какое понятие механики является абстрактным

2.1. Абстракция в механике

Ни одна физическая задача не может быть решена абсолютно точно. Решая задачу приближенно, пренебрегают некоторыми факторами, которые в данном случае не существенны, то есть абстрагируются от них. Одна из абстракций в механике — материальная точка.

Материальная точка — это тело, размеры, форма и внутренняя структура которого в данной задаче несущественны.

Механическая система — совокупность тел, выделенная для рассмотрения. Если линейные размеры тел малы по сравнению с расстояниями между ними, а вращением тел вокруг осей, проходящих через них, можно пренебречь, то такую систему можно считать состоящей из материальных точек. Например, вычисляя время автомобиля в пути, можно пренебречь его линейными размерами по сравнению с проходимым расстоянием, то есть рассматривать его как материальную точку. Но, изучая вращение колеса автомобиля, мы должны учесть его форму, массу, размеры. В этом случае первый уровень абстракции нас уже не удовлетворит, и мы переходим на следующий уровень.

Второй уровень абстракции включает понятие абсолютно твердого тела.

Абсолютно твердое тело — это тело, деформациями которого можно в условиях данной задачи пренебречь.

Здесь мы не пренебрегаем размерами тела, но считаем неизменными расстояния между двумя его любыми точками. На этом уровне можно решать задачи о вращении колес и блоков, о работе гироскопов и т. п. Иначе говоря, те задачи, где деформации тела малы по сравнению с его линейными размерами.

Но если нас интересует именно деформация тел, скажем, при расчетах мостов, поведении балок и арок, то мы из области классической механики попадаем в сферу действия других научных дисциплин — теоретической механики, теории упругости и т. п. В этом курсе мы ограничимся первыми двумя уровнями абстракции.

Число степеней свободы механической системы — это число независимых скалярных величин, задание значений которых необходимо для однозначного определения конфигурации системы

Так как наше пространство трехмерно, число степеней свободы материальной точки равно трем. Для системы из материальных точек, между которыми нет жестких связей, число степеней свободы равно, естественно, . При наличии жестких связей между точками число степеней свободы уменьшается на число таких связей. Так, для однозначного указания положения абсолютно твердого тела в пространстве нам надо задать:

Отметим, что упомянутые выше точки тела не должны обязательно находиться на поверхности абсолютно твердого тела или внутри его, они должны быть жестко связаны с телом, то есть расстояние от выбранной точки до любой точки тела не должно меняться в процессе движения.

Таким образом, число степеней свободы для абсолютно твердого тела равняется шести. Для каждой степени свободы системы должно быть написано свое уравнение движения, то есть количество скалярных уравнений движения системы должно совпадать с числом ее степеней свободы.

Тот факт, что у абсолютно твердого тела именно шесть степеней свободы можно пояснить ещё и таким способом. Достаточно очевидно, что указание положения трех жестко связанных с телом и не лежащих на одной прямой точек, однозначно определяет положение всего тела в пространстве. Такие три точки определяют некий треугольник. У трех точек 9 степеней свободы, но это точки абсолютно твердого тела, следовательно, расстояния между ними — длины сторон треугольника — неизменны. Это три связи, следовательно, независимыми из девяти величин остаются только шесть: у абсолютно твердого тела шесть степеней свободы.

Задание трех координат некоторой жестко связанной с телом точки и трех углов, определяющих ориентацию тела удобно тем, что подсказывает разделение всех шести степеней свободы тела на два вида: три «поступательных» и три «вращательных» степени свободы. Мы вернемся к этому вопросу при рассмотрении вращательного движения протяженных тел.

Источник

Абстракция и физ.модели.

Предмет и задачи механики.

Прямая задача механики: если мы знаем причины движения или силы, действующие либо на конкретную точку, либо на материальное тело, то мы вследствие знания законов движения, которые описываются соответствующими дифференциальными уравнениями, решая их мы отвечаем на вопрос, что будет с нашим объектом в любой момент времени.

Обратная задача: если я знаю как движется наблюдаемый мной объект, то я могу найти причины(силы)б которые заставляют его так двигаться.

Материя и движение.

