пропорциональный циркуль, составил первые таблицы стрельбы. Морские экспедиции нуждались в приборах. Выдающийся голландский геометр Х. Гюйгенс в содружестве с искусными часовщиками Тюре, Костером изобрёл маятниковые часы, создал теорию их действия. Великая проблема планетных движений со времени Коперника-Кеплера интересовала учёных. Технической предпосылкой точного математического описания движения планет была проблема определения долгот, в чём были остро заинтересованы вое ведущие морские державы. Для использования водной энергии, гидравлических машин практики используют научное знание. Б. Паскаль рассчитал действие гидравлического пресса, усовершенствовал насос вместе с Д. Папеном и Бойлем. Торричелли объяснил факт отказа действия помпы при откачке воды с глубины более 10 метров, создал барометр. Проблема соударения тел, порождаемая картезианской физикой с одной стороны, техническими процессами ковки, трамбовки, чеканки с другой, стала одной из серьёзных тем науки 16-17 веков. В Англии, например, к решению проблем чеканки монет были привлечены И. Ньютон, Э. Галлей и др. в связи с широким распространением фальшивых денег в 17 в. От механики и математики в 17 в. ждали рациональных рекомендаций, оценок, реконструкций тех ремёсел и промышленности, развитие которых через столетие переросло в промышленный переворот. б) Ренессансные предпосылки возникновения классической механики Поздняя схоластика не создала духовные предпосылки радикального переворота в предмете и методах естественных наук, каким явилось зарождение классической механики. Причины его следует искать в эпохе Возрождения, прежде всего в культуре Гуманизма и натурфилософии. Гуманистическое движение (14-16 вв.) возникает и развивается вне традиционных центров средневековой культуры, вне университетских корпораций и орденских традиций. Область интересов гуманистов - филология, история, ораторское искусство, мораль, теология. Но именно обновление общей культуры эпохи привело в конечном счёте к пересмотру традиционных естественнонаучных представлений. Гуманисты "возрождают" античные тексты и перерабатывают их, разрабатывают новую литературную форму учёного сочинения: Галилей в своих посланиях обращается не столько к коллегам по "цеху", сколько к общественному мнению. Гуманисты борются против сугубо профессионального, цехового языка схоластов за очищение, демократизацию латинского языка, обращение его в общеевропейский язык науки. Они разрабатывают научную литературу на национальных языках. "Диалог" Галилея написан на итальянском, "Начала философии" Декарта - на французском, главное произведение Ньютона латыни. Новый тип учёного в Гуманизме - учёный, существующий вне корпораций, индивидуалист. Индивидуализм Гуманизма важен для развития науки. Личное достоинство, знание как личная добродетель и достояние, личные усилия в постижении истины - основные составляющие нового отношения к личности и к природе. "Реабилитация" природы, оправдание мира и человека означало понимание природы как объекта научного исследования, преодоление теологических концепций. Слова Амбруаза Паре "Я предпочитаю быть правым в одиночку, чем ошибаться не только с мудрецами, но и со всем остальным светом", - девиз нового самосознания учёного, без формирования которого невозможно было возникновение новой науки. Окончательное разрушение старой схоластической картины мира предприняла натурфилософия (философия природа) Возрождения. Натурфилософы 16 в, - философы Телеэио и Патрици, Бруно и Кампанелла, медики и математики Кардано, Фракасгро, Чезальпио и др. объясняли природу при помощи её "собственных начал", К числу проблем, которые они решали, относится проблема истины. В трактовке Кампанеллы и Галилея борьба за право философии и науки на постижение истины, независимой от религиозного откровения, принимает форму учения о двух "книгах" - Священного писания и природы. Теория "двух книг" означала отказ от согласования научных гипотез и теорий с буквальным истолкованием библейских текстов. Таким образом достигалась полная самостоятельность науки и философии при провозглашений их глубочайшего единства и согласия. Обращение к "книге Природы" было направлено к непосредственному изучению природы, к опыту, эксперименту; к действительному источнику познания - разуму и ощущению. Главное, в чём натурфилософия 16 в. способствовала созданию предпосылок нового естествознания, была её борьба за новую космологию. Не случайно книга Коперника оказалась "главной книгой" 16 столетия. Идей о бесконечности Вселенной, о материальном единстве Земли и неба, равноправии положения небесных тел и Земли, о власти единых физических законов сформировались в натурфилософии и подготовили учение Коперника. Роль коперникианства в культуре и науке 10-17 вв. невозможно переоценить. Именно геоцентризм в наибольшей степени отвечал теоцентризму (теос - бог) и антропоцентризму (антропос - человек): неподвижная Земля оказывалась в центре сотворённого мира и была гарантией центрального положения человека как божественного творения. В мире, постигаемом с помощью расчётов Коперника, отношение Солнца и других небесных тел к Земле становилось объектом физики и астрономии. Революционный переворот в естествознании, осуществленный К.