Роль механики в естествознании

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Панорама современного естествознания

2. Механика. Основные законы классической механики

3. Классическая механика и ее роль в познании природы

Список используемой литературы

Биографическая справка

1. Панорама современного естествознания

Самое прекрасное, что мы можем

переживать, - это таинственность.

Это основное чувство, которое стоит

у колыбели истинного искусства и науки.

А. Эйнштейн (2) Гусейханов М.К. Концепции современного естествознания: учебник и практикум. - 8-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2011. - 598 с. - Серия: Основы наук.

Наука является важнейшим элементом духовной культуры людей.

В истории человечества наука впервые зародилась в Древней Греции в VI в. до н. э. Под наукой понимается не просто совокупность каких-то отрывочных, разрозненных сведений, а определенная система знаний, являющаяся результатом деятельности особой группы людей (научного сообщества) по получению новых знаний.

Естествознание - наука о явлениях и законах природы. На современном этапе развития естествознание включает множество отраслей: физику, химию, биологию, биохимию, геохимию, астрономию, генетику, экологию и другие.

Современное естествознание представляет собой раздел науки, основанный на воспроизводимой эмпирической проверке гипотез и создании теорий или эмпирических обобщений, описывающих природные явления. Совокупный объект естествознания - природа. Предмет естествознания - факты и явления природы, которые воспринимаются нашими органами чувств непосредственно или опосредованно, с помощью приборов.

Цель естествознания состоит в том, чтобы описать, объяснить и, по возможности, предсказать те или иные явления природы.

Основными разделами естествознания являются физика, химия, биология. Биология охватывает все процессы, протекающие в живой природе, физика - в неживой, а химия - пограничная наука - делится на органическую и неорганическую.

В целом естествознание представляет собой весьма сложное явление, обладающее различными сторонами и связями. Ему свойственны специфические черты, отличающие его от других областей научного знания, особые закономерности и тенденции развития. Одна из них проявляется на протяжении всей истории естествознания и заключается в ускоренном росте научных знаний.

Существует несколько систем классификаций естественных наук, каждая из которых имеет ряд достоинств и недостатков. Как правило, эти классификации невозможно представить в виде простых разветвляющихся структур древовидной формы. Отдельные ветви физики, химии, биологии сильно переплетаются между собой из-за общей методологии или предметной области.

Итак, приведем краткие характеристики основных разделов естествознания. Физика - наука, изучающая фундаментальную структуру материи и основные формы ее движения. Химия - наука о веществах, их составе, свойствах и взаимных превращениях. Биология - наука, устанавливающая общие закономерности в мире живой природы. Таким образом, с предметной точки зрения физика включает в себя химию, а химия - биологию. Однако с точки зрения методологии эти три раздела естествознания существенно различаются. Даже внутри каждого из названных разделов существует большое число подразделов, различающихся специфическим набором теоретического инструментария.

Для современного естествознания становится всё более характерным переход от предметной к проблемной ориентации, когда новые области знания возникают в связи с выдвижением определённой крупной теоретической или практической проблемы. Так возникло значительное количество стыковых наук типа биофизики, биохимии, электрохимии и др. Их появление продолжает в новых формах процесс дифференциации естествознания, но вместе с тем даёт и новую основу для интеграции прежде разобщённых научных дисциплин.

Можно также выделить ключевые, концептуальные положения в естествознании, сгруппировав их в три больших класса, по масштабу объектов и рассматриваемых процессов: микро-, макро- и мега.

Микрофизика. Основными предметами этого раздела естествознания являются элементарные частицы, фундаментальные физические поля, пространство-время и их взаимодействия. Синонимом микрофизики являются «физика высоких энергий» или «физика элементарных частиц». После открытий Бора, Резерфорда, Эйнштейна и др. квантовая механика продолжала развиваться и к середине 30-х годов 20-го века выросла в мощную, сильную математизированную теорию микромира. Было открыто множество «элементарных» частиц и реакций между ними, в результате которых они превращались друг в друга или рождали новые, неизвестные до той поры частицы. При переходе на еще более глубокий, более тонкий уровень строения материи мы можем получить доступ к еще более мощным источникам энергии. Пока это, правда, только лишь задача будущего. Парадокс заключается в том, что для исследований все более мелких частиц необходимо строить все более крупные исследовательские приборы - детекторы и ускорители, и разгонять в них частицы до все более больших энергий, чтобы преодолеть все более мощные силы природы, связывающие элементарные частицы в известные нам более крупные образования.

