О развитии физических представлений и предпосылки их формирования

Размещено на http://allbest.ru

Башкирский государственный университет

Стерлитамакский межотраслевой колледж

О развитии физических представлений и предпосылки их формирования

Дмитриев Владислав Леонидович, кандидат наук, доцент, доцент

Суханов Сергей Павлович, студент

Дмитриева Светлана Геннадьевна, преподаватель

Физические явления окружающего мира издавна привлекали внимание людей. Как следствие, возникали попытки объяснить причины этих явлений, которые предшествовали созданию физики в современном ее понимании. В эпоху греко-римской культуры (VI в. до н.э. - II в. н.э.) впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций), была создана геоцентрическая система мира (Птолемей, II в. н.э.), установлены простейшие законы статики (центр тяжести, закон рычага), открыты законы прямолинейного распространения и отражения света, сформулированы начала гидростатики (Архимед), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.

Общий итог приобретенных знаний был подведен Аристотелем (IV в. до н.э.). Физика Аристотеля включала отдельные верные положения, но и одновременно отвергала многие смелые прогрессивные идеи предшественников (в том числе и атомистическую гипотезу). Учение Аристотеля было канонизировано церковью, что надолго затормозило развитие науки. Наука возродилась лишь в XV - XVI веках с началом борьбы с учением Аристотеля.

Атомистическая гипотеза

Понятие материи и представление о строении вещества - важнейшие в древней греческой философии. Новый шаг в развитии этого понятия был сделан древними атомистами [3]. Основоположниками древнегреческой атомистики являются Демокрит (ок. 460 - 370 г. до н.э.) и его учитель Левкипп.

В их учении понятие материи получило дальнейшее развитие. Возникает первое научное представление о структуре материи и получает воплощение идея о ее несотворимости и неуничтожимости. В дальнейшем это направление продолжает развивать древнегреческий философ Эпикур (341 - 270 г. до н.э.) и римский философ, и поэт Лукреций (ок. 99 - 55 г. до н.э.). Следует, однако, отметить, что до Левкиппа и Демокрита похожие идеи были выдвинуты Эмпедоклом и Анаксагором. Эмпедокл (490 - 430 г. до н.э.) полагал, что все вещи состоят из четырех элементов: земли, воды, воздуха и огня. Эти элементы (или, по Эмпедоклу, «корни»), соединяясь, образуют все вещи в природе. «Корни» неразрушимы и несотворимы, а так как все вещи состоят из «корней» и все изменения происходят в результате их соединения и разъединения, то в природе ничего не исчезает бесследно и не превращается в ничто.

Анаксагор (ок. 500 - 528 г. до н.э.) считает, что материя состоит из бесчисленного множества различных частиц - элементов, причем каждая вещь состоит из мельчайших частиц, подобных самой вещи. Например, мясо состоит из мельчайших кусочков мяса, кровь - из мелких капелек крови, и т.д. Эти частицы, получившие название гомеомерий, неразрушимы; все превращения в мире происходят в результате соединения и разъединения этих частиц.

Рассмотрим теперь основные идеи о материи Левкиппа и Демокрита. По Демокриту, все существующее состоит из атомов и пустоты. В отличие от элементов Эмпедокла и гомеомерий Анаксагора частицы, из которых состоят все вещи, по Демокриту, лишены качественного различия. Они различаются только величиной и фигурой, лишены всякого внутреннего строения и являются неделимыми - отсюда происходит их название - «атомы», что значит неделимые. Ни один из атомов не может исчезнуть или появиться вновь, атомы существовали, и будут существовать всегда. Все вещи образованы из атомов, все явления природы происходят в результате движения атомов и их различного сочетания.

В процессе движения в пустоте атомы сталкиваются друг с другом и сцепляются. Сцепление большого количества атомов составляет вещи. Возникновение и уничтожение вещей объясняется сложением и разделением атомов, изменение вещей - изменением порядка и положения атомов. В итоге получалось, что если атомы вечны и неизменны, то вещи - преходящи и изменчивы. Таким образом, атомистическое учение соединяет в себе рациональные идеи двух противоположных учений - Гераклита и Парменида: мир вещей текуч, изменчив, а мир атомов, из которых вещи состоят, неизменен и вечен [2].

По Демокриту, мир представляет собой бесконечную пустоту, населенную многими отдельными мирами. Каждый из этих миров образовался в результате того, что множество атомов, сталкиваясь, друг с другом, образуют вихри - кругообразные движения атомов. В таких вихрях крупные и тяжелые атомы скапливаются в центре, а более малые и легкие вытесняются к периферии.