Коперником, не сводился только к замене геоцентризма гелиоцентризмом. Отказ от физического существования "небесных кругов" Аристотеля, признание естественного характера всех небесных движений взрывали старую космологию, представления о движении, пространстве, времени. Натурфилософы, отказавшись от бега как неподвижного перводвигателя, выдвигают идею о самодвижений тел, инициируют поиск источников движения в самой природе, расчищая путь классической механике. в) Реформация и английская революция как факторы формирования классической механики Воздействие идей Возрождения не было непосредственным, но опосредованным. Ни Галилей, ни Ньютон не читали гуманистов-натурфилософов. Но существовал главным образом психологический результат натурфилософии, искусства, живого обсуждения идей, которые освободили мышление от канонических запретов. Период Реформации в Европе проявил более открытую связь отвлеченных идей с социальной борьбой. Атмосфера Реформации и религиозных войн 16в. создавала культурный потенциал, подтачивавший каноническую средневековую традицию. Для науки весьма существенной стороной Реформации была децентрализация церковной догматики, поскольку религиозные войны привели к множественности церквей. Основная посылка Реформации допустимость непосредственного общения с богом без единого по своей природе посредничества церкви обусловливает близость эмпирического опыта человека самому божеству. Оправдание земного, эмпирического постижения бога в его творениях - идейное ядро Реформации. Поэтому протестанту было легче, чем правоверному католику, указать на венецианский Арсенал, а не на бога как на исходный пункт логических абстракций (Галилей) и перенести всё это в сферу бесконечного абсолютного бытия. Английская революция 1.7 в. - общественный рычаг, столкнувший старые научные идеи с новым временем Ньютона. Противоречия в системе Ньютона имеют аналогии с противоречиями английской революции 17 в., которая происходила в религиозной форме и открыла дорогу радикальным антителеологическим выводам мыслителей следующего поколения. Через конфликты, реставрации и повторные революционные взрывы пробивала себе дорогу победа буржуазной "собственности над феодальной, нации над провинциализмом, конкуренции над цеховым строем, дробления собственности над майоратом, господства собственника земли над подчинением собственника земле, просвещения над суеверием, семьи над родовым именем, предприимчивости над героической ленью, буржуазного права над средневековыми привилегиями*1 (Маркс К., Энгельс ф. Соч., т.6, стр. 115). Если говорить о потребностях Англии, родины И.Ньютона, то период революционных войн принёс стране торговое преобладание, навигационные акты Кромвеля, развитие промышленности - необратимое развитие практического опыта и научно-технических запросов. В Англии не было диктатуры католицизма, не было инквизиции. Реформированная в духе кальвинизма церковь была разделена на враждующие направления и именно наука вела к однозначности выводов и единству картины мира, где бы солнце, планеты, кометы были соединены в гармонии. Именно в Англии была явственно видна связь внутренней логики познания и внешних воздействий эпохи.
Иоганн Кеплер (1571-1630) занимает в небесной механике и астрономии не менее видное место, чем Г. Галилей в генеалогии понятия движения. Изучение Кеплером богатейших астрономическими материалами журналов выдающегося датского астронома Тихо Браге побудило его к многолетним вычислительным работам по выяснению характера движения планет. Труднее всего было объяснить движение Марса: его орбита наиболее заметно отличалась от окружности. Изменяя методы, предположения и подхода, пересчитывая в течение 5 лет до 70 раз все заново, Кеплер установил два закона, носящих его имя: закон площадей и эллипсовидную форму орбиты движения планет. Эти результаты появились в 1609 г. в трактате "Новая астрономия". В 1619 г. выходит очередной труд "Гармония мира". Здесь впервые опубликован третий закон Кеплера, который в современной формулировке имеет вид: квадраты звездных времен обращения планет вокруг Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их орбит. Кеплер распространил выведенные им для орбиты Марса законы на остальные известные к тому времени планеты, нашел эксцентриситеты их орбит и изложил свое новое видение астрономии в книге "Очерки коперникианской астрономии". Эта книга предназначалась для разъяснения таблиц планетных движений - Рудольфинских таблиц", актуальность которых для мореплавателей того времени была чрезвычайно велика. Система мира, предложенная И. Ньютоном, основывалась на трех законах Кеплера. Научный вклад Кеплере в развитие математики, механики и астрономии не утратил ценности и в наше время. Творчество Галилео Галилея (1564-1643 г.