Макрофизика - это классическая физика, не имеющая дела с микроскопическими малыми телами, противоположность микрофизики. Это наиболее обширная, “густо заселенная” учеными и наиболее понятная публике область естествознания. Поскольку она стоит ближе к практике, чем многие другие направления фундаментальной науки, ей больше уделяют внимание общественность, пресса и органы, финансирующие исследования. Однако идеологическая нагрузка этого большого раздела современной науки не так велика, как ее количественные характеристики.

Макромир -- мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время -- в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир. Центральной дисциплиной изучающей мегамир как единое целое является космология (от греческого kosmos - Вселенная и logos - знание). Современная космология - это астрофизическая теория происхождения и эволюции Вселенной, основанная на экспериментальных фактах, наблюдениях и фундаментальных физических теориях (общей теории относительности, физики элементарных частиц, фундаментальных взаимодействий и др.).

После того как на смену мифологии и религиозным верованиям пришла наука, космология стала одной из любимых естественнонаучных дисциплин для философии и философов различных направлений. Зарождение Вселенной в результате Большого Взрыва и последующее ее расширение большинством ученых считается надежно установленным фактом. Понятны многие детали процессов, сопровождавших эволюцию Вселенной, начиная примерно с возраста 10^-4 с от момента ее расширения. Но состояние вещества, пространства и времени до этого момента пока является тайной.

Существуют весьма обоснованные подозрения, что кроме видимых нами объектов во Вселенной существуют еще большее количество скрытых, но тоже обладающих массой, причем эта «темная масса» может в 10 или более раз превышать видимую.

Проблемы возникают также при анализе таких гипотетических, но достаточно широко известных публике объектов как черные дыры. С точки зрения теории ими могут быть тяжелые объекты, например отгоревшие звезды с массой во много раз превышающих солнечную. Сила тяжести около таких объектов так велика, что они стягивают все вещество в «точку». В нее как в бездонную бочку проваливается и излучение и частицы, окружающие эту звезду, и ничего уже вырваться не может. Если они в действительности существуют (а в этом мало кто сомневается), то возможно черные дыры являются зародышем новых Вселенных или окнами в совершенно другие миры.

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод об уникальности естествознания как науки. Эта наука включает в себя не только изучение физики, химии и биологии как самостоятельных наук, но также их тесную неразрывную взаимосвязь.

2. Механика. Основные законы классической механики

Механика - учение о равновесии и движении тел (или их частей) в пространстве и времени. Механическое движение представляет собой простейшую и вместе с тем (для человека) наиболее распространенную форму существования материи. Поэтому механика занимает исключительно важное место в естествознании и является основным подразделом физики. Она исторически возникла и сформировалась как наука раньше других подразделов естествознания.

Механика включает в себя статику, кинематику и динамику. В статике изучаются условия равновесия тел, в кинематике - движения тел с геометрической точки зрения, т.е. без учета действия сил, а в динамике - с учетом этих сил. Статику и кинематику часто рассматривают как введение в динамику, хотя и они имеют самостоятельное значение.

До сих пор под механикой мы подразумевали классическую механику, строительство которой было завершено к началу XX века. В рамках современной физики существуют еще две механики - квантовая и релятивистская. Но более подробно мы рассмотрим классическую механику.

Классическая механика рассматривает движение тел со скоростями много меньше скорости света. Согласно специальной теории относительности, для тел, перемещающихся с большими скоростями, близкими к скорости света, не существует абсолютного времени и абсолютного пространства. Отсюда характер взаимодействия тел становится сложнее, в частности, масса тела, оказывается, зависит от скорости его движения. Все это явилось предметом рассмотрения релятивистской механики, для которой константа скорости света играет фундаментальную роль.

