Історія навчання фізики (стр. 9 из 11)

“ Потрібно усамітнитися з одним із друзів у сторонньому приміщенні під палубою якого-небудь корабля, запастися мухами, метеликами і іншими подібними дрібними літаючими комашками; нехай буде у вас також посудина з водою і плаваючими в ній рибками; далі підвісьте вгорі відерце, з якого вода буде крапати крапля за краплею в іншу посудину з вузькою шийкою, підставлену знизу. Поки корабель стоїть нерухомо, спостерігайте уважно, як дрібні літаючі комахи з однією і тією ж швидкістю рухаються у всі сторони приміщення; риби, як ви побачите , будуть плавати байдуже у всіх напрямках, усі падаючі краплі потраплять у підставлену посудину, і вам, кидаючи товаришу який-небудь предмет, не доведеться кидати його з більшою силою в одну сторону, ніж в іншу, якщо відстані будуть одні і ті ж; і якщо ви будете стрибати відразу обома ногами, то зробите стрибок на однакову відстань в будь-якому напрямку. Уважно спостерігайте все це, хоча у нас не виникає ніякого сумніву в тому, що, поки корабель стоїть нерухомо, все повинно відбуватися саме так. Якщо тепер ви примусите корабель рухатися з будь-якою швидкістю, то тоді ( якщо тільки рух буде рівномірним і без качки в ту і іншу сторону, у всіх названих явищах ви не виявите жодної зміни і по жодному з них ви не зможете встановити, чи рухається корабель, чи стоїть нерухомо... І причина узгодженості всіх цих явищ в тому, що рух корабля загальний для всіх предметів, які знаходяться на ньому, так як і повітрю; тому я і сказав, що ви повинні знаходитись під палубою...”

Ці міркування Галілея резюмовані так: інерціальний рух системи не впливає на механічні процеси, які в ній відбуваються. Або ще коротше: у всіх інерціальний системах механічні явища відбуваються однаково. Таким чином. Механічний принцип відносності є узагальненням дослідницьких фактів. Якщо прийняти принцип відносності, то аргументація теологів автоматично руйнується.

Однак потрібно було пояснити природу морських припливів та відпливів. Галілей робить тут повчальну помилку. Він спирається на слідуючи аналогію. Якщо везти в човні воду, то при будь-якому прискоренні човна вода підніметься до носу чи корми по інерції. Вода океанів на Землі подібна воді в човні. При прискоренні Землі вода також піднімається або опускається в залежності від знака прискорення. Нерівномірність руху Землі, за Галілеєм, обумовлена сумою двох рухів – добового і річного.

Як ми тепер знаємо, неінерціальність, викликана добовим обертанням Землі, дає дуже слабкі ефекти, які можуть бути зафіксовані пристроями типу маятника Фуко. Неінерціальність від річного обертання ще менш відчутна.

Питання про вплив руху системи на фізичні явища, які в ній відбуваються, загострилося в зв’язку з відкриттям англійським вченим астрономом Д. Брадлеєм явища аберації – вдавані зміщення положення зірки за якою спостерігають із Землі. Поступово фізики прийшли до необхідності експериментального обґрунтування неможливості виявити інерціальний рух системи за допомогою будь-якого фізичного експерименту: оптичного, електромагнітного, електро- чи магніто статичного і т.д.

Уявимо собі, що в “каюті корабля Галілея” були б зосереджені всі можливі фізичні пристрої. Чи можна було б поставити дослід, який би показав, що наш гігантський космічний корабель – Земля рухається відносно Сонця зі швидкістю біля 30 км/с? Адже ми визначили цю швидкість з астрономічних спостережень, спираючись на теорію Коперніка. Чи можна результат астрономічних спостережень підтвердити фізичним дослідом в “ каюті Галілея” ?

Зрозуміло, що ця думка привертала увагу багатьох експериментаторів. Інтерес загострювалася ще й тим, що існувала гіпотеза ефіру. Вважалося, що простір, який здається порожнім, заповнений тонким, невідчутним матеріальним середовищем – ефіром. Це середовище не заважає рухові планет, але воно в той же час пружне, бо його коливання передаються зі швидкістю світла і створюють оптичні і електромагнітні ефекти. Природно було б з’ясувати, цілком чи повністю захоплюється ефір рухомою Землею, чи залишається він нерухомим. Потрібен був дослід, який виявив би властивості ефіру. Не випадково всі видатні фізики ламали голову над цією проблемою. Ставилося багато дослідів, але безуспішно.

В 1880р. американський фізик Альберт Абрахам Майкельсон ( 1852 - 1931) поставив відомий експеримент зі своїм інтерферометром. Пристрій мав фантастичну чутливість: він міг фіксувати зміщення порядку

мм. Теорія показала, що цей пристрій міг би виявити рух Землі крізь ефір. На основі негативних дослідів в “каюті Галілея” А.Ейнштейн узагальнив принцип відносності Галілея: ніяким фізичним дослідом неможливо виявити інерціальний рух системи. Узагальнений принцип відносності ліг в основу нової фізичної теорії – спеціальної теорії відносності Ейнштейна.