Движение в механике – изменение положения тел в пространстве с течением времени. То движение, которое человек преломляет в своем сознании – механическое. В широком смысле движение материи есть всякое изменение ее. Под движением в механике понимается только его простейшая форма – перемещение тела относительно других тел. Макроскопическими называют обычные тела, окружающие нас, т.е. состоящие из громадного кол-ва молекул или атомов. Под медленными или нерелятивистскими движениями понимают движения, скорости которых очень малы по сравнению со скоростью света в вакууме.

Пространство и время.

Время – свойство материальных процессов иметь определенную длительность, следовать друг за другом в определенной последовательности и развиваться по этапам и стадиям.(совокупность разных или одинаковых процессов в своей длительности, последовательности, стадийности складывается в понятие время)

Пространство и геометрия.

Время, часы, синхронизация часов.

Понятие время неразрывно связано с материальными объектами и их движением, что позволило связать понятие время и материя и сказать, что время – это особая форма существования материи.

Часы-прибор с помощью которого измеряют время.

Понятие синхронизации возникло, когда появилась необходимость измерять длительность какого-либо процесса на различных часах.

Правило синхронизации часов: любые двое часов А и B, находящиеся на расстоянии S друг от друга, синхронизированы, если разность показаний часов в момент прихода светового сигнала в точку нахождения одних часов и его испускания из точки нахождения других равна S/c.Такая синхронизация возможна и непротиворечива для всех пар точек системы отсчета.

Системы отсчета.

Система отсчета- система координат, связанная жестко с материальным телом, которое является абсолютно твердым телом(тв.тело –тело, чьи размеры не изменяются в процессе движения)

Система отсчета = сист.координат + тв.тело + часы в нач.координат

Время и пространство неразрывно связаны, но утверждение, что два различных не одновременных события произошли в одном и том же месте пространства, лишено содержания, пока не указана система отсчета, в которой события рассматриваются.

1. Планарная ск (ǀrǀ=√(x 2 +y 2 )).

2. Полярная ск (ρ=x*cosφ ρ=y*sinφ)

3. Пространственная ск a) прямоугольная (r=√( z 2 ₊x 2 +y 2 )). б) цилиндрическая M(ρ,φ,z).

4. Сферическая ск M(ρ,φ,ϴ).

5. Симметрия законов физики относительно пространственно – временных преобразований.

Абстракция и физ.модели.

В реальном физическом мире связи между явлениями и предметами столь многообразны, что охватить их все невозможно не только в практическом, но и в теоретическом принципиальном смысле. Последнее обстоятельство обусловлено неисчерпаемостью свойств материи. Поэтому при создании моделей принимаются во внимание только существенные для данного круга явлений свойства и связи. Лишь благодаря такому ограничению удается создать модель, которую возможно охватить мысленным взором. Задача отбрасывания всего несущественного для данного явления выступает в качестве важнейшего элемента физического исследования. Учет лишь существенных факторов сводится к абстрагированию от реальной ситуации к созданию модели в рамках принятых абстракций.

Абстракции— это такие понятия, которые отображают только некоторые определенные свойства предметов или некоторые определенные характеристики процессов.

Физические модели являются приближенными моделями, и их справедливость может быть гарантирована лишь в пределах применимости употребляемых абстракций. Вне этих пределов модель может стать неприменимой и даже бессмысленной. Для построения моделей механических систем важнейшей абстракцией является понятие материальной точки.

Источник

Механика, ее разделы и абстракции, применяемые при изучении движений

Механику обычно делят на 3 части: кинематику, статику, динамику.

В кинематике рассматривается движение тел вне связи с причинами, которые вызывают это движение или изменяют его.

В статике изучаются законы равновесия одного тела или системы тел.

Динамика рассматривает законы движения тел и причины, которые вызывают или изменяют движение.

При анализе сложных процессов, где трудно проследить и выявить основные причинные связи, стараются прежде всего отделить главные закономерности от второстепенных. При этом с целью упрощения рассматривают условную схему явления, пользуясь научными абстракциями. Без применения физических абстракций, отображающих только частично процесс или какую-либо из его сторон, любая, даже простейшая, задача будет разрешимой.