Классическая механика базируется на следующих основных законах.

Принцип относительности Галилея

Согласно этому принципу существует бесконечно много систем отсчёта, в которых свободное тело покоится или движется с постоянной по модулю и направлению скоростью. Эти системы отсчёта называются инерциальными и движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Этот принцип можно также сформулировать как отсутствие абсолютных систем отсчёта, то есть систем отсчёта, каким-либо образом выделенных относительно других.

Основой классической механики являются три закона Ньютона.

1. Всякое материальное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние. Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью. Поэтому первый закон называют также законом инерции.

2. Ускорение, приобретаемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на тело, и обратно пропорционально массе тела.

3. Силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположны по направлению.

Второй закон Ньютона нам известен в виде

естествознание классический механика закон

F = m Ч a, или a = F/m,

где ускорение а, получаемое телом под действием силы F, обратно пропорционально массе тела m.

Первый закон можно получить из второго, так как в случае отсутствия воздействия на тело со стороны других сил ускорение также равно нулю. Однако первый закон рассматривается как самостоятельный закон, поскольку он утверждает существование инерциальных систем отсчета. В математической формулировке второй закон Ньютона чаще всего записывается в следующем виде:

где -- результирующий вектор сил, действующих на тело; -- вектор ускорения тела; m -- масса тела.

Третий закон Ньютона уточняет некоторые свойства введёного во втором законе понятия силы. Им постулируется наличие для каждой силы, действующей на первое тело со стороны второго, равной по величине и противоположной по направлению силы, действующей на второе тело со стороны первого. Наличие третьего закона Ньютона обеспечивает выполнение закона сохранения импульса для системы тел.

Закон сохранения импульса

Данный закон является следствием законов Ньютона для замкнутых систем, то есть систем, на которые не действуют внешние силы или действия внешних сил скомпенсированы и результирующая сила равна нулю. С более фундаментальной точки зрения существует взаимосвязь закона сохранения импульса и однородности пространства^[2], выражаемая теоремой Нётер.

Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии является следствием законов Ньютона для замкнутых консервативных систем, то есть систем, в которых действует только консервативные силы. Энергия, отданная одним телом другому, всегда равна энергии, полученной другим телом. Для количественной оценки процесса обмена энергией между взаимодействующими телами в механике вводится понятие работы силы, вызывающей движение. Сила, вызывающая движение тела, совершает работу, а энергия движущегося тела возрастает на величину затраченной работы. Как известно, тело массой m, движущееся со скоростью v, обладает кинетической энергией

E = mv²/2

Потенциальная энергия - это механическая энергия системы тел, которые взаимодействуют посредством силовых полей, например посредством гравитационных сил. Работа, совершаемая этими силами, при перемещении тела из одного положения в другое не зависит от траектории движения, а зависит только от начального и конечного положения тела в силовом поле. Гравитационные силы являются консервативными силами, а потенциальная энергия тела массой m, поднятого на высоту h над поверхностью Земли, равна

Е_пот = mgh,

где g - ускорение свободного падения.

Полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергии:

E = Е_кин + Е_пот

3. Классическая механика и ее роль в познании природы

Данный раздел является продолжением предыдущего и здесь мы рассмотрим роль классической механики в познании природы.

Классическая механика даёт очень точные результаты, если её применение ограничено телами, скорости которых много меньше скорости света, а размеры значительно превышают размеры атомов и молекул. Классическая механика намного проще в понимании и использовании, чем остальные теории, а также в обширном диапазоне она достаточно хорошо описывает реальность.

Классическую механику можно использовать для описания движения таких объектов, как волчок и бейсбольный мяч, многих астрономических объектов (таких, как планеты и галактики), и иногда даже многих микроскопических объектов, таких как молекулы.

