Результаты исследований учащихся в проекте Учебный проект Исследуем законы Ньютона
Содержание |
Авторы и участники проекта
Участники группы: "Историки"
Тема исследования группы
История исследования взаимодействия тел
Проблемный вопрос (вопрос для исследования)
Какова история теории взаимодействия тел?
Гипотеза исследования
Был ли Иссак Ньютон первым физиком, озаботившимся проблемой взаимодействия тел?
Цели исследования
Познакомиться с теориями о взаимодействиях тел в доньютоновский период.
Выяснить, кто из ученых прошлых веков, был наиболее близок к современной трактовке законов взаимодействия.
Результаты проведённого исследования
Основные постулаты, изложенные Аристотелем в «Физике».
1. Каждое тело стремится к своему естественному месту, которое расположено определённым образом относительно центра Земли. Так, например, камень падает вниз, а искры стремятся вверх.
2. Все тела могут под действием силы тяжести стремиться либо к центру мира, либо в противоположном от него направлении. Это естественные причины движения. Аристотель считал, что птицы летают, потому что так им предназначено природой. Рыбы плавают по той же причине.
3. Когда естественных причин движения нет, то движение может происходить только под воздействием какой-то посторонней силы, отличной от силы тяжести. Причём движение при этом происходит с постоянной скоростью и по прямой линии.
4. Скорость движения зависит от плотности среды, в которой тело движется. И скорость движения обратно пропорциональна плотности. То есть, чем плотнее среда, тем меньше скорость движения тела.
5. Вакуума не существует. Если бы он был, то тела двигались бы в нём с бесконечно большой скоростью.
6. Нет точки в пространстве, в которой не существовала бы материя. Всё пространство заполнено всепроникающим эфиром.
7. Вселенная конечна. Мир совершенен и завершён. Его ничто не объемлет, и, следовательно, места у мира нет.
8. Материя не может состоять из атомов. Если бы это было так, то между атомами был бы вакуум.
9. Эфир. Все объекты, находящиеся в космосе, сделаны из материи, которая отличается от материи Земли.
10. Космос вечен и неизменен. Солнце и планеты – совершенные сферы, которые не могут меняться.
11. Движение по окружности. Планеты вращаются по круговым орбитам.
Аристотель и его сторонники считали тяжесть стремлением тел «подлунного мира» к их естественным местам. Некоторые другие античные философы (среди них Эмпедокл, Платон) полагали тяжесть стремлением родственных тел к соединению. В XVI веке эту точку зрения поддержал Николай Коперник, в гелиоцентрической системе которого Земля считалась лишь одной из планет. Близких взглядов придерживались Джордано Бруно, Галилео Галилей. Иоганн Кеплер считал, что причиной падения тел является не их внутренние стремления, но сила притяжения со стороны Земли, причем не только Земля притягивает камень, но и камень притягивает Землю. По его мнению, сила тяжести распространяется по меньшей мере до Луны. В своих поздних работах он высказывал мнение, что сила тяжести убывает с расстоянием и взаимному притяжению подвержены все тела Солнечной системы. Физическую природу тяжести пытались разгадать Рене Декарт, Жиль Роберваль, Христиан Гюйгенс и другие учёные XVII века.
Тот же Кеплер первым предположил, что движение планет управляется силами, исходящими от Солнца. В его теории было три таких силы: одна, круговая, подталкивает планету по орбите, действуя по касательной к траектории (за счёт этой силы планета и движется), другая то притягивает, то отталкивает планету от Солнца (за счёт неё орбита планеты является эллипсом) и третья действует поперек плоскости эклиптики (благодаря чему орбита планеты лежит в одной плоскости). Круговую силу он считал убывающей обратно пропорционально расстоянию от Солнца. Ни одна из этих трёх сил не отождествлялась с тяжестью. Кеплерову теорию отверг ведущий астроном-теоретик середины XVII века Исмаэль Буллиальд, по мнению которого, во-первых, планеты движутся вокруг Солнца не под действием исходящих от него сил, а в силу внутреннего стремления, а во-вторых, если бы круговая сила и существовала, она убывала бы обратно второй степени расстояния, а не первой, как считал Кеплер. Декарт полагал, что планеты переносятся вокруг Солнца гигантскими вихрями.