В механике пользуются следующими абстракциями:

а) материальная точка;

б)абсолютно твердое тело;

в) абсолютно упругое тело и др.

Аналогично можно рассматривать движение океанского лайнера в порту и океане и т.д.

Правильность выбранной абстракции подтверждается совпадением, определенной

точностью результатов теории и опыта.

Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.005 сек.)

Источник

Тема 2. Основные положения классической механики

ТЕМА 2. Основные положения классической механики

В ходе изучения важно запомнить : разделы механики, понятие о механическом движении и его свойствах, определение системы отсчета, постулаты классической механики, используемые в механике модели тел и виды движений, теорему о механическом движении.

2.1. Что изучает механика

Механика – раздел физики, в котором изучается механическое движение.

Механическим движением называется изменение взаимного расположения тел или частей тела относительно друг друга в пространстве с течением времени.

Механика состоит из 3 подразделов – кинематики, динамики и статики.

Кинематика изучает движение тел, не рассматривая те причины, которые это движение обуславливают.

Динамика изучает законы движения тел и те причины, которые вызывают или изменяют это движение.

Статика изучает законы равновесия системы тел.

Основным свойством механического движения является его относительность. Как известно, движение тел происходит в пространстве и во времени. Мы можем говорить только о взаимном перемещении тел относительно друг друга. Произвольно выбранное тело, которое условно считается неподвижным и по отношению, к которому определяется положение материальной точки, называется телом отсчета. Тело отсчета, связанная с ним система координат и часы для измерения времени образуют систему отсчета (СО) положений материальной точки ( рис.2.1 ).

Изменение системы отсчета приводит как видно из рис. 2.2 к изменению характера движения, а, следовательно, к изменению используемых для этого математических выражений.

2.2. Анализ основных положений классической механики

Прежде всего, необходимо сделать два замечания.

1) Перечисленные ниже основные постулаты не были непосредственно сформулированы в момент создания классической механики, в частности в знаменитом труде Ньютона «Математические начала натуральной философии». Они появились много позже в процессе анализа классических трудов и их формулировка, во многом, была вызвана необходимостью понять суть тех противоречий в физике, которые накопились к началу 20 столетия.

2) Классическая механика создавалась в те времена и теми людьми, для которых основой мировоззрения была христианская религия, что непосредственно прослеживается при анализе постулатов.

• Пространство – это «пустое» вместилище тел.

• Течение времени не зависит от системы отсчета.

Дадим краткое пояснение по каждому из постулатов и сравним эти положения с современными представлениями.

Первый постулат является, по сути, калькой с библейской притчи о сотворении мира, в которой пространство и планеты создавались в разные дни творения.

Пространство и время, как известно, являются атрибутами материи, поэтому могут возникать и уничтожаться только вместе с ней. На рис. 2.3 и 2.4 хорошо видно отличие плоского мира классической механики от искривленного (вследствие влияния материи) мира современной физики.

Требование непрерывности обусловлено формальным условием применимости аппарата дифференциального и интегрального исчисления для решения механических задач (этот аппарат специально создавался Ньютоном и Лейбницем для этих целей). Так как условие непрерывности функции является более слабым, чем условие дифференцируемости, использование дифференцируемых функций возможно только в пространстве, обладающем свойством непрерывности.

В современной физике есть разные взгляды на проблему непрерывности пространства. В частности, в некоторых моделях предполагается квантованность пространства (пространство как набор кубиков) и движение частиц представляется по аналогии с движением кузнечика с заданной вероятностью перехода из одного кубика в другой. Однако, мы должны понимать, что проверить эти модели можно только косвенно, по проверяемым следствиям, и часто в качестве критерия выбора модели используется критерий красоты (простоты получаемых уравнений).

Под трехмерностью пространства понимается достаточность задания трех чисел (координат) для определения положения точки в пространстве. Это утверждение кажется нам очевидным, однако давайте проанализируем понятие мерности пространства. В целом ряде научно-фантастических и научно-популярных книг рассмотрено существование двумерных живых организмов, способных передвигаться и наблюдать явления только вдоль поверхности. На рис. 2.5 Вы видите, что такое существо способно одновременно видеть только две стороны квадрата, нарисованного на этой поверхности.