Формирование основ классической механики - величайшее достижение естествознания XVII в. Классическая механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и внеземных условиях, составляет основу для многих технических достижений в течение длительного времени. На ее фундаменте формировались многие методы научных исследований в различных отраслях естествознания. Во многом она определяла мышление и мировоззрение.

В основе классической механики лежит концепция Ньютона. Сущность ее наиболее кратко и отчетливо выразил А. Эйнштейн: «Согласно ньютоновской системе физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимодействия материальных точек). В ньютоновской концепции под физическими событиями следует понимать движение материальных точек в пространстве, управляемое неизменными законами. Материальная точка есть единственный способ нашего представления реальности, поскольку реальное способно к изменению». (4) Михайлов Л.А. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. - Спб.: Питер, 2010 г. - 336 с. - Электронное издание

Ньютоновская теория тяготения и в настоящее время является важным орудием познания природы. С ее помощью с большой точностью описывается движение естественных (планет, их спутников, комет, астероидов) и искусственных (спутников, космических аппаратов) тел в Солнечной системе, в звездных системах, галактиках и др., определяются массы тел, и другое. Примером большого успеха механистического представления физических процессов можно считать разработку молекулярно-кинетической теории вещества, позволившей понять тепловые процессы.

Механическая картина мира создана трудами Галилея, Кеплера, Гюйгенса, Ньютона. Главной задачей Ньютона был «синтез системы мира». Положенная в основу его труда механика давала научное объяснение природы. В «Математических началах натуральной философии», как видно уже из названия, Ньютон ориентировался на аксиоматический метод Евклида, только у него вместо аксиом -- принципы, управляющие явлениями природы. Ньютон уходил от причин тяготения, от гипотез «о скрытых качествах», заменяя эти натурфилософские размышления результатами эксперимента. Пространство трехмерно и евклидово, и траектории тел также подчиняются геометрии Евклида. Время и пространство у Ньютона -- абсолютны, не оказывают влияния на тела, размещенные в них. Сила тяготения распространяется в пространстве с бесконечной скоростью и не меняет ход времени. Можно было проанализировать прошлое и предсказать будущее динамическое состояние системы, так как замена знака времени в уравнениях Ньютона не оказывает влияния на движение. Уравнения динамики Ньютона линейны, действие равно противодействию; интенсивность следствия определяется интенсивностью причины. Поэтому все в мире предопределено, строго детерминировано. Когда Ньютон сформулировал свою первую в истории научную картину мира, этого термина еще не существовало, но он имел его в виду, называя свой труд «натуральной философией». Это была первая научная теория в современном смысле, поэтому 1687 г. Часто называют годом рождения современного естествознания.

В заключении считаю нужным сказать немного о самом И. Ньютоне.

Исаак Ньютон родился 4 января 1643 г. в Вульсторпе (Англия). Это выдающийся английский физик, механик, астроном и математик, который сформулировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения, закон разложения белого света на монохроматические составляющие, разработал (наряду с Лейбницем) дифференциальное и интегральное исчисление. Здоровье Ньютона было хорошим, и только на 80-м году жизни он начал страдать каменной болезнью, от которой и умер в ночь на 21 марта 1727 г. восьмидесяти четырех лет от роду.

Научный подвиг Ньютона по достоинству оценен и современниками, и потомками. Метод Ньютона служил примером Амперу и Фарадею, Томсону и Максвеллу, Эйнштейну и Дираку. Законы Ньютона в течение веков заучивались в авторской формулировке. Знание их считалось обязательным почти во всех школах мира. Целые поколения людей воспитывались на законах Ньютона как незыблемом фундаменте научного познания природы.

Список используемой литературы

1. Акимов О.Е. Естествознание: Курс лекций. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 639 с.: илл.

2. Гусейханов М.К. Концепции современного естествознания: учебник и практикум. - 8-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2011. - 598 с. - Серия: Основы наук.

3. Кислинский В.Б. Концепции современного естествознания: учеб. пособие. - Самара: Издательство Самарский гос. эконом. университет, 2011. - 292 с.