Так возникают земля и небо. Небо образует огонь, воздух и светила. Земля - центр нашего мира, на краю которого находятся звезды. Каждый мир замкнут, а число миров - бесконечно. Многие из миров могут быть населенными. Миры преходящи: одни из них только возникают, другие находятся в расцвете, третьи - уже гибнут [2]. Важно также отметить, что именно Демокрит впервые описал Млечный Путь как огромное скопление звезд.

Заслугой атомизма являются также выдвинутая идея о вечности движения (Демокрит связывает принцип сохранения движения в природе с сохранением механического движения у атомов) и формулирование и разработка принципа причинности (детерминизма), в соответствии с которым любые события влекут за собой определенные следствия и в то же время представляют собой следствие некоторых других событий, имевших место ранее. Демокрит отвергал объективное существование случайности, говоря, что человек называет событие случайным, когда не знает, или не хочет знать причины события.

Учение атомистов являлось наиболее последовательным материалистическим учением в древнегреческой философии. Оно пыталось объяснить мир, его возникновение и развитие, не прибегая ни к каким сверхъестественным и нематериальным представлениям. Введенные атомистами общие понятия стали руководящими принципами в последующем развитии естествознания, и, особенно, физики.

Физика (механика) Аристотеля

Аристотеля можно считать основателем системы знаний о природе - физики. Физике и близким ей естественнонаучным дисциплинам Аристотель посвятил ряд работ: «Физика», «О небе», «О возникновении и уничтожении», «Метеорология», «Механические проблемы» и, наконец, его фундаментальная «Метафизика» в 14 книгах, обобщившая натурфилософские исследования ученого.

Понятия пространства, времени и материи у Аристотеля диалектически взаимосвязаны и не существуют одно без другого. Его трактовка «материи», «места», «движения» такова, что не допускает существования пустоты. Материя непрерывно распределена в пространстве. Во времени Аристотель видел число, меру движения и покоя.

Понятие движения является центральным понятием физики Аристотеля. Им же разработана первая историческая форма учения о движении - механика. Под движением он понимает изменение вообще, превращение возможного (потенциального) в действительное, называя это превращение особым термином «энтелехия». Механическое перемещение есть один из видов движения. Все механические движения Аристотель разбивает на две группы: движение небесных тел в надлунном мире и движение тел в подлунном (земном) мире [2].

Движение небесных тел - наиболее совершенное. Оно представляет собой равномерное вращательное круговое движение (или движение, сложенное из таких простых круговых движений). Такое круговое движение представлялось Аристотелю совершенным с той точки зрения, что у него нет ни начала, ни конца - оно вечно, неизменно, и не имеет материальной причины.

Земные же движения считались Аристотелем несовершенными, т.к. в них все подвержено изменению - все имеет начало и конец. Движения земных тел разделялось на две категории: естественные и насильственные. Под естественным движением понималось движение тела к своему месту - например, тяжелые тела движутся (падают) вниз, а легкие - вверх. Естественное движение происходит само собой и не требует приложения силы. Все остальные движения на Земле относятся к насильственным и требуют применения силы. Аристотель предполагал, что любые насильственные движения (в том числе равномерные и прямолинейные) происходят под действием сил, причем скорость движения пропорциональна действующей силе; как только сила исчезает - движение прекращается. Таким образом, основной принцип динамики Аристотеля гласил: «Все, что находится в движении, движется благодаря воздействию другого».

С помощью интересных умозаключений Аристотель приходит к выводу, что движение в пустоте вообще невозможно. Он показывает, что в пустоте все тела падали бы на Землю с одинаковыми скоростями, но так как пустота невозможна, то он приходит к ложному выводу о пропорциональности скорости падения весу тела (закон Аристотеля). Кроме того, Аристотель утверждал, что скорость падающего тела тем больше, чем больше масса тела. Это утверждение оспорил Галилей (XVI в.), проведя опыт. Он демонстрировал движение шаров одинакового размера из дерева и металла по гладкому наклонному желобу. Опыт показывал, что ускорение шаров зависит только от угла наклона желоба и не зависти от массы.

