Трудные темы курса классической механики: различия между версиями
Содержимое удалено Содержимое добавлено
Пространство и время |
Правка |
||
Строка 415:
Принято рассматривать любое материальное тело как совокупность материальных точек, то есть совокупность настолько малых частей тела, что по условиям задачи их геометрическими размерами можно пренебречь, но не их массой. Материальная точка обладает в принципе тремя степенями свободы, то есть имеет возможность независимого перемещения в пространстве с изменением каждой из трёх своих координат. В таком случае говорят, что она свободна.
===Время пространство ===
Строка 422 ⟶ 423 :
Поскольку никто и никогда не наблюдал перехода из настоящего, которое "есть только миг между прошлым и будущим", в прошлое,возникло представление о ''стрелеы времени'', то есть математическом аналоге понятия о времени в виде прямой, по которой изображающая сиюминутное состояние рассматриваемого объекта или же всей Вселенной в целом точка движется с постоянной скоростью, что отражает собой однородность (т.е. постоянство) течения времени, на которое ничто не может повлиять.В ньютоновой физике время течёт для всех явлений одинаково.
С концепцией ''абсолютного времени'' на протяжении всей истории цивилизации никак не конкурировал факт существования ''собственного времени''
Здесь собственное время - это время , определяемое по часам, находящимся в непосредственной близости от явления.
При этом в любом случае считается, что часы наблюдателей идут с одинаковой точностью, а удаление их друг от друга никак не влияет на ход часов , в том числе и в случае, если наблюдатели движутся с любой скоростью один относительно другого.
Так решение начать решающее сражения полководцы нередко принимали уже после того, как их правительства подписывали договор о мире. Причём правительство имело возможность обвинить военачальника что он начал сражение после того, как по часам правительства он делать этого он не имел права. А полководец в оправдание показывал свой дневник, из которого было ясно, что приказ о мире он получил по своим часам позже.Таким образом уже в повседневной жизни вполне возможно нарушение принципа причинности. И следствие может опережать причину в том случае, если время оценивается по ''собственным часам.''И лишь апелляция к единому для всех , абсолютному времени, устанавливает истинную последовательность событий.
Но для этого такое время должно существовать...
[[File: Pict. Attention.jpg|thumb| left |50 px]]
Признание факта существовании конечной скорости распространения информации (или, что имеет тот же смысл, сигнала), а также различного положения в пространстве источника и получателя информации, обязательно ведёт к различию в оценке собственного времени удалённых друг от друга наблюдателей. При этом между сигналом и реальным проявлением влияния в физическом смысле не мыслится никакой разницы и скорости их распространения считаются совпадающими.
В случае постоянства взаимного расположения корреспондентов в пространстве это различие во времени сказывается лишь в оценке момента начала получения информации (сигнала) .
Если же взаимное расположение корреспондентов меняется со скоростью, сравнимой со скоростью распространения этой информации, то представления о собственном времени корреспондентов будут различаться.
В идеале совпадения в оценке времени можно добиться при использовании такого способа передачи информации, который обеспечивал бы бесконечно высокую скорость её распространения.И развитие технических средств связи за последние три столетия ставило перед собой именно эту цель.
Здесь же следует отметить, что признание ограниченности скорости передачи взаимодействия (информации) означает признание неразрывной связи между временными и пространственными характеристиками любого физического явления.
Но классическая физика в той форме, которую придал ей Ньютон, исходит из предположения о возможности мгновенного физического взаимодействия между телами. В этом состоит суть теории дальнодействия, в соответствие с которой расстояние между взаимодействующими объектами не имеет значение.
Строка 438 ⟶ 457 :
Между тем уже известные к тому времени законы электродинамики, в которые явно входила относительная скорость движения электрических зарядов, стали своеобразным вызовом механике Ньютона и вместе с ней создали предпосылки для пересмотра представлений о времени. Ведь согласно Первому и Второму его законам, а также ранее сформулированному Принципу Галилея физические явления в двух движущихся одна относительно другой инерциальных системах должны происходить одинаково и не зависеть никак от величины их относительной скорости.....
====Пространство и время в классической механике ====
Все явления классической механики происходят в едином пространстве. Все явления, происходящие в доступной наблюдению Вселенной, в том числе и те, которые произошли миллиарды лет тому назад, имели место в том же пространстве, в котором находится современный наблюдатель.Это единое пространство и есть то абсолютное пространство, которое имел в виду Ньютон, формулируя свои законы.
При отсутствии представления о таком пространстве невозможно было не только позиционировать небесные объекты на карте неба с учётом их взаимного расстояния, но и решать практические задачи в частности вычисление эфемерид или осуществлять небесную навигацию посылаемых в космос зондов.
Новое, что было внесено в представление о пространстве после Ньютона, был отказ от его гипотезы о заполняющем это пространство неподвижном эфире, который можно было бы принять за исходную систему отсчёта.А также утверждение, что информация о положении небесных тел доходит до наблюдателя не мгновенно, но с задержкой, обусловленным предельной скоростью, с которой она распространяется и эта скорость равна скорости света в вакууме.
