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Newton ist der Begründer der klassischen Mechanik. Und obwohl Newtons mechanistisches Weltbild heute aus Sicht der modernen Wissenschaft grob und begrenzt erscheint, war es das, was der Entwicklung der theoretischen und angewandten Wissenschaften für die nächsten fast 200 Jahre den Anstoß gab. Wir verdanken Newton Begriffe wie absoluter Raum, Zeit, Masse, Kraft, Geschwindigkeit, Beschleunigung; Er entdeckte die Bewegungsgesetze physikalischer Körper und legte damit den Grundstein für die Entwicklung der Wissenschaft der Physik. (All dies hätte jedoch nicht passieren können, wenn Galileo, Copernicus und andere nicht vor ihm gewesen wären. Kein Wunder, dass er selbst sagte: „Ich stand auf den Schultern von Riesen.“) Lassen Sie uns auf die wichtigste Errungenschaft von Newtons wissenschaftlicher Forschung eingehen - ein mechanistisches Weltbild. Es enthält folgende Bestimmungen:

Die Aussage, dass die ganze Welt, das Universum, nichts anderes ist als eine Ansammlung einer riesigen Anzahl unteilbarer und unveränderlicher Teilchen, die sich in Raum und Zeit bewegen und durch Gravitationskräfte miteinander verbunden sind, die von Körper zu Körper durch die Leere übertragen werden. Daraus folgt, dass alle Ereignisse starr vorherbestimmt sind und den Gesetzen der klassischen Mechanik unterliegen, die es ermöglichen, den Ablauf der Ereignisse vorherzusagen und vorherzusagen. Die elementare Einheit der Welt ist ein Atom, und alle Körper bestehen aus absolut festen, unteilbaren, unveränderlichen Teilchen - Atomen. Bei der Beschreibung mechanischer Vorgänge verwendete er die Begriffe „Körper“ und „Korpuskel“. Die Bewegung von Atomen und Körpern wurde als einfache Bewegung von Körpern in Raum und Zeit dargestellt. Die Eigenschaften von Raum und Zeit wiederum wurden als unveränderlich und unabhängig von den Körpern selbst dargestellt. Die Natur wurde als großer Mechanismus (Maschine) dargestellt, in dem jeder Teil seinen eigenen Zweck hatte und bestimmten Gesetzen strikt gehorchte. Das Wesen dieses Weltbildes ist die Synthese von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen und den Gesetzmäßigkeiten der Mechanik, die die ganze Vielfalt der Erscheinungen und Vorgänge auf mechanische reduziert (reduziert).

Es ist möglich, die Vor- und Nachteile eines solchen Weltbildes zu notieren. Zu den Pluspunkten gehört die Tatsache, dass viele Phänomene und Prozesse in der Natur erklärt werden konnten, ohne auf Mythen und Religion zurückzugreifen, sondern aus der Natur selbst. Was die Nachteile betrifft, gibt es viele. Zum Beispiel wurde Materie in der mechanistischen Interpretation von Newton als eine träge Substanz dargestellt, die zur ewigen Wiederholung der Dinge verdammt ist; Zeit ist eine leere Dauer, Raum ist ein einfaches "Gefäß" von Materie, das weder von Zeit noch von Materie unabhängig existiert. Das erkennende Subjekt wurde aus dem Weltbild selbst eliminiert – es wurde a priori angenommen, dass ein solches Weltbild immer von selbst existiert und nicht von den Mitteln und Methoden des erkennenden Subjekts abhängt. Das mechanistische Weltbild, die von Newton entwickelten Methoden der wissenschaftlichen Erklärung der Natur gaben der Entwicklung anderer Wissenschaften, der Entstehung neuer Wissensgebiete - Chemie, Biologie (zum Beispiel war R. Boyle in der Lage zu zeigen, wie sich Elemente verbinden und andere chemische Phänomene zu erklären, basierend auf Vorstellungen über die Bewegung von "kleinen Materieteilchen" (Korpuskeln)). Auf der Suche nach einer Antwort auf die Frage nach der Ursache von Veränderungen in lebenden Organismen kam Lamarck unter Berufung auf Newtons mechanistisches Paradigma zu dem Schluss, dass die Entwicklung aller Lebewesen dem Prinzip der "zunehmenden Bewegung von Flüssigkeiten" unterliegt. Bis zum 19. Jahrhundert herrschte in der Naturwissenschaft ein mechanistisches Weltbild vor, und das Wissen basierte auf methodischen Prinzipien – Mechanismus und Reduktionismus. Mit der Entwicklung der Wissenschaft, ihrer verschiedenen Bereiche (Biologie, Chemie, Geologie, Physik selbst) wurde jedoch deutlich, dass das mechanistische Weltbild nicht geeignet ist, viele Phänomene zu erklären. So entdeckten Faraday und Maskwell beim Studium der elektrischen und magnetischen Felder, dass Materie nicht nur als Substanz (gemäß ihrer mechanistischen Interpretation), sondern auch als elektromagnetisches Feld dargestellt werden kann. Elektromagnetische Prozesse ließen sich nicht auf mechanische zurückführen, und daher lag die Schlussfolgerung nahe: Nicht die Gesetze der Mechanik, sondern die Gesetze der Elektrodynamik sind grundlegend im Universum. Schließlich zeigte die Entdeckung des Energieerhaltungsgesetzes in den 40er Jahren des 19. Jahrhunderts (J. Mayer, D. Joule, E. Lenz), dass Phänomene wie Wärme, Licht, Elektrizität und Magnetismus auch nicht voneinander isoliert sind (wie man sich das vorher vorstellt), sondern interagieren, gehen unter bestimmten Bedingungen ineinander über und sind nichts anderes als unterschiedliche Bewegungsformen in der Natur. Damit wurde das mechanistische Weltbild mit seiner vereinfachten Vorstellung von Bewegung als einfache Bewegung von Körpern in Raum und Zeit, isoliert voneinander, von der einzig möglichen Bewegungsform – mechanisch, von Raum als „Behältnis“ unterminiert „der Materie und der Zeit als unveränderliche Konstante, unabhängig von den Körpern selbst. 5. Spätes XIX - frühes XX Jahrhundert. geprägt von einer ganzen Kaskade wissenschaftlicher Entdeckungen, die die Unterminierung von Newtons mechanistischem Konzept vollendeten. Um nur einige davon zu nennen: Das ist die Entdeckung eines Elementarteilchens - eines Elektrons, das Teil der Struktur eines Atoms ist (J. Thompson), dann - eines positiv geladenen Teilchens - eines Kerns innerhalb eines Atoms (E. Rutherford, 1914), auf deren Grundlage ein Planetenmodell des Atoms vorgeschlagen wurde: Elektronen kreisen um einen positiv geladenen Kern. Rutherford sagte auch die Existenz eines weiteren Elementarteilchens innerhalb des Atoms voraus – des Protons (das später entdeckt wurde). Diese Entdeckungen stellten die immer noch bestehenden Vorstellungen vom Atom als einem elementaren, unteilbaren Teilchen des Universums, seinem „Baustein“, auf den Kopf. Der nächste handfeste Schlag gegen die klassische Naturwissenschaft wurde von A. Einsteins Relativitätstheorie (1916) versetzt, die zeigte, dass Raum und Zeit nicht absolut sind, sie sind untrennbar mit der Materie verbunden (sie sind ihre attributiven Eigenschaften) und auch miteinander verbunden Bewegung. Einstein selbst hat die Essenz dieser Entdeckung sehr deutlich in seinem Werk „Physik und Realität“ beschrieben, wo er sagt, dass man früher (gemeint ist die Zeit der Dominanz der klassischen Newtonschen Mechanik) geglaubt hat, dass im Falle des Verschwindens aller Materie aus dem Universum würden Raum und Zeit erhalten bleiben, dann stellte die Relativitätstheorie fest, dass sowohl Raum als auch Zeit zusammen mit der Materie verschwinden würden. Gleichzeitig liegt die Bedeutung dieser Entdeckungen darin, dass die Tatsache offensichtlich geworden ist: Das Bild der objektiven Welt wird nicht nur von den Eigenschaften dieser Welt selbst bestimmt, sondern auch von den Eigenschaften des Erkenntnisgegenstands, seine Tätigkeit, persönliche Position, Zugehörigkeit zu einer bestimmten Kultur, hängt von der Interaktion eines erkennenden Subjekts mit Instrumenten, von Beobachtungsmethoden usw. ab. Eine große Errungenschaft der Wissenschaft des 19 Die menschliche Gesellschaft funktioniert, ob sie bestimmten objektiven Gesetzen gehorcht (wie die Natur) oder die Elemente, der Subjektivismus, in ihr wirken. Die Einführung der Technologie in die Produktion, die Stärkung der Waren-Geld-Beziehungen in den Ländern Westeuropas machten es notwendig, die Gründe und Faktoren herauszufinden, die zur Anhäufung des Reichtums der Nation beitragen. So entstand die klassische politische Ökonomie (18. Jahrhundert, Adam Smith), die auf der Idee basiert, dass die Quelle des Reichtums die Arbeit ist und die Regulierung der wirtschaftlichen Beziehungen die Gesetze des Marktes sind. Adam Smith argumentierte, dass die Grundlage der Arbeitsbeziehungen die privaten, individuellen Interessen des Einzelnen seien. „Jeder Einzelne ... hat nur sein eigenes Interesse im Sinn, verfolgt nur seinen eigenen Vorteil und wird dabei von einer unsichtbaren Hand zu einem Ziel geführt, das nicht Teil seiner Absichten war. Indem er seine eigenen Interessen verfolgt, dient er den Interessen der Gesellschaft oft effektiver, als wenn er ihnen bewusst zu dienen versucht. Später, in den 40er Jahren. XIX Jahrhundert kritisierte der deutsche Philosoph K. Marx die klassische politische Ökonomie und schaffte es, den Mechanismus der kapitalistischen Ausbeutung aufzudecken, indem er die Theorie des Mehrwerts schuf. Sowohl das Konzept von A. Smith als auch die Lehren von K. Marx können als die ersten wissenschaftlichen Ansätze zum Studium der Gesetze des sozialen Lebens angesehen werden. Es wäre jedoch ein Fehler, die Sache so darzustellen, dass weder Philosophen noch Wissenschaftler vor Smith und Marx über Gesellschaft und Mensch nachgedacht haben. Es genügt, an Platons Doktrin eines idealen Staates zu erinnern, Projekte über eine gerechte und wohlhabende Gesellschaft von Thomas More ("Utopia"), Tomaso Campanella ("City of the Sun"). Diese Ideen waren jedoch utopischer Natur, es waren nur „Träume“, von einem wissenschaftlichen Ansatz muss in diesem Fall nicht gesprochen werden. Zwar versuchten im 19. Jahrhundert die englischen utopischen Sozialisten F. Fourier (1772-1837) und R. Owen (1771-1858), ausgehend von den Ideen der französischen Materialisten der Aufklärung, eine „Sozialwissenschaft“ zu schaffen ( F. Fourier), aber ihre Lehre von einer gerechten Gesellschaft hat sich nicht von Idealismus und Utopismus befreit. Anzumerken ist, dass sich der Einfluss der naturwissenschaftlichen Erfolge auch im Bereich der Geisteswissenschaften (Psychologie, Pädagogik, Geschichte, Rhetorik, Jurisprudenz) manifestiert hat: die Voraussetzungen für die Anwendung der Methoden der Wissenschaft (Beobachtung, Beschreibung, Experiment) gelten auch für diesen Wissensbereich. Zusammenfassend: Am Ende des 19. Jahrhunderts endete die Periode der Bildung des klassischen Typs wissenschaftlicher Erkenntnisse, in deren Arsenal bedeutende Errungenschaften zu verzeichnen waren. In der Physik ist dies die klassische Mechanik Newtons, später die Thermodynamik, die Theorie der Elektrizität und des Magnetismus; in der Chemie wurde das Periodensystem der Elemente entdeckt, die Anfänge der organischen Chemie gelegt; in der Mathematik die Entwicklung der analytischen Geometrie und der mathematischen Analyse; in der Biologie - Evolutionstheorie, Theorie der Zellstruktur von Organismen, Entdeckung von Röntgenstrahlen usw. Ende des 19. Jahrhunderts hatte man das Gefühl, dass die Wissenschaft Antworten auf fast alle Fragen der Welt gefunden hatte, es gab nur noch wenig zu enträtseln. Und plötzlich - ein neuer Durchbruch - die Entdeckung der Struktur des Atoms, die eine "Krise der Physik" nach sich zog, die später auf andere Wissenszweige übergriff. Heute können wir aus der Ferne der vergangenen Jahre sagen, dass die Jahrhundertwende des 19. und 20. Jahrhunderts stattgefunden hat. markiert den Übergang von der klassischen Wissenschaft zur nichtklassischen (oder postklassischen). Ihre Unterschiede lassen sich wie folgt darstellen:

№	klassische Wissenschaft	postklassische Wissenschaft
1.	Das Subjekt aus dem Objekt herausnehmen.	Anerkennung der Subjektivität von Wissen und Erkenntnis.
2.	Installation auf Rationalität.	Berücksichtigung nicht-rationaler Erkenntnisweisen.
3.	Die Dominanz dynamischer Gesetze.	Berücksichtigung der Rolle und Bedeutung probabilistisch-statistischer Gesetzmäßigkeiten.
4.	Der Untersuchungsgegenstand ist der Makrokosmos.	Untersuchungsgegenstand ist die Mikro-, Makro- und Megawelt.
5.	Die führende Erkenntnismethode ist das Experiment.	Modellierung (einschließlich mathematischer).
6.	Unbedingte Klarheit.	Bedingte Sichtbarkeit.
7.	Eine klare Grenze zwischen Natur- und Geisteswissenschaften.	Löschen Sie diese Kante.
8.	Verantwortliche Disziplin. Die Vorherrschaft der Differenzierung der Wissenschaften.	Differenzierung und Integration (Systemtheorie, Synergetik, Strukturmethode).

Ohne die Essenz der identifizierten Unterscheidungsmerkmale der postklassischen Wissenschaft im Detail aufzudecken (bis zu einem gewissen Grad geschah dies im Zuge der Aufdeckung der Entwicklungsstadien der Wissenschaft), stellen wir fest, dass die darin aufgetretenen Veränderungen eine großen Einfluss auf die Welt als Ganzes und auf die Einstellung der Menschen ihr gegenüber. Dies äußert sich zum einen darin, dass es im modernen Wissenschafts- und Technikzeitalter keine einheitlichen Kanons, allgemein akzeptierten Standards in der Wahrnehmung der Welt, ihrer Erklärung und ihres Verständnisses gibt - diese Offenheit drückt sich im Pluralismus von Ideen, Konzepten, Werte. Ein weiteres (zweites) Merkmal der aktuellen Situation ist der beschleunigte Rhythmus der Ereignisse, ihre semantische Dichte und Konflikthaftigkeit. Drittens hat sich eine paradoxe Situation entwickelt: Einerseits ist der Glaube an die rationale Struktur des Universums verloren gegangen, andererseits gibt es eine Tendenz zur Rationalisierung, Technisierung aller Aspekte des Lebens, sowohl der Gesellschaft als auch des Einzelnen. Das Ergebnis dieser Prozesse ist eine radikale Änderung des Lebensstils, eine Vorliebe für alles Flüchtige, Veränderliche gegenüber dem Beständigen, Traditionellen, Konservativen. Vorlesung Nr. 4 Die Struktur der wissenschaftlichen Erkenntnis

Vielfalt an wissenschaftlichen Erkenntnissen. Empirisches Wissen, seine Struktur und Merkmale. Struktur und Besonderheiten des theoretischen Wissens. Grundlagen der Wissenschaft.