Чтобы увидеть одновременно все четыре стороны квадрата необходимо «выйти» в третье измерение. В трехмерном случае человек видит одновременно только три грани куба, чтобы увидеть сразу все шесть граней необходимо четвертое измерение, например, время. Проблема мерности пространства, как это не покажется странным, связана с возможным видом физических законов. Например, в законе Кулона сила – обратно пропорциональна квадрату расстояния. Такая закономерность возможна только для трехмерного пространства, в случае другого количества измерений показатель степени был бы иной.

Проведенные в конце 19 – начале 20 века исследования трех выдающихся ученых: француза Анри Пуанкаре, голландца Хендрика Антона Лоренца и Альберта Эйнштейна, закончившиеся созданием специальной теории относительности (СТО), сделали общепринятым понимание неразрывной связи между пространственной и временной координатами и необходимости использования при описании движения тел четырехмерного пространства Минковского (четырехмерного пространства-времени).

Начиная с общей теории относительности Альберта Эйнштейна, проводились попытки описать известные взаимодействия как геометрические свойства пространства. В частности, Эйнштейн доказал, что гравитационное взаимодействие может быть описано как искривление четырехмерного пространства-времени. То есть на смену «плоскому» пространству-времени СТО приходит искривленное четырехмерное пространство.

Следующим шагом в развитии идей Эйнштейна было создание чешским физиком Теодором Калуцой теории, которая позволяла описывать электромагнитное поле как свойство некоторого пятимерного пространства-времени. Причем новое пятое измерение принципиально отличалось от четырех ранее известных. Оно было замкнутым, причем с очень малым радиусом порядка м. Для наглядности это можно изобразить как систему колец, прикрепленных к каждой точке четырехмерного пространства-времени.

В дальнейшем в целях геометризации других взаимодействий использовались пространства с еще большим количеством размерностей (шесть, семь, одиннадцать).

Евклидовость пространства подразумевает справедливость в окружающем мире геометрии Евклида.

Под одномерностью времени понимается достаточность задания одного числа для определения положения события во времени. При этом подразумевается, что время может течь (изменяться) только в одном направлении, то есть говорят о стреле времени.

В классической механике течение времени не зависит от системы отсчета, то есть рассматривается единое время. Это противоречит специальной теории относительности Эйнштейна, описывающей процессы в четырехмерном пространстве-времени, каждая из координат которого зависит от выбранной системы отсчета. Однако нужно отметить, что если мы рассматриваем движения тел со скоростями много меньше скорости света, то можно не принимать во внимание влияние системы отсчета на ход времени.

2.3 Используемые в механике модели тел.

В предыдущей главе мы ввели важнейшее для естественных наук понятие – понятие модели. В физике используются механические и математические модели явлений. Важнейшими моделями механики являются материальная точка и абсолютно твердое тело.

Материальная точка – тело, обладающее конечной массой, размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи.

Понятие материальной точки – абстрактное понятие (существующее только в нашем воображении), но его введение облегчает решение конкретных задач.

На рис 2.6 дана иллюстрация понятия материальная точка. Мы можем применять модель, если размеры тела существенно меньше размеров области его возможного движения.

Например, легкоатлета, бегущего по дорожке стадиона, можно рассматривать как материальную точку, а майского жука внутри спичечного коробка – нет.

Абсолютно твердым телом называется тело, форма и размер которого при наличии внешних воздействий могут считаться неизменными, а расстояние между двумя частицами этого тела остается постоянным в процессе движения.

Естественно, что это тоже абстрактное понятие. Как известно, все тела состоят из атомов, находящихся, как и их компоненты – электроны и протоны, в непрерывном движении. Кроме того при достаточно сильном воздействии любые тела деформируются. Надо отметить, что возможность применения модели абсолютно твердого тела не всегда очевидна. Гранитный булыжник на первый взгляд является очень хорошим кандидатом для использования применительно к нему модели абсолютно твердого тела. И действительно для большинства возможных движений это приближение справедливо, так как форма и размеры камня при движении не изменяются. Однако если мы рассмотрим вход такого камня в плотную атмосферу Земли из космоса, то модель окажется не применимой, так как тело при этом частично или полностью сгорает. С другой стороны такой объект как воздушный шарик никак не похож на твердое тело, но если он движется достаточно медленно, то рассматриваемую модель к нему можно применить. Это еще раз демонстрирует тот факт, что выбор модели зависит от рассматриваемой задачи, в частности возможность использования модели абсолютно твердого тела зависит не только от характеристик самого тела, но и от вида рассматриваемого движения.