2.6. Формування поняття сили

Початок фізики ми ведемо із Стародавньої Греції. Тут і перші витоки поняття сили. У древніх сили природи – це те, що обумовлює явища природи і керує ними. Сила трактувалась як схильність тіла до певних дій, властива йому природна риса. Природа наділила цими властивостями всі тіла. Оскільки будь-яке тіло Всесвіту наділене силою, то завжди передбачуваний характер її дії, її поведінки. Тут доречною є аналогія: тіло – віз, сила – кінь. Куди піде кінь, туди буде рухатись віз. Це дуже загальний погляд, який не має фізичної конкретизації. Він зберігався до епохи Відродження.

Вперше конкретизував поняття сили Галілей: в механічному русі сила є причиною прискорення тіла. Він розумів, що всяке тіло, яке не взаємодіє з іншими тілами, повинно рухатись рівномірно і прямолінійно. Сила – дія на дане тіло якої-небудь причини, що викликає зміну швидкості тіла. Приклад – прискорення тіла під час вільного падіння. Галілей пише: ” Тяжіння є постійно діюча сила і, отже, викликає в кожний рівний інтервал часу рівне перетворення швидкості, і рух стає рівномірно прискореним.”

Французький філософ і математик Р.Декарт (1596 – 1650) – основоположник оригінального напряму в філософії і фізиці, найбільш популярний вчений XVIIст.. розвинув принципово нові уявлення.

За Декартом, Всесвіт заповнений рухомою матерією. Всі явища природи обумовлені різними формами руху матерії. Сила виникає лише при співударі тіл. Не існує ніяких сил, крім сили удару при зіткненні тіл.

Ці уявлення були зруйновані Ньютоном. В “Математичних началах натуральної філософії” він розвиває і уточнює думку Галілея. Сила, по Ньютону, - причина зміни кількості руху тіла. Другий закон динаміки в формулюванні Ньютона дає чітке механічне трактування поняття сили: сила є дія на тіло якої-небудь причини, яка викликає зміну кількості руху тіла; при цьому збільшення чи зменшення кількості руху пропорційне силі. Причиною зміни кількості руху тіла може бути поштовх, удар. Тоді сила виникає при зіткненні тіл. Однак на противагу думці Декарта, Ньютон стверджував, що сила може виникнути і втому випадку, коли тіла віддалені одне від одного. Так діють сила тяжіння, електрична сила, магнітна сила. Важливо підкреслити наступне. У Ньютона поняття сили вперше отримує кількісне означення: силу можна виміряти по зміні кількості руху. В окремому випадку, якщо маса тіла залишається незмінною, сила змінюється по прискоренню, якого набуває тіло.

Другий закон Ньютона розкриває ще одну грань поняття сили: сила може бути не лише причиною, але і наслідком зміни кількості руху. Наприклад, у випадку падіння електромагнітного випромінювання на перешкоду остання відчуває дію сили тиску. Тиск електромагнітного випромінювання є наслідком зміни імпульсу фотонів. Аналогічно тиск газу на стінки посудини є наслідком зміни імпульсів молекул газу при зіткненні зі стінками. Але це стало зрозумілим лише тепер.

В сер. XIX ст. поняття “сила” і “енергія” не розрізнялись. Закон збереження енергії спочатку формулювався, як закон збереження сили. Класична праця Гельмгольца, наприклад, в якій закон збереження енергії отримав кількісний вираз, називалась “Про збереження сили”.

Багатогранність поняття сили обумовила неоднозначність його тлумачення. В історії формування цього поняття мала місце тенденція зовсім виключити його з лексикону фізики. Так, наприклад, наприкінці XIX ст. Кірхгоф в “Лекціях по теоретичній фізиці” писав:

“Механіка, на нашу думку, повинна черпати означення понять, з якими вона оперує, з одного лише руху. Звідси випливає, що після введення системи сил замість простих сил, механіка не може дати точне визначення поняття сили.”

Генріх Герц перед смертю опублікував книгу “Принципи механіки”, в якій показав можливість побудови механіки на основі трьох понять: простору, часу та маси. Дію сил між тілами А і В на відстані Герц зводив до процесів механічного руху в середовищі, що заповнює простір між тілами. У вакуумі – це ефір, який, за Герцом, має характер суто механічної системи.

Розвиток фізики показав обмеженість таких уявлень. Сучасна фізика як до складного поняття, зміст якого неможливо внести в одне означення. Поряд з механічними силами існують електромагнітні і ядерні сили. Їх не можна зводити одну до одної. Кожний клас сил має свої особливості. Сучасна фізика виділяє клас фундаментальних сил природи – силу тяжіння, силу Лоренца, кулонівську силу. Сили тертя, пружності, поверхневого натягу, аеродинамічні сили і ін. розглядаються як складна гра фундаментальних сил.

Поряд з поняттям сили в сучасній фізиці широко використовується поняття взаємодії. Прийнята така класифікація взаємодій: гравітаційні, електромагнітні, слабкі і сильні.

Коли мова йде про силу як причину чи наслідок зміни імпульсу тіла, завжди має місце взаємодія даного тіла з ін. тілами. Електричні і магнітні сили – наслідок взаємодії заряджених тіл. Сила зовнішнього 9 сухого 0 тертя виникає під час відносного переміщення стичних тіл. Сила пружності виникає при деформаціях, а останні завжди є результатом взаємодії і т.д.