1. In jedem Wissenschaftszweig - Physik, Biologie, Chemie usw. - gibt es eine Vielzahl von Arten oder Formen wissenschaftlicher Erkenntnis - empirische Fakten, Hypothesen, Modelle, Gesetze, Theorien usw. Alle unterscheiden sich voneinander in Der Grad der Verallgemeinerung, zum Beispiel, empirische Tatsachen sind eine Art empirische Realität, dargestellt durch verschiedene Informationsmittel - Texte, Formeln, Fotos, Videobänder und einfach im Alltag beobachtete Phänomene, während das Gesetz die Formulierung allgemeiner Aussagen über die ist Eigenschaften und Beziehungen des untersuchten Fachgebiets (basierend auf Fakten) . Lassen Sie uns einen genaueren Blick auf jeden von ihnen werfen. Die wichtigste Aufgabe der wissenschaftlichen Forschung besteht darin, die Gesetze einer bestimmten, objektiven Tätigkeit zu finden, aufzudecken und sie in geeigneten Begriffen, Theorien, Ideen und Prinzipien auszudrücken. In seiner allgemeinsten Form kann ein Gesetz als ein Zusammenhang zwischen Phänomenen, Prozessen definiert werden, der sich durch Objektivität, Konkretheit, Universalität, Notwendigkeit, Wiederholung und Beständigkeit auszeichnet. Die Stabilität, Invarianz von Gesetzen ist jedoch immer mit bestimmten Bedingungen korreliert, bei einer Änderung, bei der diese Invarianz beseitigt und eine neue generiert wird, die zu einer Änderung des Gesetzes, seiner Vertiefung, Erweiterung oder Einengung führt des Umfangs. Gesetze werden zunächst in Form von Annahmen, Hypothesen entdeckt. Eine Hypothese ist eine Form des Wissens, die eine auf der Grundlage einer Reihe von Tatsachen formulierte Annahme enthält, deren wahre Bedeutung ungewiss ist und bewiesen werden muss. In der modernen Wissenschaftsmethodik wird der Begriff „Hypothese“ in zwei Bedeutungen verwendet:

als problematische und unzuverlässige Wissensform; als Methode der wissenschaftlichen Erkenntnis.

In ihrer ersten Bedeutung muss die Hypothese die folgenden Anforderungen erfüllen:

Einhaltung der in der Wissenschaft etablierten Gesetze; Übereinstimmung mit dem tatsächlichen Material; Konsistenz aus Sicht der formalen Logik (wenn wir über den Widerspruch der objektiven Realität selbst sprechen, muss die Hypothese Widersprüche enthalten); das Fehlen subjektiver, willkürlicher Annahmen (was die Aktivität des Subjekts selbst nicht aufhebt); die Möglichkeit ihrer Bestätigung oder Widerlegung entweder durch direkte Beobachtung oder indirekt - durch Ableitung von Konsequenzen aus der Hypothese.

Es gibt verschiedene Arten von Hypothesen: allgemeine, besondere und Arbeitshypothesen. Allgemeine Hypothesen sind die Grundlage für den Aufbau der Grundlagen wissenschaftlicher Erkenntnisse; sie legen die Muster verschiedener Arten von Beziehungen zwischen Phänomenen nahe. Bestimmte Hypothesen enthalten auch Annahmen, aber über die Eigenschaften einzelner Tatsachen, Ereignisse, spezifischer Phänomene. Eine Arbeitshypothese ist eine Art Ausgangspunkt – eine Annahme, die in der ersten Phase der Studie aufgestellt wird, die eine Art Leitfaden für die Forschungssuche ist. Es sollte auch daran erinnert werden, dass es sogenannte Adhoc (Hypothesen für einen bestimmten Fall) gibt - dies sind Annahmen, die notwendig sind, um eine Reihe von Problemen zu lösen, die sich später als falsche Option herausstellen können. Eine der komplexesten und am weitesten entwickelten Formen wissenschaftlicher Erkenntnis ist die Theorie, die eine ganzheitliche Reflexion der regelmäßigen und wesentlichen Zusammenhänge eines bestimmten Bereichs der Realität darstellt. In der Wissenschaft gibt es bestimmte Kriterien, die eine Theorie erfüllen muss. Um nur einige davon zu nennen:

Die Theorie soll den Tatsachen- und Erfahrungsdaten nicht widersprechen und an vorhandenem Versuchsmaterial überprüfbar sein. Es sollte den Prinzipien der formalen Logik nicht widersprechen und sich gleichzeitig durch logische Einfachheit, „Natürlichkeit“ auszeichnen. Eine Theorie ist „gut“, wenn sie ein breites Themenspektrum umfasst und zu einem zusammenhängenden System von Abstraktionen verknüpft.

Karl Popper, der Wissenschaftsphilosoph, verglich die Theorie mit Netzwerken, die darauf abzielen, das zu erfassen, was wir die reale Welt nennen, um sie zu verstehen, zu erklären und zu beherrschen. Dementsprechend muss eine wahre Theorie allen (und nicht einigen) wirklichen Tatsachen entsprechen und den Anforderungen der Praxis genügen. Popper nannte eine Theorie ein Werkzeug, dessen Prüfung im Zuge seiner Anwendung erfolgt und dessen Eignung anhand der Ergebnisse solcher Anwendungen beurteilt wird. Die Theorie hat eine komplexe Struktur, in der folgende Komponenten unterschieden werden: Konzepte, Gleichungen, Axiome, Gesetze; idealisierte Objekte - abstrakte Modelle; eine Reihe von Techniken, Methoden, Regeln, Beweisen, die darauf abzielen, Wissen zu klären; Philosophische Verallgemeinerungen und Rechtfertigungen. Der Kern einer Theorie (der später besprochen wird) ist ein abstraktes, idealisiertes Objekt, ohne das es unmöglich ist, eine Theorie aufzubauen, da es ein echtes Forschungsprogramm enthält. Es gibt verschiedene Arten von Theorien: mathematische, die sich durch einen hohen Abstraktionsgrad auf der Grundlage von Deduktion auszeichnen. Das dominierende Moment der mathematischen Theorie ist die Anwendung der axiomatischen, hypothetisch-deduktiven Methode und der Methode der Formalisierung. Es gibt Theorien der experimentellen (empirischen) Wissenschaften - Physik, Chemie, Biologie usw. In der modernen Wissenschaft ist es auch üblich, Theorien in phänomenologische und nicht-phänomenologische zu unterteilen. Phänomenologische Theorien beschreiben die Prozesse, Eigenschaften und Qualitäten von Objekten, ohne in das Wesentliche einzudringen, ohne die inneren Mechanismen aufzudecken (z. B. psychologische, soziologische, pädagogische Theorien). Ihre Aufgabe ist es, die Fakten unter Verwendung spezifischer Terminologien zu ordnen und zusammenzufassen. Phänomenologische Theorien entstehen in der Regel im Anfangsstadium der Entwicklung jeder Wissenschaft. Mit der Entwicklung der wissenschaftlichen Forschung wird die phänomenologische Theorie durch eine nicht-phänomenologische oder erklärende ersetzt. Erklärende Theorien offenbaren den tiefen, inneren Mechanismus der untersuchten Phänomene und Prozesse, ihre Interaktion, wesentliche stabile Verbindungen und Beziehungen, das heißt Gesetzmäßigkeiten, die außerdem theoretisch und nicht empirisch sind, da sie auf der Grundlage idealisierter Objekte gebildet werden. Es ist möglich, eine solche Klassifizierung von Theorien als zuverlässig und probabilistisch nach dem Grad ihrer Vorhersagbarkeit zu geben. Zuverlässig sind Theorien der klassischen Mechanik, Physik, Chemie; zur Wahrscheinlichkeitstheorie - die Theorie der Sozial- und Geisteswissenschaften. Auf eine so wichtige Form wissenschaftlicher Erkenntnis sollte man auch als Problem hinweisen. Das Problem ist höchstwahrscheinlich das Wissen über Unwissenheit, darüber, was gelöst werden sollte, welche der vielen Fragen, die während des Studiums eines bestimmten Phänomens auftreten, es wichtig ist, beantwortet zu werden. Die Fähigkeit, ein Problem richtig zu identifizieren, ist oft wichtiger als die Lösung selbst. Was verursacht normalerweise Probleme? Sie entstehen entweder beim Aufeinanderprallen zweier verschiedener Theorien oder bei einem Widerspruch in einem getrennten Problem, oder sie sind das Ergebnis einer Kollision von Theorie und Beobachtung. Die Formulierung und Lösung wissenschaftlicher Probleme erfordert die Wahl bestimmter Forschungsmethoden, die entweder durch ihren Zweck oder durch die Art der zu lösenden Probleme bestimmt werden. Ferner die Verwendung des Begriffsapparates, mit dessen Hilfe es möglich ist, bestimmte Phänomene zu fixieren. Wissenschaftliche Traditionen sind bei der Formulierung und Auswahl eines Problems von großer Bedeutung. Die Vielfalt der Formen wissenschaftlicher Erkenntnis bildet ihre Struktur, die die Einheit stabiler Beziehungen zwischen den Elementen eines gegebenen Systems zum Ausdruck bringt. Die Struktur des wissenschaftlichen Wissens und Erkennens erscheint in verschiedenen Abschnitten und dementsprechend in einer Reihe spezifischer Elemente. Die Struktur der wissenschaftlichen Erkenntnis kann sich unter dem Gesichtspunkt der Wechselwirkung zwischen Gegenstand und Gegenstand der wissenschaftlichen Erkenntnis nach Kriterien wie Gegenstand und Erkenntnismethoden unterscheiden, die es ermöglichen, die Naturwissenschaften (Naturwissenschaften) herauszuheben ), Gesellschaft (Sozialwissenschaften, Geisteswissenschaften) und Wissen selbst (Logik, Erkenntnistheorie, Erkenntnistheorie, Kognitionswissenschaft etc.), nach dem Kriterium der „Grundlagen der Wissenschaft“, wobei drei Elemente herausgegriffen werden: a) Ideale und Normen ; b) philosophische Grundlagen; c) wissenschaftliches Weltbild. Die Struktur wissenschaftlicher Erkenntnis kann auch als Einheit ihrer beiden Hauptebenen – der empirischen und der theoretischen – dargestellt werden. In unserem Vortrag wollen wir, wie sich aus den angegebenen Punkten des Plans ergibt, fast alle Kriterien berücksichtigen, nach denen wissenschaftliches Wissen strukturiert wurde. Fangen wir mit letzterem an, also mit dem Verhältnis zwischen empirischer und theoretischer Wissensebene. 2. Empirisches (experimentelles) Wissen und Erkennen ist eine Aktivität, die auf lebendiger, direkter Betrachtung eines Objekts beruht. Ihre charakteristischen Merkmale sind die Sammlung von Fakten, ihre primäre Verallgemeinerung, Beschreibung von Beobachtungen und Experimenten, ihre Systematisierung und Klassifizierung. Das wichtigste Element der empirischen Forschung ist ein Fakt (von lat. factum – erledigt, erledigt). Der Begriff „Tatsache“ hat die folgenden Bedeutungen: 1) ein Fragment der Realität, das sich entweder auf die objektive Realität oder auf die Sphäre des Bewusstseins und der Erkenntnis bezieht („Fakten des Bewusstseins“); 2) Kenntnis über jedes Phänomen, Ereignis, dessen Zuverlässigkeit nachgewiesen wurde; 3) ein Satz, der empirisches Wissen festlegt (Wissen, das im Laufe von Beobachtungen und Experimenten gewonnen wurde). Tatsachen in der wissenschaftlichen Erkenntnis haben eine doppelte Bedeutung: 1) sie bilden die Grundlage für das Aufstellen von Hypothesen und die Konstruktion von Theorien; 2) sind entscheidend für die Validierung von Theorien. In Fällen, in denen Tatsachen und Theorien voneinander abweichen, braucht es Zeit, die Theorie zu überprüfen, und erst wenn der Widerspruch zwischen ihnen unlösbar wird, wird die Theorie für falsch erklärt. Tatsachen werden nur dann zur „Störung“, zur „Luft“ oder zum „Wissenschaftsbrot“, wenn sie unabhängig davon, ob es den Wissenschaftlern gefällt oder nicht, akzeptiert werden und auch wenn sie den Untersuchungsgegenstand möglichst vollständig und umfassend abdecken (wir sprechen von der Unzulässigkeit einige Tatsachen „abzuschneiden“, ihre einzelnen Fragmente aus der Menge zu reißen). Andererseits sollte man nicht vielen Fakten hinterherlaufen. Das Hauptziel des Forschers bei der Arbeit mit Fakten ist es, eine bestimmte Menge von ihnen zu sammeln, ihnen Bedeutung zu verleihen und ein konzeptionelles System zu konstruieren. Die Sammlung von Fakten wird mit einer solchen Methode empirischen Wissens wie der Beobachtung durchgeführt. Der Wissenschaftler fixiert nicht nur die Tatsachen, denen er begegnet, er wird von einem bestimmten Ziel, einer Hypothese, geleitet, und daher hat die Beobachtung einen systematisierten, geordneten und zielgerichteten Charakter. Der Wissenschaftler registriert nicht einfach irgendwelche Fakten, sondern führt ihre Auswahl, Auswahl durch und belässt diejenigen von ihnen, die mit dem von ihm gesetzten Ziel zusammenhängen.