Рассмотрим еще одну полезную модель.

Абсолютно упругим телом называется тело, деформации которого остаются упругими при любых нагрузках.

Деформация – изменение размеров и формы тела ( рис.2.7 ).

Деформация называется упругой если она полностью исчезает после снятия нагрузки.

2.4. Виды механического движения

Простейшими видами механического движения абсолютно твердого тела являются поступательное и вращательное движение.

Движение тела называется поступательным, если любая прямая, жестко связанная с телом, остается параллельна самой себе в процессе движения ( рис. 2.8 ).На рисунке также изображены векторы скоростей некоторых точек тела. Иногда дают другое определение поступательного движения. Движение тела называется поступательным, если скорости всех точек тела параллельны. Однако, это определение обладает одним существенным недостатком, мы не определили пока что такое скорость.

Вращательным называется такое движение твердого тела, при котором все точки его движутся по окружностям, и центры этих окружностей расположены на одной прямой, которая называется осью вращения ( рис. 2.9 ).

Сформулируем теперь важнейшую теорему, результат которой принципиальным образом определяет структуру механики.

Теорема о механическом движении.

Любое механическое движение абсолютно твердого тела может быть представлено как комбинация поступательного и вращательного движений.

Мы не будем доказывать теорему, а просто проиллюстрируем ее рисунком. На рис.2.10 изображен прямоугольник, совершающий двухмерное движение. Построим центральную линию в прямоугольнике и рассмотрим 2 положения тела: в начальный момент и через промежуток времени. Хорошо видно, что переход из начального положения в конечное можно осуществить последовательно как горизонтальный и вертикальный перенос и поворот на уголвокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка. То есть указанный переход представляет комбинацию поступательного и вращательного движений. Так как — промежуток времени, выбранный произвольно, то вывод справедлив для любого момента времени. Приведенные рассуждения не являются доказательством теоремы, так как рассмотренное тело не произвольное, а движение не трехмерное. Полное доказательство желающие могут посмотреть в курсах теоретической механики.

Таким образом, становится понятным, что достаточно уметь описывать только два вида движения – поступательное и вращательное, так как из них можно скомбинировать почти любое механическое движение.

Источник

Абстракции классической механики

Новый период в развитии представлений о природе связан с возникновением в XVII в. классической механики. Классическая механика – это раздел физики, в котором изучаются законы изменения положения тел в пространстве, а также то, как происходит взаимодействие между телами. Содержание классической механики как физической теории составляют:

1. Принцип относительности Галилео Галилея;

2. Три закона Исаака Ньютона;

Классическая механика основывается на гипотезах о времени и пространстве как элементах абсолютной системы отсчета.

Согласно принципу относительности Галилея все инерциальные системы, то есть такие, которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, равноправны между собой в отношении описания механических процессов и среди них нет выделенных и абсолютных. Во всех инерциальных системах можно наблюдать действие одних и тех же законов, которые не зависят от того, двигается ли та или иная система отсчета относительно другой или покоиться. Понятие абсолютного покоя как естественного состояния бессмысленно.

Первый закон Ньютона утверждает, что всякое тело в отсутствии действия на него сил или при взаимном уравновешивании последних находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. По существу, этот закон постулирует существование инерциальных систем отсчета и является следствием принципа относительности Галилея.

Согласно второму закону Ньютона, ускорение тела пропорционально приложенной к нему силе. Из этого следует, что скорость изменения скорости или ускорение зависит от величины прилагаемой к телу силы и его массы. Поэтому, например, под действием одинаковых сил тела с большой массой приобретают меньшее ускорение.

Третий закон Ньютона утверждает, что при взаимодействии двух объектов они оба испытывают действия сил, причем эти силы равны по величине и противоположны по направлению.