4. Коломийцева Е.А. Концепции современного естествознания. Краткий курс лекций. - М., 2006. - 80 с.

5. Михайлов Л.А. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. - Спб.: Питер, 2010 г. - 336 с. - Электронное издание

Биографическая справка

Климент Аркадьевич Тимирязев

(22.05.1843-28.04.1920)

Тимирязев Климент Аркадьевич - русский естествоиспытатель, физиолог, физик, приборостроитель, историк науки, писатель, переводчик, публицист, профессор Московского университета - родился 22 мая 1843 года в Петербурге, в семье начальника таможенного округа Петербурга.

Как и многие дети из дворянских семей той поры, Климент с раннего возраста проходил разностороннее домашнее обучение. Огромное влияние на него оказали его родные братья, особенно приобщивший его к занятиям органической химией Д.А.Тимирязев.

С 1860 года Тимирязев К. А. поступил учиться в Петербургский университет на камеральный (юридический) факультет, но затем перешел на другой факультет - физико-математический, на естественное отделение. В 1861 году за участие в студенческих волнениях и отказ от сотрудничества с органами он был исключен из университета. Ему было позволено продолжать обучение в университете в роли вольнослушателя только через год. В качестве студента он уже опубликовал ряд статей по дарвинизму, а также на социально-политические темы. В 1866 году Тимирязев успешно окончил обучение со степенью кандидата и золотой медалью за работу «О печеночных мхах», которая так и не была напечатана.

Свою научную деятельность Тимирязев начал под руководством широко известного русского ботаника А. Н. Бекетова. Первый настоящий научный труд К. А. Тимирязева «Прибор для исследования разложения углекислоты» был опубликован в 1868 году. На развитие научного мышления Климента повлияла целая плеяда естествоиспытателей, среди которых были Д. И. Менделеев, И. М. Сеченов, И. И. Мечников, А. М. Бутлеров, Л. С. Ценковский, А. Г. Столетов, братья Ковалевские и Бекетовы. Тимирязев одним из первых среди российских ученых познакомился с «Капиталом» Карла Маркса и проникся новыми идеями.

Стоит отметить, что с самого начала писательской деятельности научные работы Тимирязева отличались строгой последовательностью и единством плана, изяществом экспериментальной техники и точностью методов. Впервые в России Тимирязев ввел опыты с растениями на искусственных почвах. Сборники «Публичные лекции и речи» (1888 год), «Некоторые основные задачи современного естествознания» (1895 год), «Земледелие и физиология растений» (1893 год) и «Чарлз Дарвин и его учение» (1898 год) были популярны не только в научной среде, а вышли далеко за ее пределы.

Благодаря выдающимся научным заслугам в области ботаники Тимирязева удостоили целого ряда звучных званий: члена-корреспондента Петербургской Академии наук с 1890 года, почетного члена Харьковского университета, почетного члена Санкт-Петербургского университета и многих других научных сообществ и организаций.

В научной среде Тимирязев слыл популяризатором естествознания и дарвинизма. Он всю жизнь посвятил борьбе за свободу науки и резко выступал против попыток превратить науку в опору самодержавия и религии. За это постоянно был на подозрении у полиции и чувствовал определенное давление.

По случаю 70-летнего юбилея Тимирязева 22 мая 1913 года И. П. Павлов так охарактеризовал своего коллегу: «Климент Аркадьевич сам, как и горячо любимые им растения, всю жизнь стремился к свету, запасая в себе сокровища ума и высшей правды, и сам был источником света для многих поколений, стремившихся к свету и знанию и искавших тепла и правды в суровых условиях жизни».

Тимирязев К. А. всегда был патриотом родины и был рад свершению Великой Социалистической революции.

В 1920 году ночью с 27 на 28 апреля всемирно известный ученый скончался из-за болезни и был похоронен на Ваганьковском кладбище. В Москве создан мемориальный музей-квартира Тимирязева и сооружен памятник. В честь ученого назван район Москвы и улицы в разных городах России, в том числе и в г. Сызрань.

Размещено на Allbest.ru