Аристотель вплотную подходит и к понятию инерции, но опять-таки выдвинутые им метафизические гипотезы об абсолютной тяжести, невозможности пустоты и другие приводят к противоположным выводам. «Насильственное» движение брошенных тел он объясняет «боязнью пустоты». Аристотель правильно объяснял эхо отражением звука от препятствий и считал, что колеблющееся тело вызывает сжатия и разрежения воздуха. Таковы представления Аристотеля о механике движения, изложенные в «Физике» - первом печатном труде, название которого стало обозначением целой науки. Его взгляды на природу теплоты, атмосферные, акустические и оптические явления, правильное объяснение действия рычага можно найти в других упомянутых выше физических сочинениях.

Еще в глубокой древности было установлено, что свет распространяется от источника света в однородной прозрачной среде прямолинейно. Аристотель представлял, что в распространении света важную роль играет окружающая среда, приходящая в особое состояние. Он же предложил теорию цветов, согласно которой цвет получается от смешения «света» и «тьмы». Это, конечно, лишь смутные и неопределенные сведения о свете.

Развитие теоретической и прикладной механики

Теоретическая механика состоит из трех частей: статика, кинематика и динамика. В древнегреческий период наибольшее развитие получили статика и гидростатика, основополагающую роль в возникновении которых сыграли труды Архимеда. материя вещество демокрит физика

Развитие кинематики ограничивалось тем, что принцип относительности движения не получил должного обобщения - Аристотелевское учение с идеей о неподвижности Земли перечеркнуло идею относительности. Хотя, справедливости ради, стоит отметить, что некоторые ученые возвращались к принципу относительности и пытались использовать его для объяснения кинематики движений (даже Птолемей предлагал использовать гипотезу о движении Земли для упрощения некоторых астрономических расчетов).

Главной проблемой динамики того времени было объяснение основного закона механики Аристотеля, согласно которому, как было указано выше, скорость движения тела пропорциональна приложенной к нему силе. Следствием этого закона являлось то, что при прекращении действия на тело силы оно должно сразу же остановиться. Однако во многих случаях этого не происходило. Для объяснения такого положения дел в VI в. греческий философ и ученый Филопон предложил «теорию импетуса». По этой теории, движущемуся телу от движущего тела сообщается некоторая «движущая сила», которая продолжает некоторое время двигать это тело, пока вся не израсходуется.

Наряду с теоретической механикой развитие получает и прикладная механика, занимающаяся созданием разного рода машин и механизмов.

В III в. до н.э. возникает пневматика, рассматривающая возможность использования давления воздуха для создания различных механических устройств. Ее основателем принято считать Ктесибия, жившего и работавшего в Александрии. Ктесибием были изобретены: двухцилиндровый водяной насос, снабженный всасываемыми и наполнительными клапанами; водяной орган, управляемый с помощью сжатого воздуха; водяные часы; военные метательные машины, использующие сжатый воздух.

Известным изобретателем механизмов был Герон Александрийский - он проводил опыты с нагретым воздухом и паром. Используя реактивное действие струи пара, Герон построил своеобразный прообраз реактивного двигателя. Но массового применения изобретения Герона не нашли.

Поговорим теперь более подробно о достижениях, сделанных в рассматриваемый исторический промежуток времени, в частности, о деятельности Архимеда, которого справедливо считают основоположником математической физики - именно он первым подошел к решению физических задач с широким применением математики.

С именем Архимеда связывается введение понятия центра тяжести, открытие законов рычага, разработка основ гидростатики, занятия геометрической оптикой [1].

Первым открытием Архимеда в механике было введение понятия центра тяжести - тем самым было доказано то, что в любом теле есть единственная точка, в которой можно сосредоточить его вес, не нарушив равновесного состояния. Доказательство существования центра тяжести основывалось на мысленном уравновешивании тела. Был решен ряд задач на нахождение центров тяжести различных геометрических фигур (треугольника, параллелограмма, конуса, и т.д.). При этом Архимедом была произведена замена тел их теоретическими моделями, что являлось новшеством для науки того времени. Геометрическим фигурам придавался вес, равномерно распределенный по площади или объему.

В своем сочинении «О равновесии плоских фигур», состоящем из двух частей, Архимед предпринимает попытку решения задачи равновесия. В первой части приводится ряд аксиом и теорем общего характера, а во второй на их основе решается задача о нахождении центра тяжести сегмента параболы. В этой работе Архимед впервые развил аксиоматический подход к механике - он строит свою теорию на базе геометрии путем дополнения геометрических аксиом семью «механическими».