Несмотря на кажущуюся простоту, классическая механика основана на ряде достаточно сильных абстракций, которые вовсе не очевидны с точки зрения опыта обыденных наблюдений. Во всяком случае, если для второго и третьего законов Ньютона нетрудно подобрать примеры, заимствованные из обыденной жизни, то для первого закона это сделать сложнее. Действительно, всякий знает, что для того чтобы бросаемый предмет полетел быстрее, надо приложить большее мускульное усилие (второй закон), а при столкновении двух массивных предметов тот, который несколько тяжелее, после удара откатиться назад на меньшее расстояние чем тот, который легче (третий закон). Что касается первого закона, то отталкиваясь от обыденных наблюдений достаточно сложно прийти к выводу о том, что если бы не было тяготения Земли и трения брошенного камня об воздух, то последний, будучи брошенным со сколь угодно малой силой, летел бы по прямой бесконечно долго и далеко. То же самое можно сказать и о принципе относительности Галилея, ибо понять, что абсолютного покоя нет вообще и последний – это только момент движения (т.е. движение с нулевой скоростью), а не наоборот, на самом деле, достаточно сложно. Так потому, что данное теоретическое рассуждение противоречит опыту восприятию мира живым существом, так как для последнего гораздо естественнее фиксировать движение на фоне покоя, а не наоборот.

Принцип относительности Галилея – это одна из кардинальных новаций, которая отличает физику Нового времени от натурфилософских представлений прошлого. Дело в том, что, как мы уже говорили, для физики Аристотеля было характерно представление о том, что покой – это некоторое «естественное» состояние, к которому все стремится и чем заканчивается любое движение на Земле. В рамках физики Аристотеля покой был абсолютен, а движение понималось как некоторое временное изменение с точки зрения покоя. Теперь же удалось понять, что покой не является особым состоянием, к которому все стремится. Покой и равномерное движение – это одно и то же. Различие между ними носит относительный, а не абсолютный характер.

Что касается постулированных Ньютоном гипотез об абсолютности времени и пространства, то это еще более сильные теоретические допущения, которые также плохо согласуются с опытом обыденного восприятия мира. В связи с этим следует заметить, что хотя содержание этих гипотез принято критиковать с точки зрения более современных представлений (в первую очередь, с позиции теории относительности), однако по сравнению с предшествовавшими им представлениями здравого смысла они могут быть расценены как значительный шаг вперед в деле теоретического познания.

Дело в том, что дотеоретическое восприятие мира в зависимости от той или иной психологической установки может склоняться как к субстанциональному, так и к атрибутивному восприятию пространства и времени. В частности, как субстанциональная (т.е. такая, когда пространство мыслится на манер «вместилища», объема, имеющего длину, ширину и высоту, которое может быть наполнено вещами, но которое также существует и само по себе, без этих вещей), так и атрибутивная (т.е. такая, когда пространство мыслится как свойство, характеристики которого зависят от вещей) трактовка пространства может быть понята как следствие некоторых психологических особенностей восприятия человеком окружающей его естественной среды обитания. Например, когда человек входит в комнату и смотрит на расположенные там вещи или, тем более, хочет разместить там другие, мысленно представляя, поместятся ли они там или нет, то выполнение им этой когнитивной операции будет осуществляться на фоне «естественного» представления о пространстве комнаты как о чем-то, что существует «самом по себе», абсолютно и неизменно, внутри чего может быть что-то расположено меньшее, что фактом своего присутствия не может повлиять на размеры комнаты. Впрочем, в рамках этого примера хорошо просматриваются и психологические предпосылки атрибутивного восприятия: рассматривая комнату с позиции другой психологической установки, можно прийти к выводу о том, что уже размещенные в комнате вещи фактом своего расположения так или иначе задают, как бы организуют пространство внутри помещения. В зависимости от их расположения комната может показаться как «большой и просторной», так и «тесной и маленькой». В принципе, психология размышлений о субстанциональности и атрибутивности пространства на основе опыта обыденных наблюдений вполне укладывается в известную формулу восприятия гештальтпсихологии «фигура – фон», с той особенностью, что в случае субстанционального понимания «фон» – это пространство, а «фигура» – вещи, его наполняющие, а в случае атрибутивного понимания – наоборот.