г.) - одна из вершин в истории механики. Основные работы Г. Галилея- "Сообщение и рассуждения, относящиеся к солнечным пятнам" (1613), "Диалог о двух главнейших системах мира - Птолемеевой и Коперниковой"(1632), "Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки"(1638). В трактате "Беседы..." содержатся основы учения о движении падающих и брошенных тел. В этой работе Галилей выдвинул идей, опережавшие современное ему состояние механики: о том, что начинающее падать из состояния покоя тело проходит через все "степени медленности"; представление о пустоте, развитое затем И. Ньютоном, обусловленное общением Галилея с флорентийскими и венецианскими мастерами. В ходе борьбы за гелиоцентрическую систему Галилей выдвинул положение, сыгравшее огромную роль в дальнейшем развитии механики, астрономии, физики: принцип относительности. Галилей создал теорию равноускоренного движения точки, для доказательства которой применил знаменитые опыты с движением вдоль равновысоких наклонных плоскостей; с маятником. В ходе опытов с маятником он дал элементарную формулировку закона сохранения механической энергии, а также использовал новый ОПЫТНЫЙ принцип, который является элементарным выражением принципа ускоряющих сил, наиболее четко сформулированного Ньютоном в знаменитом 2- м законе динамики. Научная терминология Галилея не была четкой и однозначной, так как новые отрасли науки только создавались, как это и оговаривалось в названии сочинения. Ньютон называл Галилея своим предшественником в деле установления двух первых законов динамики: "До сих пор я излагал начала, принятые математиками и подтверждаемые многочисленными опытами. Пользуясь первыми двумя законами и первыми двумя следствиями, Галилей нашел, что падение тел пропорционально квадрату времени и что движение брошенных тел происходит по параболе"(Ньютон И.Начала, с.50), Галилеем впервые в истории наука познаны, математически описаны и экспериментально проверены законы падения тяжелых тел. Галилей также построил приближенную теорию колебания математического маятника и установил свойство инерции равномерного (неявно предполагаемого прямолинейным) движения тел; закон движения тела, брошенного под углом к горизонту, и принцип суперпозиции скоростей. Исследование такого сложного движения помогает Галилею составить таблицы стрельбы снарядами посредством мортир, рассчитанные им ранее. Большие теоретические достижения сочетались в произведениях Галилея с высокими достоинствами изложения не на латинском, а на народном итальянском языке. Гениальное творчество Галилея было бы немыслимо вне культурной атмосферы Италии того времени, вне окружения учеников, друзей, последователей. Можно говорить о школе Галилея - ученых-механиках Кастелли, Баллиани, Торричелли, Вивиани. Среди них наиболее видное место в истории механики принадлежит Эванджелиста Торричелли (1603-1647). Он в систематическом виде изложил концепции Галилея, дал анализ движения в пустоте тела, брошенного под углом к горизонту, сразу складывая равномерное движение по наклонной (у Галилея - по горизонтали) с ускоренным движением по вертикали. Торричелли предложил известный закон истечения жидкости из отверстия в сосуде - первый количественный результат в динамике жидкостей. Ему принадлежит доказательство наличия атмосферного давления и опровержения идущего от античности положения о том, что природа не терпит пустоты. Это было выдающимся достижением новой физики и важным вкладом в механику жидкостей. Торричелли достиг выдающихся высот в математике. Его ранняя смерть была большой утратой для науки того времени, особенно итальянской. К середине 17 века научная революция прошла значительный путь и достигла огромных успехов. Следует учесть, что тогда не было общеяринятого понятия силы (использовались понятия "вес груза","усилие","мощь","момент"/`работа* и др.), массы (соответственно "массивность тела","громада","вес","тяжесть"). Не было удобных математических обозначений для бесконечно малых величин - перемещений, промежутков времени. Поэтому обозначения мгновенной скорости или виртуального перемещения давалась только словесно, а ускорение как самостоятельное понятие отсутствовало. Строгость доказательства могла быть достигнута только применением геометрических соображений. К этому времени закон инерции (сначала "круговой" - у Галилея, затем прямолинейной у Декарта) снял различие между состоянием покоя и состоянием движения. Система Коперника вытеснила систему Птолемея, и в связи с этим галилеев принцип относительности прочно вошел в науку. Стиралось различие земных ("местных") движений и движений небесных тел. Было освоено представление о мгновенной скорости, а открытие законов падения дало основу для введения меры постоянно действующей силы. В общем виде был сформулирован закон сложения движений. Сила в статике и сила в динамике постепенно становилась единым понятием. Были поставлены самые существенные для дальнейшего развития механики проблемы о законах соударения тел, о центробежной силе и заложены основы теории колебаний (математический маятник, колебания струн). Были введены хотя без достаточно четкого и общепринятого определения такие величины, как момент силы относительно оси, работа силы. Кинематика равнопеременного движения была дана в виде физической теории, а не абстрактной схемы. Львиная доля перечисленных