Mechanik ist ein Zweig der Physik, der die einfachste Form der Bewegung von Materie untersucht - mechanische Bewegung, die darin besteht, die Position von Körpern oder ihren Teilen im Laufe der Zeit zu ändern. Die Tatsache, dass mechanische Phänomene in Raum und Zeit auftreten, spiegelt sich in jedem Gesetz der Mechanik wider, das explizit oder implizit Raum-Zeit-Beziehungen – Entfernungen und Zeitintervalle – enthält.

Mechanik stellt sich ein zwei Hauptaufgaben:

das Studium verschiedener Bewegungen und die Verallgemeinerung der erhaltenen Ergebnisse in Form von Gesetzen, mit deren Hilfe die Art der Bewegung in jedem speziellen Fall vorhergesagt werden kann. Die Lösung dieses Problems führte zur Aufstellung der sogenannten dynamischen Gesetze durch I. Newton und A. Einstein;

Suche nach gemeinsamen Eigenschaften, die jedem mechanischen System im Prozess seiner Bewegung innewohnen. Als Ergebnis der Lösung dieses Problems wurden die Erhaltungsgesetze für so grundlegende Größen wie Energie, Impuls und Drehimpuls entdeckt.

Dynamische Gesetze und die Erhaltungssätze von Energie, Impuls und Drehimpuls sind die Grundgesetze der Mechanik und bilden den Inhalt dieses Kapitels.

§ein. Mechanisches Uhrwerk: Grundbegriffe

Die klassische Mechanik besteht aus drei Hauptabschnitten - Statik, Kinematik und Dynamik. In der Statik werden die Gesetze der Kraftaddition und die Bedingungen für das Gleichgewicht von Körpern betrachtet. In der Kinematik werden alle Arten von mechanischen Bewegungen mathematisch beschrieben, unabhängig von den Ursachen, die sie verursachen. In der Dynamik wird der Einfluss der Wechselwirkung zwischen Körpern auf ihre mechanische Bewegung untersucht.

In der Praxis alles Körperliche Probleme werden ungefähr gelöst: echte komplexe Bewegung betrachtet als eine Reihe einfacher Bewegungen, ein reales Objekt durch ein idealisiertes Modell ersetzt dieses Objekt usw. Wenn man beispielsweise die Bewegung der Erde um die Sonne betrachtet, kann man die Größe der Erde vernachlässigen. In diesem Fall wird die Beschreibung der Bewegung stark vereinfacht - die Position der Erde im Weltraum kann durch einen Punkt bestimmt werden. Unter den Modellen der Mechanik sind die bestimmenden Materialpunkt und absolut starrer Körper.

Materieller Punkt (oder Partikel) ist ein Körper, dessen Form und Abmessungen unter den Bedingungen dieses Problems vernachlässigt werden können. Jeder Körper kann mental in eine sehr große Anzahl von Teilen unterteilt werden, die im Vergleich zur Größe des gesamten Körpers beliebig klein sind. Jeder dieser Teile kann als materieller Punkt und der Körper selbst als ein System materieller Punkte betrachtet werden.

Sind die Verformungen des Körpers bei seiner Wechselwirkung mit anderen Körpern vernachlässigbar, so wird er durch das Modell beschrieben absolut starrer Körper.

Absolut starrer Körper (oder starrer Körper) ist ein Körper, dessen Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten sich bei der Bewegung nicht ändert. Mit anderen Worten handelt es sich um einen Körper, dessen Form und Abmessungen sich während seiner Bewegung nicht ändern. Ein absolut starrer Körper kann als ein System starr miteinander verbundener materieller Punkte betrachtet werden.