Хотя спор о субстанциональности и атрибутивности пространства восходит еще к античности, можно сказать, что до появления физики Ньютона в системе взглядов на природу преобладало атрибутивное и даже качественное восприятие пространства. Примером этого могут служить античные и средневековые представления о космосе как о замкнутой целокупности со своим абсолютным и даже этически значимым «верхом» и «низом».

Представление о пространстве в доньютонианскую эпоху в значительно большей степени соответствовали опыту обыденно-естественного восприятия мира, чем те, которые были положены в основание физической картины мира классической механики. Человек в случае естественного и обыденного восприятия имеет дело не с отдельными абстрактными характеристиками и свойствами мира (в частности, не с пространством и временем как абстракциями физики Ньютона), а с теми его свойствами, которые могут быть более непосредственно соотнесены с его обычными способами деятельности и теми потребностями, которые соответствуют им.

Ньютон исходил из идеи абсолютности (субстанциональности) пространства. Геометрические свойства пространства классической механики описываются геометрией Евклида, т.е. это пространство с нулевой кривизной. Поэтому можно сказать, что в модели природы, какой и является классическая механика, умозрительной абстракции в виде системы аксиом Евклида был придан реальный физический смысл. В силу того, что пространство в этой модели природы абсолютно и существует как бы в виде исходной матрицы на которой расположены отдельные предметы, весь мир можно представить в виде множества объектов, которые размещены в тех или иных точках единого и однородного пространства. Координаты этих объектов однозначно определяются указанием на соответствующие значения на осях абсцисс (OX), ординат (OY) и аппликат (OZ) прямоугольной системы координат.

Время классической механики также носит абсолютный характер, т.е. предполагается, что в любой точке единого пространства «течет» одно и то же время. При этом время «течет» равномерно и оно обратимо (понятия абсолютного прошлого не существует). Наглядной моделью времени в смысле классической механики являются незатухающие колебания математического маятники или постоянно повторяющееся вращение планеты по орбите вокруг Солнца (планеты могли бы двигаться как по часовой стрелке, так и против, что и является демонстрацией обратимости или изотропности времени в смысле классической механики).

Абсолютное пространство и время в рамках теории классической механики выполняют функцию абсолютной системы отсчета. Поэтому предполагается, что если известны исходные координаты объекта, его направление движения и скорость, то можно точно рассчитать время и место наступления любого события, которое может произойти с этим объектом.

Принципиальное различие в понимании пространства и времени в рамках классической механики и натурфилософскими представлениями прошлого состоит в следующем:

— если для натурфилософии характерно представление о множестве разных пространств и времен, которые связаны с соответствующими типами природных объектов, то для классической механики свойственно представления об универсальном и едином пространстве и времени, в рамках которых происходят все физические процессы;

— если пространство и время натурфилософии качественно и антропоморфно, что проявляется в том, что пространство здесь может быть «лучше» и «хуже», а время может «начинаться», «заканчиваться», течь «быстрее» или «медленнее», то для классической механики характерно количественное понимание пространства и времени как абстракций чистой протяженности и длительности.

Таким образом, теория классической механики – это пример абстрактной модели природы, которая достаточно далека от обыденных представлений о мире. Эта теория основана на не очевидных предположениях об однородности мирового пространства и одинаковости течения времени во всех его точках и на представлении о соотнесенности движения и покоя.

Принципиальное отличие классической механика как физической теории от натурфилософских изысканий прошлого состоит в том, что эта модель природы основана на умозрительных допущениях и количественно выражаемых абстракциях, которые лишены оттенков антропоморфизма прошлого и которые не являются результатом обобщения опыта житейски-обыденного наблюдения мира. Кроме этого, естественно, научность данной теории подтверждена ее способностью объяснять и предсказывать наблюдаемые в мире события.

Что касается следствий классической механики, которые могут представлять интерес с философской точки зрения, то здесь можно говорить, по крайней мере, о двух моментах:

1. Следствием этой теории является «детерминизм Лапласа»;

2. Обратимость времени в классической механике противоречит данным наблюдений и тем самым способствует постановке вопроса о причине однонаправленности времени.