В такой ситуации единое пространство с точки зрения классической физики всё же может быть описано для конкретного наблюдателя в заданный по его часам момент времени системой координат, образованной всеми наблюдаемыми небесными объектами, заполняющими нижний конус на Рис. ().Как иногда говорят, "системой неподвижных звёзд "<ref name="СЭХ"></ref>. Не забывая при этом, что чем дальше от наблюдателя находится объект, тем более раннему моменту его эволюции соответствует получаемая о нём информация.
А также с учётом того, что другой наблюдатель, совершенно равноправный в отношении формирования собственного мнения о конфигурации Вселенной, всё же находится на расстоянии пренебрежимо малым по сравнению с расстояниями между небесными телами.
И поэтому мнения наблюдателей в этом отношении практически совпадают, что и способствует формированию их консолидированного мнения.А также служит основанием целесообразности использования такой, принимаемой за абсолютную, системы координат.
После признания теории относительности движения сначала в виде Специальной, а затем и Общей теории пришлось отказаться от представления о том, что пространство и время есть самостоятельные ипостаси. Оказалось, что они образуют единый четырёхмерный комплекс и могут даже обмениваться друг на друга.Но это особенность становится заметной лишь при движениях со скоростями, близкими к предельной скорости взаимодействия материальных объектов, равной в вакууме скорости света.При тех скоростях, с которыми приходится иметь дело в классической механике, максимальная скорость, с которой может распространяться взаимодействие может приниматься, равной бесконечности.
''Описывать'' же ''количественн'' движение можно лишь в том случае, если задана ''система отсчёта'' в пространстве, которое представляет собой комбинацию из трёх независимых параметров, которыми нередко в геометрии являются три взаимно перпендикулярные прямые (декартова система координат).
В физике такой системой координат являются всегда материальные тела, и потому и сама система координат участвует во взаимодействии тел. Иногда допустимо об этом забыть и рассматривать систему координат в том смысле, который принят в геометрии.
Во введении исходной системы отсчёта представление о мироздании остро нуждалась с древности. И подобная абсолютная система существовала в качестве '''геоцентрической системы''' со времён '''Аристотеля''' и '''Птоломея'''. Тогда, как и сейчас, она рассматривалась как вместилище всего сущего, то есть реально существующего. И признание её существования означало и означает сейчас ответ на Основной закон философии о примате материи или сознания.
Для описания изменения взаимного расположения масс в этом пространстве применяются произвольно вводимые системы отсчёта, никакого влияния на взаимодействия тел не оказывающего. Следует принять,как должное, что движения, наблюдаемые в некоторой системе координат, могут неузнаваемо изменить свой вид при переходе к их описанию в другой системе.
Чрезвычайно полезным для механики и физики в целом является использование представления о материальной точке, то есть о некотором объекте, размерами которого можно пренебречь, но, тем не менее, обладающего конечной массой благодаря допущению о стремящейся к бесконечности плотности его вещества.Она имеет тоже лишь три степени свободы.
Имея в виду эту зависимость формы пути от выбора системы отсчёта, некоторые авторы используют термин ''кажущееся движение''.
Поэтому здесь и далее, когда речь будет идти об описании пути материальной точки в ''определённой системе координат'', всегда будет иметься в виду именно кажущееся движение относительно этой координатной системы.
Пространство в физическом смысле этого слова и в котором происходит механическое движение считается изотропным (т.е. таким, свойства которого не меняются от точки к точке) и трёхмерным по числу независимых параметров, достаточных для указания положения той или иной точки в пространстве.
Изотропность пространства определяется и тем, что расстояние <math> \delta s </math> между любыми произвольно выбранными точками в пространстве с координатами <math>X,Y,Z</math> и <math>X^\prime, Y^\prime, Z^\prime</math>,для некоторого момента времени определяемые тройкой разностей <math>\delta X= X-X^\prime</math>, <math>\delta Y= Y -Y^\prime </math> и <math>\delta Z= Z -Z^\prime </math> не зависят от выбора системы координат и положения этих точек в системах координат, выбор начала которых на взаимное движение никак не влияет.При этом:
<math>\delta s =\sqrt {((\delta X)^2 + (\delta Y)^2 + (\delta Z)^2)} </math>
[[File:Pict. Details.jpg|thumb| left |50 px|]]
Так сутью прицеливания при стрельбе из оружия является сознательный выбор такой системе отсчёта, при которой попарное различие двух координат прицельной мушки и цели стало бы равным нулю. Например <math> \delta X=\delta Y = 0 </math>. Но при этом <math>\delta Z= \delta s \ne 0</math> .То есть расстояние между рассматриваемыми объектами при переходе в другую систему отсчёта не изменилось.
Итак, с точки зрения классической механики ,в единственно существующем трёхмерном пространстве, заключающем в себя все материальные объекты Вселенной, можно представить множество равноправных систем по-разному ориентированных по отношению друг к другу и движущихся с разными скоростями и в различных направлениях, что приводит к тому, что при переходе от одной системы к другой форма пути объекта может неузнаваемо измениться. Но общим для них является то, что для каждого момента времени, которое течёт одинаково во всех системах отсчёта , расстояние для любой пары объектов для любой пары сравниваемых систем отсчёта остаётся постоянным.