Die Position eines Körpers im Raum kann nur in Bezug auf einige andere Körper bestimmt werden. Beispielsweise ist es sinnvoll, von der Position eines Planeten zur Sonne, eines Flugzeugs oder eines Schiffs zur Erde zu sprechen, aber man kann ihre Position im Weltraum nicht ohne Rücksicht auf einen bestimmten Körper angeben. Ein absolut starrer Körper, der dazu dient, die Position eines für uns interessanten Objekts zu bestimmen, wird als Bezugskörper bezeichnet. Zur Beschreibung der Bewegung eines Objekts wird ein Bezugskörper einem beliebigen Koordinatensystem zugeordnet, beispielsweise einem rechtwinkligen kartesischen Koordinatensystem. Die Koordinaten eines Objekts ermöglichen es Ihnen, seine Position im Raum festzulegen. Die kleinste Anzahl unabhängiger Koordinaten, die gesetzt werden müssen, um die Position des Körpers im Raum vollständig zu bestimmen, wird als Anzahl der Freiheitsgrade bezeichnet. Beispielsweise hat ein frei im Raum beweglicher materieller Punkt drei Freiheitsgrade: Ein Punkt kann drei unabhängige Bewegungen entlang der Achsen eines kartesischen rechtwinkligen Koordinatensystems ausführen. Ein absolut starrer Körper hat sechs Freiheitsgrade: Um seine Position im Raum zu bestimmen, werden drei Freiheitsgrade benötigt, um die Translationsbewegung entlang der Koordinatenachsen zu beschreiben, und drei Freiheitsgrade, um die Rotation um dieselben Achsen zu beschreiben. Das Koordinatensystem ist mit einer Uhr ausgestattet, um die Zeit zu halten.

Die Menge des Referenzkörpers, das ihm zugeordnete Koordinatensystem und die Menge der miteinander synchronisierten Uhren bilden das Referenzsystem.

Siehe auch: Portal:Physik

klassische Mechanik- eine Art Mechanik (ein Zweig der Physik, der die Gesetze der Änderung der Position von Körpern im Raum im Laufe der Zeit und die Ursachen dafür untersucht), basierend auf den Gesetzen von Newton und dem Relativitätsprinzip von Galileo. Daher wird es oft genannt Newtonsche Mechanik».

Die klassische Mechanik ist unterteilt in:

• Statik (die das Gleichgewicht von Körpern berücksichtigt)
• Kinematik (die die geometrische Eigenschaft der Bewegung untersucht, ohne ihre Ursachen zu berücksichtigen)
• Dynamik (die die Bewegung von Körpern berücksichtigt).

Es gibt mehrere äquivalente Möglichkeiten, die klassische Mechanik mathematisch formal zu beschreiben:

• Lagrangescher Formalismus
• Hamiltonscher Formalismus

Die klassische Mechanik liefert sehr genaue Ergebnisse, wenn ihre Anwendung auf Körper beschränkt ist, deren Geschwindigkeit viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit ist und deren Abmessungen viel größer sind als die Größe von Atomen und Molekülen. Eine Verallgemeinerung der klassischen Mechanik auf Körper, die sich mit beliebiger Geschwindigkeit bewegen, ist die relativistische Mechanik, und auf Körper, deren Abmessungen mit atomaren vergleichbar sind, die Quantenmechanik. Die Quantenfeldtheorie berücksichtigt quantenrelativistische Effekte.

Trotzdem behält die klassische Mechanik ihren Wert, weil:

1. sie ist viel einfacher zu verstehen und anzuwenden als andere Theorien
2. in einem weiten Bereich beschreibt es die Realität recht gut.

Die klassische Mechanik kann verwendet werden, um die Bewegung von Objekten wie Tops und Baseballs, vielen astronomischen Objekten (wie Planeten und Galaxien) und manchmal sogar vielen mikroskopischen Objekten wie Molekülen zu beschreiben.

Die klassische Mechanik ist eine in sich widerspruchsfreie Theorie, das heißt, in ihrem Rahmen gibt es keine Aussagen, die einander widersprechen. Ihre Kombination mit anderen klassischen Theorien, wie der klassischen Elektrodynamik und Thermodynamik, führt jedoch zu unlösbaren Widersprüchen. Insbesondere sagt die klassische Elektrodynamik voraus, dass die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter konstant ist, was mit der klassischen Mechanik nicht vereinbar ist. Dies führte zu Beginn des 20. Jahrhunderts zu der Notwendigkeit, eine spezielle Relativitätstheorie zu schaffen. Zusammen mit der Thermodynamik betrachtet, führt die klassische Mechanik zum Gibbs-Paradoxon, bei dem es unmöglich ist, die Menge der Entropie genau zu bestimmen, und zur UV-Katastrophe, bei der ein Schwarzer Körper unendlich viel Energie abstrahlen muss. Versuche, diese Probleme zu lösen, führten zur Entstehung und Entwicklung der Quantenmechanik.

Grundlegendes Konzept

Die klassische Mechanik arbeitet mit mehreren grundlegenden Konzepten und Modellen. Unter ihnen sollten hervorgehoben werden:

Grundgesetze

Galileis Relativitätsprinzip

Das Grundprinzip, auf dem die klassische Mechanik basiert, ist das Relativitätsprinzip, formuliert auf der Grundlage empirischer Beobachtungen von G. Galileo. Nach diesem Prinzip gibt es unendlich viele Bezugssysteme, in denen ein freier Körper ruht oder sich mit konstanter Geschwindigkeit in Betrag und Richtung bewegt. Diese Bezugsrahmen werden als inertial bezeichnet und bewegen sich relativ zueinander gleichmäßig und geradlinig. In allen inertialen Bezugssystemen sind die Eigenschaften von Raum und Zeit gleich, und alle Vorgänge in mechanischen Systemen gehorchen denselben Gesetzen. Dieses Prinzip lässt sich auch als Abwesenheit von absoluten, also gegenüber anderen irgendwie abgegrenzten Bezugssystemen formulieren.

Newtonsche Gesetze

Die drei Newtonschen Gesetze sind die Grundlage der klassischen Mechanik.

Das zweite Newtonsche Gesetz reicht nicht aus, um die Bewegung eines Teilchens zu beschreiben. Zusätzlich ist eine Beschreibung der Kraft erforderlich, die sich aus der Betrachtung des Wesens der physikalischen Wechselwirkung ergibt, an der der Körper teilnimmt.

Gesetz der Energieeinsparung

Der Energieerhaltungssatz ist eine Folgerung aus den Newtonschen Gesetzen für geschlossene konservative Systeme, also Systeme, in denen nur konservative Kräfte wirken. Aus fundamentalerer Sicht gibt es eine Beziehung zwischen dem Energieerhaltungssatz und der Homogenität der Zeit, ausgedrückt durch den Satz von Noether.

Jenseits der Anwendbarkeit der Newtonschen Gesetze

Die klassische Mechanik umfasst auch Beschreibungen der komplexen Bewegungen ausgedehnter Nicht-Punkt-Objekte. Die Eulerschen Gesetze bieten eine Erweiterung der Newtonschen Gesetze auf diesen Bereich. Das Konzept des Drehimpulses beruht auf denselben mathematischen Methoden, die zur Beschreibung eindimensionaler Bewegungen verwendet werden.

Die Gleichungen der Raketenbewegung erweitern das Konzept der Geschwindigkeit, wenn sich der Impuls eines Objekts im Laufe der Zeit ändert, um Effekte wie Massenverlust zu berücksichtigen. Es gibt zwei wichtige alternative Formulierungen der klassischen Mechanik: die Lagrange-Mechanik und die Hamilton-Mechanik. Diese und andere moderne Formulierungen neigen dazu, das Konzept der "Kraft" zu umgehen und andere physikalische Größen wie Energie oder Aktion zu betonen, um mechanische Systeme zu beschreiben.

Die obigen Ausdrücke für Impuls und kinetische Energie gelten nur in Abwesenheit eines signifikanten elektromagnetischen Beitrags. Beim Elektromagnetismus wird Newtons zweites Gesetz für einen stromdurchflossenen Draht verletzt, wenn es den Beitrag des elektromagnetischen Felds zum Impuls des Systems, ausgedrückt durch den Poynting-Vektor dividiert durch, nicht enthält c 2, wo c ist die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum.

Geschichte

alte Zeit

Die klassische Mechanik entstand in der Antike vor allem im Zusammenhang mit den Problemen beim Bauen. Als erstes Teilgebiet der Mechanik entwickelte sich die Statik, deren Grundlagen in den Werken des Archimedes im 3. Jahrhundert v. Chr. gelegt wurden. e. Er formulierte die Hebelregel, den Satz über die Addition paralleler Kräfte, führte den Schwerpunktbegriff ein, legte die Grundlagen der Hydrostatik (Archimedische Kraft).