результатов принадлежит Галилею. Так же много значила продемонстрированная им методика исследований - от критически проанализированных данных наблюдений и экспериментов к общим принципам, от последних - к математически выводимым следствиям и к проверке этих следствий на опыте, Галилей разъясняет также неизбежную приближенность теоретических выводов, разграничение существенных и несущественных факторов, понимание чистоты эксперимента и роли математических методов. Во второй половине 17 века центр тяжести новой науки переместился к северу от Альп в Голландию, Англию, Францию. Рене Декарт (1596-1650), выдающийся французский мыслитель, математик, физик и механик, развивал взгляды Коперника, Бруно, Галилея и др. Декарт боролся против схоластической идеологии, провозглашая материальное единство мира. Декарт отождествлял пространство и материю, не оставляя место пустоте. В этом и других тезисах физика Декарта отличается от физики Галилея, Гассенди, Ньютона. Однако расхождения в конкретных взглядах не мешают объединить Декарта и Ньютона как родоначальников механицизма: им обоим присуща критика схоластики, уверенность в материальном единстве мира и в механистической обусловленности всех явлений природы. В основном трактате "Начала философии" Декарт, в противовес схоластическому тезису. "Я верю, потому что нелепо" провозглашает радикальное сомнение как исходный этап познания. Любая предвзятость, груз мертвых традиций, показания наших чувств мешают познанию истины. Известная формула Декарта: "Мыслю, следовательно, существую" на несколько столетий становится девизом рационализма. Путь познания истины, по Декарту, открывается через понятия ясного и внимательного разума - через интуицию. Дедукция как метод познания и построения теории (из общего принципа логически выводятся частые свойства явлений) наиболее полно удовлетворяет деятельности разума. Роль проверки правильности теорий Декарт отводил опыту. Кроме основного принципа, -допускал введение дополнительных гипотез. Декарт пытался осуществить программу полной геометризации механики, поскольку протяженность объявлял основным атрибутом материи. Трудности её осуществления заставляли Декарта вводить множество дополнительных гипотез: гипотеза трех элементов мира, вихревая гипотеза в космогонии и др. Все они через несколько десятилетий были отвергнуты. Декарт сформулировал принцип, раскрывающий сущность явлений природы,- закон сохранения количества движения, изложил в качественном виде аналог закона инерции, дал правила расчета соударения тел. Значителен вклад Декарта в математику. Вклад Декарта в механику невелик по сравнению с Галилеем, но значение Декарта для механики нельзя оценивать только по конкретнонаучным результатам. Декарт дал систему материалистической механистической философия - подвел философскую базу под ускоренное развитие механики. Декарт много сделал для того, чтобы теоретическая механика стала центральной наукой эпохи. После Галилея и Декарта новые крупные успехи в механике были достигнуты при исследовании проблемы удара. Чешский ученый Иоганн Маркус Марци (1595-1667) в трактате "О пропорции движения" изложил оригинальные исследования теории удара, значительно опережавшие науку того времени. Рассматривая центральный удар шаров, движущихся по горизонтальной прямой, Марци сформулировал четыре закона упругого удара. Проблема удара двух тел (или частиц) представляла интерес не только в технике (например, в чеканке денег), но и для объяснения всех процессов в природе на базе картезианской (декартовской) физики, в которой удар признавался единственной формой взаимодействия материальных тел. В 1668-69 г.г. Лондонское Королевское общество объявило конкурс на лучшее исследование по теории соударения тел и пригласило для участия английских ученых Дж. Валлиса, Крена и голландца Х. Гюйгенса (1629-1695). Наиболее полное сообщение, которое содержало основные гипотезы и выводы теорем, представил Х. Гюйгенс. Однако его работа "О движении тел под влиянием удара" была опубликована лишь посмертно в 1703 г. Здесь Гюйгенс рассмотрел закон инерции, определение упругого удара тел, соударения упругих тел неравной массы или скорости. Гюйгенс впервые установил закон сохранения кинетической энергии при ударе, сформулировал кинематический принцип относительности в применении к явлению соударения тел. Французский ученый Э. Мариотт, итальянский ученый Иоганн Бернулли и др. участвуя в знаменитом споре о мере движения в конце I7 в., дали четкую формулировку понятия абсолютно упругого удара, поставили вопрос о возможности перехода механической энергии в другие виды. Для 17 в. характерен интерес к математической теории колебаний маятника. Из переписки ученых 17 в. - Галилея, Мерсенна, Риччиоли, Гримальди к др. можно сделать вывод о том, что ученым было ясно: качания маятника можно и нужно использовать для измерения отрезков времени. Эта научная проблема очень сильно стимулировалась практическими нуждами мореплавания. Решил её Гюйгенс. В 1673 г. вышла известная книга Х. Гюйгенса "Маятниковые часы". Это классическое произведение по богатству и ценности содержания