Так возникает представление о ''собственном'' движении тел, представленных в виде материальных точек.
Математически приём, позволяющий описывать движение материальных точек применительно к различным системам координат состоит в применении ''тензорного исчисления''.
Но конкретизация взаимного расположения объектов во Вселенной, и описание их взаимного движения, то есть изменения их координат в едином времени, возможно лишь тогда, когда из множества возможных координатных систем выделена по тем или иным соображениям лишь одна конкретная система трёх независимых координат
Классическая механика признаёт, что сформулированные в ней закономерности природы являются лишь приближением, основанным на использовании упрощённого представления о наблюдаемых процессах и потому допускающего в соответствующей ситуации перехода к иной, нередко более сложной модели рассматриваемых явлений.
Тем не менее существующие в рамках процессов, имеющих отношение к классической механике, закономерностей, подтверждённые многими столетиями практического использования знаний в области механики, считаются вполне адекватными законам природы, общественным достоянием созданным коллективным трудом и потому не нуждающемся в каком-либо дополнительном доказательстве и апелляции к авторитетам. Хотя благодарное человечество хранит память о своих представителях, работами которых были установлены и исследованы объективные и существующие задолго до их прихода природные закономерности.
Гарантией достоверности законов классической механики является обязательный для любой науки принцип, согласно которому некоторое суждение может подтверждаться несчётное число раз, но достаточно лишь одного, бесспорно противоречащего ему факта, чтобы поставить истинность суждения под сомнение. Что не является исключением и для этой области физики и, в свою очередь, определяет границы её применимости.
Экспериментальное подтверждение постоянства скорости света в любой инерциальной системе отсчёта и признание того, что эта скорость соответствует максимальной скорости, с которой может передаваться любое взаимодействие, привело к ряду не предусмотренных в ньютоновой механике следствий. Оказалось, например, что с точки зрения наблюдателя, находящегося в одной из инерциальных (т.е. движущихся без ускорения) систем отсчёта, явления , происходящие в движущейся относительно него со скоростью, близкой скорости света, <math> c</math> другой инерциальной системе протекают медленнее. А расстояния в ней в направлении , совпадающим с вектором скорости относительного движения, становятся короче.
Достойно сожаления, что эти факты во многих относящихся к делу публикациях возможно из стремления к сенсациям подаются так, что возникает представление, что эти деформации времени и пространства происходят непосредственно в движущейся системе, что в корне неверно. И часы, и измерительные инструменты (например линейки) в движущейся системе для наблюдателя, в ней находящегося, не дают никакой разницы в показаниях по сравнению с точно такими же измерительными средствами, которыми пользуется первый наблюдатель.
Эти явления имеют своей причиной лишь конечную скорость обмена информацией между наблюдателями. Ведь и для наблюдателя в движущейся системе сам первый наблюдатель кажется сплющенным в направлении вектора скорости, а его часы кажутся идущими медленнее. Трудно себе представить, что первый наблюдатель испытывает такой дискомфорт только потому, что некто, быстро мимо него перемещающийся, считает пропорции его тела искажёнными, а часы - испорченными.
А если таких движущихся с разными около-световыми скоростями наблюдателей будет несколько, то положение первого наблюдателя, меняющего свою полноту и вынужденного в угоду каждому из них менять ход часов, превратится в настоящий кошмар. Идиотизм ситуации очевиден. И потому рассмотренные изменения пространства и времени вообще не затрагивает сути и вида происходящих в рассматриваемых системах отсчёта физических процессов. А, будучи объективно наблюдаемыми из «чужой» системы отсчёта, являются лишь ''кажущимися'' со стороны.
В современной физике учёт конечной скорости обмена информацией привёл ко введению понятия о пространственно-временном континууме, в котором на равных выступают три расстояния между наблюдаемыми в различных точках трёхмерного пространства событиями, а также время между ними.
В этом континууме взамен используемого в евклидовом пространстве расстояния используется интервал, выражаемый как
<math> \delta S = \sqrt { c^2(\delta t)^2 + (\delta X)^2 + (\delta Y)^2 + (\delta Z)^2)} </math>
Это интервал является инвариантом в том смысле, что его величина не зависит от системы координат.Более того, оказывается возможным производить «обмен» расстояния на время, но только в определённых пределах, не нарушающих причинно-следственной связи между событиями.
Строка 546 ⟶ 632 :
Вместе с тем количественные соотношения в механике одинаково справедливы при рассмотрении течения времени как в будущее, так и в прошлое.И это также находит своё отражение, скажем, в общеизвестной проблеме взаимоотношения курицы и яйца.В механике с этой проблемой приходится сталкиваться в том случае, когда возникает вопрос о том , что первично: деформация тела или же сопровождающие эту деформацию силы сопротивления.Более подробно к этому придётся вернуться при разговоре о смысле и ограничении в применении понятия об ''абсолютно жёстком теле''.
| |||