На основе этих аксиом и был выведен закон рычага. Позже Архимедом был изобретен многоступенчатый зубчатый редуктор, имеющий на входе червячную передачу - тем самым был показан принцип построения многоступенчатой передачи и найден закон определения общего выигрыша в силе, достигаемого за счет применения механизма, состоящего из последовательно соединенных передач: общее передаточное отношение многозвенного механизма равно произведению передаточных отношений его звеньев.

В гидростатике Архимед открыл закон, носящий его имя, и теоретически его доказал в своем сочинении «О плавающих телах». Интересно отметить, что роль аксиомы здесь берет на себя физическая модель идеальной жидкости. Таким образом, сочинение «О плавающих телах» является первой попыткой экспериментальной проверки гипотезы о строении вещества путем создания его модели. Архимедом не только подтверждены атомистические идеи Демокрита, но и доказан ряд важных положений о физических свойствах атомов жидкости. Архимед также является автором методики определения удельного веса (плотности) тел путем измерения их объема погружением в жидкость.

Свои оптические теории Архимед также строил на основе аксиом. Одной из таких аксиом является аксиома об обратимости хода луча - если глаз наблюдателя и объект наблюдения поменять местами, то это ничего не изменит. Известна также теорема (единственная уцелевшая и дошедшая до нас), в которой доказывается, что при отражении света от зеркала угол падения луча равен углу отражения.

На основе некоторых источников можно сделать вывод, что Архимед изучал и явление преломления лучей в воде. С занятиями Архимеда геометрической оптикой связана легенда о поджоге им римских кораблей во время осады Сиракуз (которая, кстати, как было показано еще в 1747 г. Бюффоном, может быть и вовсе не легендой, а вполне реальной историей).

Предложенная Архимедом математическая физика, к сожалению, не была воспринята ни его ближайшими потомками, ни учеными средневековья. В итоге, его работы в области физики долгое время не получали развития.

Физические идеи Средневековья

В средние века продолжает свое интенсивное развитие статика. Арабоязычные ученые широко использовали понятие удельного веса, совершенствовались методы определения удельных весов различных металлов и минералов (аль-Бируни, аль-Хазини, Хайям, и др.). Следует отметить, что для того времени (XII в.) достигнуты довольно точные значения удельных весов (например, для золота было получено значение 19,05 г/см³ - по современным данным 19,27 г/см³). Это позволяло отличать чистый металл и драгоценные камни от подделок, обнаружить различие плотности воды при разных температурах, и т.д.

Качественные сдвиги происходят также в кинематике и динамике. В динамике значительное развитие получила теория импетуса, выводы которой стали предпосылками для перехода к понятию инерции. Ученые стран ислама рассматривались проблемы существования пустоты и возможности движения в ней, механизм передачи движения, свободное падение тел, движение тел, брошенных под углом к горизонту.

Развитие кинематики во многом связано с потребностями астрономии. Развивается аппарат кинематико-геометрического моделирования движения небесных тел, в ряде работ изучается кинематика «земных» движений. Одно из направлений арабской кинематики рассматривало бесконечные процессы, непрерывности, предельные переходы и другие понятия при изучении неравномерных движений, что привело к понятию мгновенной скорости в точке. Также были введены понятия средней скорости и равноускоренного движения.

Впоследствии появление и укрепление гелиоцентрической системы мира Коперника (1543 г. - «Об обращении небесных сфер») и ее полная победа над геоцентризмом (середина XVII в.) ставит проблему физического обоснования гелиоцентризма.

Список литературы

1. Житомирский С.В. Архимед. - М.: Ленанд, 2014. - 130 с.

2. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. - М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004. - 622 с.

3. Спасский Б.И. История физики. Ч1. - М.: Высшая школа, 1977. - 320 с.

Аннотация

О развитии физических представлений и предпосылки их формирования. Дмитриев Владислав Леонидович, кандидат наук, доцент, доцент, Суханов Сергей Павлович, студент, Башкирский государственный университет, Дмитриева Светлана Геннадьевна, преподаватель, Стерлитамакский межотраслевой колледж

В статье отражены некоторые основные достижения древнегреческих философов, имеющие отношение к формированию физической картины мира. Рассмотрены основные идеи, выдвигаемые относительно материи, природы вещей, окружающего мира. Кратко освещены основные исследования Архимеда в статике и гидростатике.

Ключевые слова: законы механики, движение, строение вещества, физика, гидростатика

Размещено на Allbest.ru