имеет мало себе равных. В первой части описывается великое изобретение Гюйгенса - маятниковые часы. Разрабатывая теорию математического маятника, Гюйгенс показал неизохронность колебаний кругового маятника, разработал для него метод расчета периода колебаний, равносильный приближенному вычислению соответствующего эллиптического интервала. Гюйгенс строго доказал точную изохронность колебаний (любой амплитуды) циклоидального маятника, дал формулу для вычисления этих колебаний, а также и для периода малых колебаний кругового маятника, разработал и осуществил конструкцию циклоидального маятника. В связи с этим Гюйгенс создал новый раздел дифференциальной геометрии - учение об эволютах и эвольвентах. Изобрел часы с коническим маятником. Гюйгенс открыл и объяснил явление параметрического резонанса. Кроме того, в данной работе Гюйгенс изложил ряд математических результатов: спрямление многих кривых, определение площадей некоторых поверхностей и др. Не располагая алгоритмом анализа бесконечно малых, Гюйгенс систематически применяет инфинитезимальные методы в геометрическом оформлении - в этом из современников с ним мог соперничать только Ньютон. В четвертой части Гюйгенс решил поставленную Мерсенном проблему определения периода колебаний физического маятника. Это - начало динамики твердо го тела. В работе, которую проделал Гюйгенс, важен и результат, и метод. В ней налицо то сочетание эксперимента и теории, технической направленности и обобщающего физического мышления, которое было доступно "великим" этого исторического периода: Галилею, Ньютону. Гюйгенс не создал своей картины мира, своей механики. Итоги великого столетия подвел Исаак Ньютон (1643-1727) в единственной опубликованной работе по механике- труде "Математические начала натуральной философии"(1687 г.). Ньютон начал в динамике с исследования удара: сначала удара неупругих тел, затем - упругого удара. Его выводы основаны на экспериментах, причем он лучше, чем его современники, проникает в физику удара. Следующей актуальной проблемой для науки была проблема центробежной силы при круговом движении тел. Кроме записи количественного изменения количества движения, происходит важное уточнение основных понятий механики: Ньютон рассматривает здесь центростремительную силу, реально приложенную к движущемуся по окружности телу и заставляющую траекторию этого тела отклониться от прямолинейной траектории инерционного движения. Эта постоянная по величине сила измеряется изменением количества движения с учетом его направления. В этом - движение ко второму закону Ньютона. Все основные элементы ньютоновской механики определились достаточно рано. В "Началах ..." Ньютона все приведено в систему. Ньютон сразу вводит абсолютное пространство (под влиянием философии Генри Мора), неизменное и неподвижное, и тот репер, который позволяет придать точное содержание закону инерции- первому закону движения, который сформулирован по Декарту. Вводится и абсолютное время (под влиянием математика и механика Исаака Барроу), текущее независимо от тел, та независимая переменная, которая играет столь важную роль в ньютоновском исчислении бесконечно малых. Ньютону принадлежит и введение понятия массы, в отличие от понятия веса у Декарта. Он определяет массу тела как произведение плотности на объем. С введением массы Ньютон получает возможность сформулировать свой второй закон в полной общности: любое изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит в направлении той "прямой, по которой эта сила приложена. Ньютон уточняет понятие "сила" по отношению к этому закону. Из пояснений Ньютона ясно, что он рассматривает силовое поле, создаваемое некоторым центром сил. Однако он же указывает, что рассматривает силы не физически, а математически. Это означало, что он не стремится разъяснить природу, способ действия, физическую основу сил и не связывает их в точном физическом смысле с определенными телами, Центры сил у Ньютона - это математические точки. Такая позиция вела к тому, что понятие силы стало в механике весьма общим, относящимся к любым воздействиям. На современников сильнейшее впечатление произвела данная Ньютоном иллюстрация: вывод из законов Кеплера закона тяготения и доказательство того, что при наличии такого тяготения к центру (солнцу) тяготеющие тела (планеты) движутся по коническим сечениям, в фокусе которых находится центральное тело. Ньютон выводят третий закон механики - о равенстве действия и противодействия. Декарт, Гюйгенс, Бальяни были предшественниками Ньютона в этом вопросе, да и сам Ньютон не притязал на первенство. Правило параллелограмма сил Ньютон поместил в качестве первого следствия после трех основных законов. Он доказывал это правило, явно используя положение о независимом действии сил и сводя доказательство к сложению перемещений, сообщаемых одному и тому же телу импульсами, направленными по сторонам параллелограмма. Это доказательство было неубедительным и для современников, но само правило и единообразную трактовку сил в статике и динамике можно было уже считать общепринятой истиной: в 1687 г. Вариньон опубликовал свой "Проект