Классическая механика и границы ее применения

Кинематика дает описание движения тел, не затрагивая вопроса о том, почему тело движется так, а не иначе, т.е. не затрагивает причины движения тела.

Динамика же изучает движение тел в связи с теми причинами (взаимодействия между телами), которые обуславливают тот или иной характер движения. В основе так называемой классической или ньютоновской механики лежат три закона динамики, сформулированные Ньютоном в 1687 году (Исаак Ньютон, 1643-1727 г., английский физик и математик). Ньютоновская механика достигла в течение двух столетий огромных успехов. Однако с развитием науки обнаружились новые факты, которые не укладывались в рамки классической механики. Эти факты получили объяснение в новых теориях — специальной теории относительности и квантовой механике. Любые физические явления, прежде всего движения тел, происходят в пространстве и времени. Пространство выражает прерывность и непрерывность, ограниченность и неограниченность полей и тел, их относительные размеры и взаимное расположение. Время характеризует последовательность явлений, совместность или разделенностъ их друг от друга, относительную их длительность. Поэтому научные представления о пространстве и времени имеют исключительно важное значение для физики. Классическая физика основывалась на представлениях об абсолютных пространстве и времени, введенных в науку Ньютоном. По мере углубления научных знаний об окружающем мире понятия об абсолютных пространстве и времени постепенно обнаруживали свою несостоятельность. В 1905 г. А. Эйнштейном была создана специальная теория относительности, в которой общие пространственно-временные отношения в материальном мире рассматриваются с новой точки зрения. Название теории связано с тем, что в ней принцип относительности, установленный в классической механике по отношению к движению тел, был распространен на любые физические явления. Принцип относительности движения заключается в том, что взаимное перемещение тел в замкнутой системе (системе, на которую не действуют внешние силы) не зависит от того, находится ли она в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения. Системы отсчета, движущиеся одна относительно другой равномерно и прямолинейно, называются инерциальными системами отсчета. Поэтому принцип относительности движения, введенный в механику Галилеем, можно сформулировать так: все законы механики одинаковы в любой инерциальной системе отсчета. Из этого положения вытекает, что одно и то же движение тела наблюдается различно в различных инерциальных системах отсчета. В основе теории относительности лежат два постулата.

1. Равномерное прямолинейное движение замкнутой материаль­ной системы не влияет на ход любых физических (механических, электромагнитных и т. п.) процессов, происходящих внутри системы или законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

2. Скорость света в вакууме является величиной постоянной, не зависящей от равномерного прямолинейного движения источника света относительно наблюдателя. Другими словами: скорость света в вакууме в любых направлениях во всех инерциальных системах одинакова.

На основании специальной теории относительности была создана новая релятивистская механика, законы которой являются более универсальными, чем законы классической механики, так как они могут применяться к любым телам и при любых скоростях движения. Формулы теории относительности при малых скоростях дают результат, практически не отличающийся от формул классической механики. Поэтому можно сказать, что релятивистская механика включает классическую механику как предельный случай при движении тел, скорость которых ничтожно мала по сравнению со скоростью света.

Классическая механика вошла в качестве предельного случая и. в квантовую механику, возникшую в 20-х годах нашего столетия. Таким образом, развитие науки не перечеркнуло классическую механику, а лишь показало ее ограниченную применимость. Классическая механика, основывающаяся на законах Ньютона, является механикой тел больших масс, движущихся с малыми (по сравнению с «с») скоростями.

В наше время значение механики Ньютона не падает, а растет. Анализ работы машин и механизмов основан на классических моделях механики. И не стоит поддаваться иллюзии, будто быстрое развитие вычислительной техники и электроники вытесняет механику. В технике, где все летает, плавает, перемещается и совершает работу, электрические, электронные и прочие устройства чаще всего играют лишь вспомогательную роль, а основная функциональная роль принадлежит механическим системам. К тому же большинство изделий электромеханики и электроники основано на моделях классической механики. Кроме того, трехвековой опыт развития методов научного подхода к проблемам практики, накопленный в классической механике, не может игнорироваться никакой новой наукой.