В Новое время в результате расширенного толкования законов классической механики широкое распространение получило убеждение, что в мире все однозначно определено и поэтому теоретически возможно предсказание сколь угодно удаленных событий будущего и прошлого. Например, если знать начальные условия (масса тела, величина прилагаемой к нему силы и величина сил сопротивления, угол наклона по отношению к поверхности Земли), используя законы классической механики, можно произвести точный расчет будущей траектории движения какого-либо тела, например, пули, снаряда или ракеты. На основании подобных рассуждений французский физик и математик Пьер Симон Лаплас сформулировал положение о предопределенности или детерминированности мировых процессов: все, что может случиться в будущем, уже однозначно предопределено в прошлом и это в принципе (хотя бы теоретически) возможно рассчитать. Проблема детерминированности мировых процессов и вопрос о возможности их причинного объяснения в философии и науке в XVII – XVIII вв. вызвала даже своеобразный спор, некоторые участники которого (например, Г. Лейбниц) склонялись к идее принципиальной детерминированности всего, а другие, наоборот, отрицали это (в особенности, Д. Юм). Строгое научное объяснение проблема детерминированности получила позднее. В частности, в связи с определением понятий «динамический» и «статистический» закон.

Что касается проблемы однонаправленности времени, то знакомство с классической механикой, действительно, ставит этот вопрос, так как с точки зрения данной теории время обратимо.

С одной стороны, существование необратимых процессов в макромире не вызывает сомнения. К ним относится установление равновесной температуры при тепловом контакте горячих и холодных тел, перемешивание первоначально разделенных газов в результате диффузии и т.п. Однако, например, с точки зрения молекулярно-кинетической теории, которая является одним из следствий классической механики и которая сводит тепловые макроскопические процессы к механическим взаимодействиям на микроскопическом уровне, возникновение необратимости достаточно неожиданно, поскольку механические процессы обратимы во времени. Это, например, означает, что снятые при большом увеличении на кинопленку столкновение и разлет двух молекул будут выглядеть на экране вполне правдоподобно, независимо от того, в каком направлении прокручивается пленка. Если же на пленку снят процесс диффузии (перемешивания) газов так, что движение отдельных молекул неразличимо, а система наблюдается в целом как микроскопическая, выбор правильного направления движения пленки не вызовет сомнения.

Проблема понимания механизма возникновения необратимости имеет большое философское значение: наличие необратимых процессов определяет направление течения времени. В мире, где существуют только обратимые процессы, видимо, было бы невозможно отличить прошлое от будущего. Механизм возникновения необратимости можно понять на примере расчета интуитивно весьма маловероятного события – перемещения всех молекул в одну половину комнаты после того, как они были выпущены из баллона, который был расположен в одном из углов комнаты. Очевидно, что вероятность нахождения одной молекулы в выбранной половине объема равно 0,5. Допустим, в комнате всего 100 молекул. Возможность того, что молекулы распределятся в каждой из половин комнаты с вероятностью 50:50 выше, чем вероятность того, что их распределение будет 100:0, 90:10, 80:20 и т.п. Таким образом, вероятность равномерного распределения молекул между двумя половинами объема превосходит вероятность образования вакуума в одной из его половин. В результате хаотического перемещения молекулы могут вновь собраться в той половине комнаты, где был расположен баллон. Если данное событие произойдет, ситуация вернется к своему начальному состоянию и время в рамках данной модели как бы повернется вспять. Это не невозможно, но крайне маловероятно.

С учетом приведенного примера можно сформулировать общий механизм возникновения необратимости макроскопических процессов:

— одинаковые макроскопические состояния могут реализовываться различным числом отличающихся друг от друга микроскопических, переход между которыми не приводит к новым макросостояниям;

— наиболее вероятными являются те макроскопические состояния, которым соответствует наибольшее число микроскопических;

— самопроизвольный выход макроскопической системы из состояния термодинамического равновесия (в этом случае можно было бы говорить об обратимости времени в физическом смысле) теоретически возможен, но крайне маловероятен.

Источник