новой механики" - трактат по статике, основанный на законе параллелограмма сил, и тот же закон в общем виде одновременно дал Лами. Итак, основы классической механики полностью даны Ньютоном во вступительной части его "Начал"; кроме того, на основе общего понятия силы как причины изменения состояния покоя или движения сформулированы две основные задачи механики, из которых одна требует применения дифференцирования, вторая - интегрирования (функций и уравнений): дать математический аппарат для механики, основанной на его законах, и оправдать принятую им пространственно-временную схему, без которых содержание первых двух его законов лишается определенности. Задачи механики определены Ньютоном с полной отчетливость», эти задачи принципиально решены им: они имеют определённый физический смысл и, как сказано в первой фразе авторского предисловия к первому изданию "Начал", им развита математика, необходимая для физических приложений. Можно сказать, что развитие механики в 17 в. завершилось в "Началах" Ньютона: там даны физические основы и законы классической механики, введен и необходимый для их систематического применения математический аппарат и там же содержатся первостепенной важности приложения.
В процессе анализа предпосылок становления классической механики обозначились основные факторы: Возрождение разрушило диктатуру текстов, канонов, абсолютов; Реформация изменила характер религии - здесь потерпели поражение самые устойчивые каноны, ссылки на творения отцов церкви. Затем английская революция 17 в. и революция в Нидерландах продемонстрировали зависимость религиозных и моральных норм и представлений о мире от земного человеческого опыта. Освобождение картины мира от канонизированной традиции и было главной предпосылкой научной революции 16-17 вв., а её завершением - "Математические начала натуральной философии" Ньютона. В чем основное отличие и сходство между началом и завершением научной революции в "Началах" Ньютона? Сходство в том, что и мыслители Возрождения, и Ньютон заменили ссылки на канонические тексты понятиями, принципиально неотделимыми от эмпирического опыта, ссылками на эксперимент. Различие в том, что классическая механика и дифференциальное исчисление придали науке собственно научную форму. Это выразилось в том, что наука приобрела собственный язык - язык математики. В 17 в. были созданы математические основы •классической науки. В это время эвристические силы математики были выявлены не полностью. Зато в 18 - начале 19 вв. в распоряжении механики и физики уже был самостоятельный, оторвавшийся от метафизики, математический язык. Реальный и необратимый виток науки состоял также в том, что уже в 17 в., а еще более полно - в 18 в. и 19 в. естествознание приобрело новую форму и новую структуру, новую организацию. "Великий" век - 17 век объединил ученых, способствовал их общению. Все сильнее ощущалась необходимость централизованного финансирования научной работы, техники экспериментов, публикаций ученых. Во Франции аббат Мерсенн организовывал своеобразные конференции таких ученых, как Декарт, Фабри, Гассенди, Паскаль. В 1666 г. возникла Французская Академия наук. Её первыми членами стали Х.Гюйгенс, Роберваль, Кассини, Мариотт и др. Первые академии наук возникли в Италии: в 1560 г. в Неаполе -"Академия тайн природы", в 1603 г. в Риме - "Академия рысьеглазых". После смерти Галилея в 50-х годах во Флоренции была создана "Академия опытных знаний", которая объединяла Э.Торричелли, В. Вивиани, Дж. Борелли и др. В Лондоне в сер. 17 в. создается частный кружок ученых, которые обсуждали наиболее актуальные вопросы научной революции 16-17 вв.: о циркуляции крови, о гипотезе Коперника, о природе комет и новых звезд, о спутниках Юпитера, о вращении Солнца вокруг своей оси и др. В 1662 г. это общество стало называться Лондонским Королевским обществом. Его гордость - Р.Бойль, К.Рен. Дж. Валлис, Р.Гук и др. В 1700 г. возникает Берлинская, а в 1725 - Петербургская Академия Наук. Возникает и научная периодика. Покровительство работе ученых со стороны монархов и меценатов, новый принцип организации их общения - через академии наук, научные сообщества, с одной стороны, способствовали великим открытиям, а с другой - росли вместе с развитием науки. Формирование науки как особой деятельности и науки как социального института было процессом взаимным. В отходе от натурфилософии и в процессе автономизации естествознания существенную роль сыграла абсолютизация законов механики. Когда естествоиспытатели искали абсолютное "внутреннее совершенство" своих теорий, они выводили его из законов движения Ньютона. Ньютоновская механика на столетия стала универсальной моделью объяснения явлений и организации научного знания. Воздействие механики на культуру и цивилизацию 17-19 вв. поразительно. В основе этого воздействия - единство прикладной и гносеологической функций механики. Для культуры 17 в. весьма характерна идея однозначной, строгой и точной зависимости одних явлений от других. Высшее и крайнее выражение этой идеи - знаменитый лапласовский образ существа, знающего положения и скорости всех частиц Вселенной и могущего предсказать последующее развитие природа и судьбы людей. Наука 17 в. располагает явления в цепочки причин-следствий. Характерная особенность ньютоновской механики - тенденция линеаризации зависимостей пространственных величин от времени. Сначала координаты, потом скорости, ускорения и т.