Предположение о существовании исходящей от Солнца силы, управляющей движением планет, высказывал Джереми Хоррокс. По мнению Джованни Альфонсо Борелли, от Солнца исходят три силы: одна продвигает планету по орбите, другая притягивает планету к Солнцу, третья (центробежная), наоборот, отталкивает планету. Эллиптическая орбита планеты является результатом противоборства двух последних. В 1666 г. Роберт Гук высказал предположение, что одной только силы притяжения к Солнцу вполне достаточно для объяснения движения планет, просто нужно предполагать, что планетная орбита является результатом сочетания (суперпозиции) падения на Солнце (благодаря силе притяжения) и движения по инерции (по касательной к траектории планеты). По его мнению, эта суперпозиция движений и обусловливает эллиптическую форму траектории планеты вокруг Солнца. Близкие взгляды, но в достаточно неопределённой форме, высказывал и Кристофер Рен. Гук и Рен догадывались, что сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до Солнца.
Галилео Галилей сформулировал правильные законы падения: скорость нарастает пропорционально времени, а путь — пропорционально квадрату времени. В соответствии со своим научным методом он тут же привёл опытные данные, подтверждающие открытые им законы. Более того, Галилей рассмотрел и обобщённую задачу: исследовать поведение падающего тела с ненулевой горизонтальной начальной скоростью. Он совершенно правильно предположил, что полёт такого тела будет представлять собой суперпозицию (наложение) двух «простых движений»: равномерного горизонтального движения по инерции и равноускоренного вертикального падения. Галилей опроверг и второй из приведённых законов Аристотеля, сформулировав первый закон механики (закон инерции): при отсутствии внешних сил тело либо покоится, либо равномерно движется. То, что мы называем инерцией, Галилей поэтически назвал «неистребимо запечатлённое движение». Правда, он допускал свободное движение не только по прямой, но и по окружности (видимо, из астрономических соображений). Правильную формулировку закона позднее дали Декарт и Ньютон; тем не менее общепризнанно, что само понятие «движение по инерции» впервые введено Галилеем, и первый закон механики по справедливости носит его имя. Галилей является одним из основоположников принципа относительности в классической механике, ставшего в слегка уточнённом виде одним из краеугольных камней современной трактовки этой науки[87] и названного позже в его честь. В «Диалоге о двух системах мира» Галилей сформулировал принцип относительности следующим образом: для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее как бы не существует и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия.
Рене Декарт (1596–1650) считал инерционным (и многие продолжают считать) равномерное движение по прямой линии (упоминания о горизонтали, уже нет). Мы все существуем в силовом поле, которое для небольшого пространства (скажем, лаборатории) можно считать однородным (силы тяжести не зависят от координат и параллельны друг другу). В этом случае прямая и горизонтальная линии могут совпадать, ибо горизонтальный пол лаборатории нам кажется «идеально» плоским, а противоположные стены – «строго» параллельными. Здесь условия для движения по Галилею и Декарту практически аналогичны. Основными видами движения Декарт считал движение по инерции, которое сформулировал так же, как позднее Ньютон, и материальные вихри, возникающие при взаимодействии одной материи с другой. Взаимодействие он рассматривал чисто механически, как соударение. Декарт ввёл понятие количества движения, сформулировал (в нестрогой формулировке) закон сохранения движения (количества движения), однако толковал его неточно, не учитывая, что количество движения является векторной величиной.
Однако никто до Ньютона не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера). Более того, именно Ньютон первым догадался, что гравитация действует между двумя любыми телами во Вселенной; движением падающего яблока и вращением Луны вокруг Земли управляет одна и та же сила. Наконец, Ньютон не просто опубликовал предполагаемую формулу закона всемирного тяготения, но фактически предложил целостную математическую модель:
закон тяготения; закон движения (второй закон Ньютона); система методов для математического исследования (математический анализ).
В совокупности эта триада достаточна для полного исследования самых сложных движений небесных тел, тем самым создавая основы небесной механики. Таким образом, только с трудов Ньютона начинается наука динамика, в том числе в применении к движению небесных тел. До создания теории относительности и квантовой механики никаких принципиальных поправок к указанной модели не понадобилось, хотя математический аппарат оказалось необходимым значительно развить.
Вывод
Еще в античные века учёные занимались вопросами изучения взаимодействия тел. Ко времени Исаака Ньютона учёными были сформулированы законы взаимодействия тел, кроме закона всемирного тяготения. Заслуга Исаака Ньютона состоит в том, что он обобщил все имеющие знание и сформулировал 3 закона взаимодействия и закон всемирного тяготения.
Выяснили, что уже с античных времен ученые пытались сформулировать основные законы взаимодействия тел. И уже современники Ньютона практически точно сформулировали законы взаимодействия тел, за исключением III-го закона и закона Всемирного тяготения.