Mittelalter

neue Zeit

17. Jahrhundert

18. Jahrhundert

19. Jahrhundert

Im 19. Jahrhundert findet die Entwicklung der analytischen Mechanik statt in den Arbeiten von Ostrogradsky, Hamilton, Jacobi, Hertz ua In der Schwingungstheorie entwickelten Routh, Zhukovsky und Lyapunov eine Theorie der Stabilität mechanischer Systeme. Coriolis entwickelte die Theorie der Relativbewegung, indem er den Beschleunigungssatz bewies. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurde die Kinematik in einen eigenen Bereich der Mechanik ausgegliedert.

Besonders bedeutsam im 19. Jahrhundert waren Fortschritte in der Kontinuumsmechanik. Navier und Cauchy formulierten die Gleichungen der Elastizitätstheorie in allgemeiner Form. In den Arbeiten von Navier und Stokes wurden Differentialgleichungen der Hydrodynamik unter Berücksichtigung der Viskosität der Flüssigkeit erhalten. Damit einher geht eine Vertiefung der Kenntnisse auf dem Gebiet der Hydrodynamik einer idealen Flüssigkeit: Es erscheinen die Arbeiten von Helmholtz zu Wirbeln, von Kirchhoff, Zhukovsky und Reynolds zu Turbulenzen sowie von Prandtl zu Randeffekten. Saint-Venant entwickelte ein mathematisches Modell, das die plastischen Eigenschaften von Metallen beschreibt.

Neueste Zeit

Im 20. Jahrhundert verlagerte sich das Interesse der Forscher auf nichtlineare Effekte im Bereich der klassischen Mechanik. Lyapunov und Henri Poincaré legten die Grundlagen für die Theorie der nichtlinearen Schwingungen. Meshchersky und Tsiolkovsky analysierten die Dynamik von Körpern mit variabler Masse. Die Aerodynamik hebt sich von der Kontinuumsmechanik ab, deren Grundlagen von Zhukovsky entwickelt wurden. Mitte des 20. Jahrhunderts entwickelt sich aktiv eine neue Richtung in der klassischen Mechanik - die Theorie des Chaos. Auch die Fragen der Stabilität komplexer dynamischer Systeme bleiben wichtig.

Grenzen der klassischen Mechanik

Die klassische Mechanik liefert genaue Ergebnisse für die Systeme, denen wir im täglichen Leben begegnen. Aber ihre Vorhersagen werden falsch für Systeme, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, wo sie durch relativistische Mechanik ersetzt wird, oder für sehr kleine Systeme, wo die Gesetze der Quantenmechanik gelten. Für Systeme, die diese beiden Eigenschaften vereinen, wird anstelle der klassischen Mechanik die relativistische Quantenfeldtheorie verwendet. Für Systeme mit sehr vielen Komponenten bzw. Freiheitsgraden kann auch die klassische Mechanik nicht ausreichen, sondern es werden Methoden der statistischen Mechanik verwendet.

Die klassische Mechanik ist weit verbreitet, weil sie erstens viel einfacher und leichter anzuwenden ist als die oben aufgeführten Theorien, und zweitens große Möglichkeiten zur Annäherung und Anwendung für eine sehr breite Klasse physikalischer Objekte hat, ausgehend von den üblichen, wie z als Kreisel oder Kugel, bis hin zu großen astronomischen Objekten (Planeten, Galaxien) und sehr mikroskopischen (organische Moleküle).

Obwohl die klassische Mechanik im Allgemeinen mit anderen "klassischen" Theorien wie der klassischen Elektrodynamik und Thermodynamik kompatibel ist, gibt es einige Widersprüche zwischen diesen Theorien, die im späten 19. Jahrhundert gefunden wurden. Sie können mit Methoden der moderneren Physik gelöst werden. Insbesondere sind die Gleichungen der klassischen Elektrodynamik unter Galilei-Transformationen nicht invariant. Die Lichtgeschwindigkeit geht als Konstante in sie ein, was bedeutet, dass klassische Elektrodynamik und klassische Mechanik nur in einem gewählten Bezugsrahmen des Äthers kompatibel sein könnten. Die experimentelle Überprüfung ergab jedoch nicht die Existenz des Äthers, was zur Schaffung der speziellen Relativitätstheorie führte, in der die Gleichungen der Mechanik modifiziert wurden. Die Prinzipien der klassischen Mechanik sind auch mit einigen Behauptungen der klassischen Thermodynamik unvereinbar, was zum Gibbs-Paradoxon führt, wonach es unmöglich ist, die Entropie genau zu bestimmen, und zur UV-Katastrophe, bei der ein schwarzer Körper unendlich viel strahlen muss von Energie. Um diese Inkompatibilitäten zu überwinden, wurde die Quantenmechanik geschaffen.

Anmerkungen

Internet-Links

• Videovorlesung 1. Physik: Klassische Mechanik (Herbst 1999)// MIT Vorlesungen: 8.01

Literatur

• Arnold VI. Avets A. Ergodische Probleme der klassischen Mechanik - RHD, 1999. - 284 p.
• B. M. Yavorsky, A. A. Detlaf. Physik für Gymnasiasten und Studienanfänger. - M.: Akademie, 2008. - 720 S. - (Hochschulbildung). - 34.000 Exemplare. -ISBN 5-7695-1040-4
• Sivukhin D.V. Allgemeiner Physikunterricht. - 5. Auflage, stereotyp. - M.: Fizmatlit, 2006. - T. I. Mechanik. - 560 S. -ISBN 5-9221-0715-1
• A. N. MATVEEV Mechanik und Relativitätstheorie. - 3. Aufl. - M.: ONYX 21. Jahrhundert: Welt und Bildung, 2003. - 432 p. - 5000 Exemplare. -ISBN 5-329-00742-9
• C. Kittel, W. Knight, M. Ruderman Mechanik. Berkeley-Physikkurs. - M.: Lan, 2005. - 480 S. - (Lehrbücher für Universitäten). - 2000 Exemplare. -ISBN 5-8114-0644-4
• Landau, L. D., Lifschitz, E. M. Mechanik. - 5. Auflage, stereotyp. - M.:

Das Zusammenspiel dieser beiden Effekte ist das Hauptthema der Newtonschen Mechanik.

Andere wichtige Konzepte dieses Teils der Physik sind Energie, Impuls, Drehimpuls, die zwischen Objekten im Prozess der Wechselwirkung übertragen werden können. Die Energie eines mechanischen Systems besteht aus seiner kinetischen (Bewegungsenergie) und potentiellen (abhängig von der Position des Körpers relativ zu anderen Körpern) Energie. Für diese physikalischen Größen gelten grundlegende Erhaltungssätze.

1. Geschichte

Die Grundlagen der klassischen Mechanik wurden von Galilei sowie Kopernikus und Kepler in der Erforschung der Bewegungsgesetze von Himmelskörpern gelegt, und Mechanik und Physik wurden lange Zeit im Zusammenhang mit der Beschreibung astronomischer Ereignisse betrachtet.

Die Ideen des heliozentrischen Systems wurden von Kepler in seinen drei Bewegungsgesetzen der Himmelskörper weiter formalisiert. Insbesondere besagt das zweite Keplersche Gesetz, dass sich alle Planeten im Sonnensystem auf elliptischen Bahnen bewegen, wobei die Sonne einer ihrer Brennpunkte ist.

Den nächsten wichtigen Beitrag zur Begründung der klassischen Mechanik leistete Galilei, der bei der Erforschung der Grundgesetze der mechanischen Bewegung von Körpern, insbesondere unter dem Einfluss der Schwerkraft, fünf universelle Bewegungsgesetze formulierte.

Dennoch gehören die Lorbeeren des Hauptbegründers der klassischen Mechanik Isaac Newton, der in seinem Werk „Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“ jene Konzepte in der Physik der mechanischen Bewegung synthetisierte, die von seinen Vorgängern formuliert wurden. Newton formulierte die drei nach ihm benannten fundamentalen Bewegungsgesetze sowie das Gesetz der universellen Gravitation, das einen Schlussstrich unter Galileis Forschungen zum Phänomen frei fallender Körper zog. So wurde ein neues, das überholte aristotelische Bild der Welt und ihrer Grundgesetze ersetzen.