д. рассматриваются как линейные функции времени. Линейные зависимости - примеры научных абстракций. Линейный характер связей между конечными величинами соответствует действительности в той мере, в какой оправдано абстрактное выделение рассматриваемых величин из бесконечной космической связи. Например, картина прямолинейного и равномерного движения по инерции соответствует действительности, пока можно пренебречь силовыми полями; картина равномерно ускоренного движения - пока рассматриваются однородные поля. В 17 в. абстракции механики представлялись абсолютно точным эквивалентом реальности. Абсолютизация идей линейкой связи, представления о неизменной зависимости двух величин, на которую не влияют изменения этих величин, оказала колоссальное влияние на науку и культуру 17-19 вв.: на философию французского Просвещения 18 в., химию, математику, социологию, медицину, космологию. Логика перехода к новой картине мира, к "Началам" Ньютона включала не только собственно логические (внутренние) корни: представления о телах, движущихся криволинейно (Галилей), или прямолинейно (Декарт) по инерции, о центробежной силе (Гюйгенс), кеплеровых законах движения и др. Синтез предшествующих знаний, который осуществил Ньютон, предполагал отход от логики Аристотеля. В трансформации логики отразилась вся совокупность эмпирических впечатлений, производственно-технического опыта, социальных движений, экономических сдвигов, классовых битв, религиозных движений. Творчество Ньютона было завершением длительного периода становления классической механики, охватившего 16 в. и большую часть 17 в. Трансформация представлений о мире в науке 18 в. уже не включала пересмотра наиболее фундаментальных принципов. Идеи Галилея, Декарта, Ньютона и др. мыслителей 16-17 вв. не только противостояли взглядам, существовавшим раньше, но они сделали движение науки необратимым.
Сила приложенная к твердому телу, которое может вращаться вокруг некоторой точки, создает момент силы. Действие момента силы аналогично действию пары сил.
Момент силы
Момент силы относительно некоторой точки — это векторное произведение силы на кратчайшее расстояние от этой точки до линии действия силы.
Единица СИ момента силы:
|
1. |
[M]= Ньютон · метр |
Если:M — момент силы (Ньютон · метр),F — Приложенная сила (Ньютон),r — расстояние от центра вращения до места приложения силы (метр),l — длина перпендикуляра, опущенного из центра вращения на линию действия силы (метр),α — угол, между вектором силы F и вектором положения r, То
|
M= F·l= F·r·sin(α) |
или в виде векторного произведения
Момент силы — аксиальный вектор. Он направлен вдоль оси вращения.Направление вектора момента силы определяется правилом буравчика, а величина его равна M.
Аксиальные векторы не связаны с определенной линией действия. Их можно перемещать в пространстве параллельно самим себе (свободные векторы).
|
2.Биомеха́ника — раздел естественных наук, изучающий на основе моделей и методов механики механические свойства живых тканей, отдельных органов и систем, или организма в целом, а также происходящие в них механические явления. Биомеханические исследования охватывают различные уровни организации живой материи: биологические макромолекулы, клетки, ткани, органы, системы органов, а также целые организмы и их сообщества. Чаще всего объектом исследования этой науки, является движение животных и человека, а также механические явления в тканях, органах и системах. Под механическим движением понимается движение всей биосистемы в целом, а также движение отдельных частей системы относительно друг друга — деформация системы. Все деформации в биосистемах, связаны с биологическими процессами, которые играют решающую роль в движениях животных и человека. Это сокращение мышцы, деформация сухожилия, кости, связок, фасций, движения в суставах. Отдельным направлением биомеханики является биомеханика дыхательного аппарата, его эластичное и неэластичное сопротивление, кинематика (то есть геометрическая характеристика движения) и динамика дыхательных движений, а также другие стороны деятельности дыхательного аппарата в целом и его частей (лёгких, грудной клетки); биомеханика кровообращения изучает упругие свойства сосудов и сердца, гидравлическое сопротивление сосудов току крови, распространение упругих колебаний по сосудистой стенке, движение крови, работу сердца и др. Биомеханика человека — наука комплексная, она включает в себя самые разнообразные знания других наук, таких как: механика и математика, функциональная анатомия и физиология, возрастная анатомия и физиология, педагогика и теория физической культуры. Биомеханика тела Хорошая биомеханика тела обозначает практику правильного положения тела в течение рабочего дня. Помните про биомеханику тела постоянно, не только при возникновении болей в спине.