2. Grenzen der klassischen Mechanik

Die klassische Mechanik liefert genaue Ergebnisse für die Systeme, denen wir im täglichen Leben begegnen. Aber sie werden falsch für Systeme, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, wo sie durch relativistische Mechanik ersetzt wird, oder für sehr kleine Systeme, wo die Gesetze der Quantenmechanik gelten. Für Systeme, die diese beiden Eigenschaften vereinen, wird anstelle der klassischen Mechanik die relativistische Quantenfeldtheorie angewendet. Für Systeme mit sehr vielen Komponenten bzw. Freiheitsgraden kann auch die klassische Mechanik ausreichend sein, es werden jedoch Methoden der statistischen Mechanik verwendet.

Die klassische Mechanik ist weit verbreitet, weil sie erstens viel einfacher und leichter anzuwenden ist als die oben aufgeführten Theorien, und zweitens große Möglichkeiten zur Annäherung und Anwendung für eine sehr breite Klasse physikalischer Objekte hat, ausgehend von den üblichen, wie z als Kreisel oder Kugel, in großen astronomischen Objekten (Planeten, Galaxien) und ziemlich mikroskopisch (organische Moleküle).

3. Mathematischer Apparat

Grundlegender mathematischer Apparat klassische Mechanik- Differential- und Integralrechnung, speziell dafür entwickelt von Newton und Leibniz. In der klassischen Formulierung basiert die Mechanik auf den drei Newtonschen Gesetzen.

4. Darstellung der Grundlagen der Theorie

Das Folgende ist eine Darstellung der Grundkonzepte der klassischen Mechanik. Der Einfachheit halber verwenden wir das Konzept eines materiellen Punktes als Objekt, dessen Dimensionen vernachlässigt werden können. Die Bewegung eines materiellen Punktes wird durch eine kleine Anzahl von Parametern bestimmt: Position, Masse und auf ihn einwirkende Kräfte.

In Wirklichkeit sind die Dimensionen jedes Objekts, mit dem sich die klassische Mechanik befasst, nicht Null. Ein materieller Punkt hingegen, etwa ein Elektron, gehorcht den Gesetzen der Quantenmechanik. Objekte mit Nicht-Null-Dimensionen haben ein viel komplexeres Verhalten, da sich ihr innerer Zustand ändern kann – zum Beispiel kann sich ein Ball in Bewegung auch drehen. Dennoch können in solchen Körpern die für materielle Punkte erhaltenen Ergebnisse angewendet werden, wenn wir sie als Mengen vieler interagierender materieller Punkte betrachten. Solche komplexen Objekte können sich wie materielle Punkte verhalten, wenn ihre Dimensionen im Maßstab eines bestimmten physikalischen Problems unbedeutend sind.

4.1. Position, Radiusvektor und seine Ableitungen

Die Position eines Objekts (materieller Punkt) wird relativ zu einem festen Punkt im Raum bestimmt, der als Ursprung bezeichnet wird. Er kann durch die Koordinaten dieses Punktes (z. B. im kartesischen Koordinatensystem) oder durch den Radiusvektor angegeben werden r, vom Ursprung bis zu diesem Punkt gezogen. In Wirklichkeit kann sich ein materieller Punkt im Laufe der Zeit bewegen, sodass der Radiusvektor im Allgemeinen eine Funktion der Zeit ist. In der klassischen Mechanik wird im Gegensatz zur Relativistik angenommen, dass der Zeitfluss in allen Bezugssystemen gleich ist.

4.1.1. Flugbahn

Eine Trajektorie ist eine Menge aller Positionen eines sich bewegenden materiellen Punktes - im allgemeinen Fall ist es eine gekrümmte Linie, deren Form von der Art der Bewegung des Punktes und dem gewählten Bezugssystem abhängt.

4.1.2. ziehen um

.

Wenn alle auf ein Teilchen wirkenden Kräfte konservativ sind und v ist die gesamte potentielle Energie, die man durch Addition der potentiellen Energien aller Kräfte erhält

	.

Jene. Gesamtenergie E=T+V wird in der Zeit bewahrt. Dies ist eine Manifestation eines der grundlegenden physikalischen Erhaltungsgesetze. In der klassischen Mechanik kann es in der Praxis nützlich sein, weil viele Arten von Kräften in der Natur konservativ sind.

Die Mechanik ist ein Zweig der Physik, der eine der einfachsten und allgemeinsten Bewegungsformen in der Natur untersucht, die als mechanische Bewegung bezeichnet wird.

mechanische Bewegung besteht darin, die Position von Körpern oder ihren Teilen relativ zueinander im Laufe der Zeit zu verändern. Die mechanische Bewegung wird also von Planeten ausgeführt, die in geschlossenen Umlaufbahnen um die Sonne kreisen; verschiedene Körper, die sich auf der Erdoberfläche bewegen; Elektronen, die sich unter dem Einfluss eines elektromagnetischen Feldes bewegen usw. Mechanische Bewegung ist in anderen komplexeren Formen von Materie als integraler, aber nicht erschöpfender Teil vorhanden.

Je nach Art der untersuchten Objekte wird die Mechanik in die Mechanik eines materiellen Punktes, die Mechanik eines festen Körpers und die Mechanik eines Kontinuums unterteilt.

Die Prinzipien der Mechanik wurden erstmals von I. Newton (1687) auf der Grundlage einer experimentellen Untersuchung der Bewegung von Makrokörpern mit kleinen Geschwindigkeiten im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (3·10 8 m/s) formuliert.

Makrokörper sogenannte gewöhnliche Körper, die uns umgeben, das heißt Körper, die aus einer großen Anzahl von Molekülen und Atomen bestehen.

Die Mechanik, die die Bewegung von Makrokörpern mit Geschwindigkeiten untersucht, die viel niedriger sind als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, wird als klassisch bezeichnet.

Die klassische Mechanik basiert auf den folgenden Newtonschen Vorstellungen über die Eigenschaften von Raum und Zeit.

Jeder physikalische Prozess findet in Raum und Zeit statt. Dies ist zumindest daran zu erkennen, dass in allen Bereichen der physikalischen Phänomene jedes Gesetz explizit oder implizit raumzeitliche Größen – Entfernungen und Zeitintervalle – enthält.

Ein Raum, der drei Dimensionen hat, gehorcht der euklidischen Geometrie, das heißt, er ist flach.

Entfernungen werden durch Skalen gemessen, deren Haupteigenschaft darin besteht, dass zwei Skalen, die einmal in der Länge zusammenfielen, immer gleich bleiben, dh sie stimmen mit jeder nachfolgenden Überlagerung überein.

Zeitintervalle werden in Stunden gemessen, und die Rolle der letzteren kann von jedem System gespielt werden, das einen sich wiederholenden Prozess durchführt.

Das Hauptmerkmal der Vorstellungen der klassischen Mechanik über die Größe von Körpern und Zeitintervallen ist ihre Absolutheit: die Skala hat immer die gleiche Länge, egal wie sie sich relativ zum Beobachter bewegt; zwei Uhren, die den gleichen Gang haben und einmal miteinander in Einklang gebracht wurden, zeigen die gleiche Zeit, egal wie sie sich bewegen.

Raum und Zeit haben bemerkenswerte Eigenschaften Symmetrie die den Fluss bestimmter Prozesse in ihnen einschränken. Diese Eigenschaften sind erfahrungsbedingt und erscheinen auf den ersten Blick so selbstverständlich, dass sie nicht herausgegriffen und behandelt werden müssen. In der Zwischenzeit, wenn es keine räumliche und zeitliche Symmetrie gäbe, könnte keine physikalische Wissenschaft entstehen oder sich entwickeln.

Es stellt sich heraus, dass der Raum gleichmäßig und isotrop, und die Zeit ist gleichmäßig.

Die Homogenität des Weltraums liegt darin, dass dieselben physikalischen Phänomene unter denselben Bedingungen in verschiedenen Teilen des Weltraums auf dieselbe Weise auftreten. Alle Raumpunkte sind daher völlig ununterscheidbar, gleichberechtigt, und jeder von ihnen kann als Ursprung des Koordinatensystems genommen werden. Die Homogenität des Raumes manifestiert sich im Gesetz der Impulserhaltung.

Der Raum hat auch Isotropie: die gleichen Eigenschaften in alle Richtungen. Die Isotropie des Raums manifestiert sich im Gesetz der Drehimpulserhaltung.

Die Homogenität der Zeit liegt darin, dass alle Zeitmomente auch gleich, äquivalent sind, d.h. der Ablauf identischer Phänomene unter gleichen Bedingungen gleich ist, unabhängig vom Zeitpunkt ihrer Durchführung und Beobachtung.