Рекомендации по положению «стоя» и ходьбе
Рекомендации по положению «сидя»
Если вы думаете, что возникшие у вас проблемы со спиной связаны с вашим рабочим местом, поговорите со своим работодателем на предмет оценки вашего рабочего места. Вы сможете уменьшить риск возникновения у вас проблем со спиной, быть более спокойными и работать более эффективно, если оборудуете ваше рабочее место и рабочие принадлежности с учетом ваших личных потребностей. 1. Верхушка экранного монитора на уровне глаз. 2. Благодаря телефонной гарнитуре вы можете разговаривать или делать что-то другое, например, набирать текст на клавиатуре, не наклоняясь при этом вперед. 3. Подставка для запястий позволяет вам держать ваши запястья в нейтральном, почти прямом положении во время отдыха от работы на клавиатуре. Подставка для запястий не предназначена для использования во время набора текста на клавиатуре. 4. Подставка для ног позволяет поднять ступни, чтобы уменьшить давление на нижний отдел позвоночника. 5. Подлокотники регулируются, что позволяет держать локти ближе к телу и сгибать их под углом 90 ° и 100 °. 6. Регулируемое кресло – можно отрегулировать высоту, оптимальную для расположения ступней на полу или на подставке для ног. Спинку кресла тоже можно регулировать и фиксировать в различных положениях. При правильном положении тела и правильном повороте туловища вы сможете избежать напряжения спины. Для дополнительной поддержки можете подложить под поясницу подушку или валик. |
3.Высокие технологии
Знание законов механики, сопротивления материалов, физики все чаще влияет на спортивные победы. Внедрение высоких технологий разработанных научным путем позволяет улучшать результаты, но в месте с тем и вызывает массу споров. В результате возникает масса споров вокруг этого.
4.Баскетбол
Разгром, скандал, позор. Самый известный скандал. Действующий чемпион лиги
Майами хит и треском поиграл Чикаго булс, разгромный счет 66:108.
В повале винили Новый высоко технологичный мячь
Новое в технологиях ляч крос трекшен. Модель 2006г. В нем нет ни грамма кожи и натуральных материалов, только синтетика. Мяч практически не деформируется при отскоке
благодаря революционному крестообразному креплению сегментов внешней оболочки. По весовым Показателям и маневренности он на голову выше традиционного меча. Но почему тогда вокруг новшества такой скандал…
5.Баскетбольный паркет – дорогое удовольствие.
Его стоимость приближается к цене 3-х комнатнойквартиры в Москве. Порядка 200тыс. Долларов.Укладка хайтек покрытия занимает почти месяц. Далее укладываются многочисленные слои. Последним паркетная доска. И далее покрытие специальным лаком.Эксплуатация должна соответствовать всем заданным параметрам. Даже чарлидеры должны выходить на паркет с защитой на каблуках
6.Корзина умеющая вести себя по разному в зависимости от нагрузки. Изготовленные из композитных материалов. Корзина закреплена на специальный шарнир и может вращаться. Под корзиной газовый амортизатор. Система позволяет избегать множество травм.
7.Специальные тренировки под нагрузкой – резинками.
К поясу спорцмена крепятся 2 резиновых жгута которые позволят тренировать все мышцы под любым углом.Внешне это выглядит забавно.
8.Что спрятано в обуви звезд НБА? Вес одного батинка не привышает 400гр.
Подошва из высокотехнологичной резиныи представляет многослойный пирог.
Верх обуви – прочные нити опоясывают ногу и фиксируют ногу
и действуют по принципу подвесного моста. Комплект формы баскетболиста выполняется из
переработанного пластика, технологии позволяют разделить на активные и пассивные зоны,
обеспечив хорошую вентиляцию пористой структурой.
Список использованных источников
Технологии спорта / Баскетбол / Russia2.tvТеоретическая механика — ВикипедияИстория механики