Die Homogenität der Zeit manifestiert sich im Energieerhaltungssatz.

Ohne diese Homogenitätseigenschaften wäre das in Minsk etablierte physikalische Gesetz in Moskau unfair, und das heute am selben Ort entdeckte Gesetz könnte morgen unfair sein.

In der klassischen Mechanik ist die Gültigkeit des Galileo-Newtonschen Trägheitsgesetzes anerkannt, wonach sich ein Körper, der keiner Einwirkung anderer Körper ausgesetzt ist, geradlinig und gleichförmig bewegt. Dieses Gesetz behauptet die Existenz von Trägheitsbezugssystemen, in denen die Newtonschen Gesetze (sowie das Relativitätsprinzip von Galileo) gelten. Das Relativitätsprinzip von Galileo besagt, dass alle inertialen Bezugsrahmen mechanisch äquivalent sind, sind alle Gesetze der Mechanik in diesen Bezugsrahmen gleich, oder mit anderen Worten, sie sind unveränderlich in Bezug auf die Galilei-Transformationen, die den raumzeitlichen Zusammenhang eines beliebigen Ereignisses in verschiedenen Trägheitsbezugsrahmen ausdrücken. Galileische Transformationen zeigen, dass die Koordinaten jedes Ereignisses relativ sind, dh sie haben in verschiedenen Bezugssystemen unterschiedliche Werte; die Zeitpunkte, zu denen das Ereignis eingetreten ist, sind in verschiedenen Systemen gleich. Letzteres bedeutet, dass die Zeit in verschiedenen Bezugsrahmen gleich fließt. Dieser Umstand schien so offensichtlich, dass er nicht einmal als besonderes Postulat erwähnt wurde.

In der klassischen Mechanik gilt das Prinzip der Fernwirkung: Die Wechselwirkungen von Körpern breiten sich augenblicklich, also mit unendlich hoher Geschwindigkeit aus.

Abhängig von der Geschwindigkeit, mit der sich Körper bewegen, und der Größe der Körper selbst, wird die Mechanik in klassische, relativistische und Quantenmechanik unterteilt.

Wie bereits erwähnt, Gesetze klassische Mechanik gelten nur für die Bewegung von Makrokörpern, deren Masse viel größer ist als die Masse eines Atoms, bei niedrigen Geschwindigkeiten im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Relativistische Mechanik betrachtet die Bewegung von Makrokörpern mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Quantenmechanik- Mechanik von Mikropartikeln, die sich mit viel geringerer Geschwindigkeit als der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bewegen.

Relativistische Quanten Mechanik - die Mechanik von Mikropartikeln, die sich in einem Vakuum mit Geschwindigkeiten bewegen, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern.

Um festzustellen, ob ein Teilchen zu den makroskopischen gehört, ob klassische Formeln darauf anwendbar sind, muss man verwenden Heisenbergs Unschärferelation. Nach der Quantenmechanik lassen sich reale Teilchen hinsichtlich Ort und Impuls nur mit einiger Genauigkeit charakterisieren. Die Grenze dieser Genauigkeit ist wie folgt definiert

wo
ΔX - Koordinatenunsicherheit;
ΔP x - Unsicherheit der Projektion auf der Impulsachse;
h – Plancksche Konstante, gleich 1,05·10 –34 J·s;
"≥" - mehr als ein Wert in der Größenordnung von ...

Wenn wir den Impuls durch das Produkt aus Masse mal Geschwindigkeit ersetzen, können wir schreiben

Aus der Formel ist ersichtlich, dass je kleiner die Masse eines Teilchens ist, desto unsicherer werden seine Koordinaten und seine Geschwindigkeit. Für makroskopische Körper steht die praktische Anwendbarkeit der klassischen Methode der Bewegungsbeschreibung außer Zweifel. Nehmen wir beispielsweise an, dass es sich um die Bewegung einer Kugel mit einer Masse von 1 g handelt, dann lässt sich die Position der Kugel praktischerweise auf einen Zehntel- oder Hundertstelmillimeter genau bestimmen. Jedenfalls macht es kaum Sinn, von einem Fehler bei der Positionsbestimmung der Kugel zu sprechen, die kleiner ist als die Abmessungen des Atoms. Lassen Sie uns daher ΔX = 10 -10 m. Dann finden wir aus der Unschärferelation

Die gleichzeitige Kleinheit der Werte ΔX und ΔV x ist der Beweis für die praktische Anwendbarkeit der klassischen Methode zur Beschreibung der Bewegung von Makrokörpern.

Betrachten Sie die Bewegung eines Elektrons in einem Wasserstoffatom. Die Masse eines Elektrons beträgt 9,1 10 -31 kg. Der Fehler in der Position des Elektrons ΔX sollte in jedem Fall die Abmessungen des Atoms, dh ΔX, nicht überschreiten<10 -10 м. Но тогда из соотношения неопределенностей получаем

Dieser Wert ist sogar größer als die Geschwindigkeit eines Elektrons in einem Atom, die größenordnungsmäßig 10 6 m/s beträgt. In dieser Situation verliert das klassische Bewegungsbild jegliche Bedeutung.

Mechanik wird unterteilt in Kinematik, Statik und Dynamik. Kinematik beschreibt die Bewegung von Körpern, ohne sich für die Ursachen dieser Bewegung zu interessieren; die Statik betrachtet die Bedingungen für das Gleichgewicht von Körpern; die dynamik untersucht die bewegung von körpern im zusammenhang mit jenen ursachen (wechselwirkungen zwischen körpern), die den einen oder anderen bewegungscharakter bestimmen.

Die realen Bewegungen von Körpern sind so komplex, dass bei ihrer Untersuchung von Details abstrahiert werden muss, die für die betrachtete Bewegung nicht wesentlich sind (andernfalls würde das Problem so kompliziert, dass es praktisch unmöglich wäre, es zu lösen). Zu diesem Zweck werden Konzepte (Abstraktionen, Idealisierungen) verwendet, deren Anwendbarkeit von der spezifischen Natur des uns interessierenden Problems sowie von der Genauigkeit abhängt, mit der wir das Ergebnis erhalten wollen. Unter diesen Konzepten sind die wichtigsten die Konzepte materieller Punkt, System von materiellen Punkten, absolut starrer Körper.

Ein materieller Punkt ist ein physikalischer Begriff, der die Translationsbewegung eines Körpers beschreibt, wenn nur seine Längenabmessungen im Vergleich zu den Längenabmessungen anderer Körper im Rahmen der gegebenen Genauigkeit der Bestimmung der Körperkoordinate klein sind, außerdem wird ihm die Körpermasse zugeschrieben es.

In der Natur gibt es keine materiellen Punkte. Ein und derselbe Körper kann je nach den Bedingungen entweder als materieller Punkt oder als Körper mit endlichen Dimensionen betrachtet werden. Somit kann die Erde, die sich um die Sonne bewegt, als materieller Punkt betrachtet werden. Wenn man jedoch die Rotation der Erde um ihre Achse untersucht, kann sie nicht mehr als materieller Punkt betrachtet werden, da die Art dieser Bewegung maßgeblich von der Form und Größe der Erde und dem von jedem Punkt auf der Erde zurückgelegten Weg beeinflusst wird Oberfläche in einer Zeit, die der Periode ihres Umlaufs um ihre Achse entspricht, vergleichen wir mit den linearen Abmessungen des Globus. Ein Flugzeug kann als materieller Punkt betrachtet werden, wenn wir die Bewegung seines Massenschwerpunkts untersuchen. Aber wenn es darum geht, den Einfluss der Umgebung zu berücksichtigen oder die Kräfte in einzelnen Teilen des Flugzeugs zu bestimmen, dann müssen wir das Flugzeug als absolut starren Körper betrachten.

Ein absolut starrer Körper ist ein Körper, dessen Verformungen unter den Bedingungen eines gegebenen Problems vernachlässigt werden können.

Das System materieller Punkte ist eine Menge von betrachteten Körpern, die materielle Punkte sind.

Das Studium der Bewegung eines beliebigen Systems von Körpern reduziert sich auf das Studium eines Systems wechselwirkender materieller Punkte. Es ist daher natürlich, das Studium der klassischen Mechanik mit der Mechanik eines materiellen Punktes zu beginnen und dann mit dem Studium eines Systems materieller Punkte fortzufahren.