Механика Галилея

Механика Галилея( принцип инерции, понятие иррациональных систем отсчёта, принцип относительности движения, принцип суперпозиции.) Анализ неравномерного движения. Закон падения тел. Закон маятника.

Галиле́о Галиле́й (итал. Galileo Galilei; 15 февраля 1564, Пиза — 8 января 1642, Арчетри)   итальянский физик, механик, астроном,философ и математик, оказавший значительное влияние на науку своего времени. Он первым использовал телескоп для наблюдениянебесных тел  и сделал ряд выдающихся астрономических открытий. Галилей — основатель экспериментальной физики. Своими экспериментами он убедительно опроверг умозрительную метафизику Аристотеля и заложил фундамент классической механики^. При жизни был известен как активный сторонник гелиоцентрической системы мира, что привело Галилея к серьёзному конфликту скатолической церковью. В формировании классической механики и утверждении нового мировоззрения велика заслуга Галилео Галилея. Галилей родился в тот год (1564), когда умер Микеланджело и родился Шекспир. Галилей — выдающаяся личность переходной эпохи от Возрождения к Новому времени. С прошлым его сближает еще многое. Так, он не определился с вопросом о бесконечности мира; не признавал законов Кеплера [1]; у него нет еще представления о том, что тела движутся в «плоском» однородном пространстве благодаря их взаимодействиям, и др. Но в то же время он весь устремлен в будущее — он открывает дорогу математическому естествознанию. Он был уверен, что «законы природы написаны на языке математики»; его стихия — мысленные кинематические и динамические эксперименты, логические конструкции; главный пафос его творчества — возможность рационального постижения законов природы. Смысл своего творчества он видит в физическом обосновании гелиоцентризма, учения Коперника. Галилей закладывает основы экспериментального естествознания, показывая, что естествознание требует умения делать научные обобщения из опыта, а эксперимент — важнейший метод научного познания.

Принцип инерции: сформулировал принцип инерции (если на тело не действует сила, то тело находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейного равномерного движения); акон инерции сделал движение тел   абсолютным явлением, а покой относительным – два движущихся тела покоятся относительно друг друга, если скорость движения  одного из них относительно другого равна нулю. Из этого закона вытекало, что все тела, так или иначе, находятся в движении. До него считалось, наоборот, что все тела находятся в покое и сила только перемещает тело из одного места   в другое.  В принципе закон инерции является отражением  принятого утверждения о существовании времени как равномерного процесса в реальном мире. Если время двигается равномерно само по себе, то и в реальном мире тоже что-то должно было двигаться равномерно и без побуждения. Поскольку движения по кривой определённо требовали искривляющую силу, то для такого равномерного движения без побуждения было избрано движение по прямой линии. Инертность — свойство тела в большей или меньшей степени препятствовать изменению своей скорости относительно инерциальной системы отсчёта при воздействии на него внешних сил. Мерой инертности в физике выступает инертная масса. Принцип относительности Галилея: сформулировал принцип относительности движения (все системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга (т.е. инерциальные системы) равноправны между собой в отношении описания механических процессов); Однако «отцом» принципа относительности заслуженно считается Галилео Галилей, который придал ему чёткую физическую формулировку, обратив внимание, что находясь в замкнутой физической системе, невозможно определить, покоится эта система или равномерно движется. В своей книге «Диалоги 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.». Следует отметить, что понятие инерциальной системы отсчёта — абстрактная модель, то есть некий идеальный объект, рассматриваемый вместо реального объекта (примерами абстрактной модели служат абсолютно твердое тело или нерастяжимая невесомая нить). Реальные системы отсчёта всегда связаны с каким-либо объектом или объектами, и соответствие реально наблюдаемого движения тел в таких системах с результатами расчётов будет неполным. Существуют такие системы отсчёта, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий (или при их взаимной компенсации) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.Системы отсчёта, в которых выполняется закон инерции, называют инерциальными системами отсчёта (ИСО). Все другие системы отсчёта (например, вращающиеся или движущиеся с ускорением) называются соответственно неинерциальными. Проявлением неинерциальности в них является возникновение фиктивных сил, называемых «силами инерции».

 Он совершенно правильно предположил, что полёт такого тела будет представлять собойсуперпозицию (наложение) двух «простых движений»: равномерного горизонтального движения по инерции и равноускоренного вертикального падения. акже, по Галилею, камень из пращи летит по прямой, «Сообщенный импульсдействует по прямой линии», «брошенное тело приобретает импульс по касательнойк дуге, описанной движением бросающего в точке отрыва брошенного тела». «Ядро,выйдя из пушки…продолжит свое движение по прямой, продолжающей линию ствола,насколько его вес не заставит отклониться от этой прямой линии к земле».

 Это позволяетпредставить движение как сложную сумму движения прямого и отклонения, причемпрямое может получиться и при компенсации действия тел и сил.

 Галилей в 1580-хоткрыл закон часов, сохранения времени колебаний маятника, где тело переходилоиз «естественного» падения к «насильственному» подъему и обратно и в «Диалоге»заключил, что «сила, которая перемещает тело вверх, является не менеевнутренней, чем которая движет его вниз, и я считаю естественным как движениетяжелых тел вверх посредством сообщенного им импульса, так и движение вниз,зависящее от тяжести». А «с движущимся телом на поверхности, которая неподнимается и не опускается?», «Когда тело движется по горизонтальнойплоскости, не встречая никакого сопротивления движению, то…движение егоявляется равномерным и продолжалось бы постоянно, если бы плоскостьпростиралась в пространство без конца» (хотя «движущемуся телу невозможнодвигаться вечно прямолинейным движением»).

 Галилей установилтакже принцип относительности (11.6) такого движения «с любой скоростью, итогда, если движение будет только равномерным…все явления не изменяются инельзя установить, движется корабль или стоит неподвижно». Это объясняло,почему мы не замечаем движения Земли вокруг Солнца и своей оси, по Копернику, авидим движение Солнца и звезд относительно нас. По Галилею, такое«инерциальное» движение системы может быть и круговым, что позже пересмотрелиНьютон и Эйнштейн в теории относительности (11кл.). Инерциальная системаотсчета – модель, используемая в физике для анализа и рассмотрения реальныхдвижений как суммы абстрактных, включая условия их близости, приближения.

 Это выражает сохранениескорости и импульса, явление и понятие инерции, по Ньютону, «ЗаконI. Всякое тело сохраняетсостояние покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и посколькуоно не изменяется силой». Это отвечает условию, когда на тело не действуютдругие тела или их действие компенсируется. Далее можно установитьколичественную меру сил и инерции.

Находясь в Падуанском университете, Галилей изучал инерцию и свободное падение тел. В частности, он заметил, что ускорение свободного падения не зависит от веса тела, таким образом опровергнув первое утверждение Аристотеля.В своей последней книге Галилей сформулировал правильные законы падения: скорость нарастает пропорционально времени, а путь — пропорционально квадрату времени^[77]. В соответствии со своим научным методом он тут же привёл опытные данные, подтверждающие открытые им законы. Более того, Галилей рассмотрел (в 4-й день «Бесед») 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 доказал, что указанное, а также любое брошенное под углом к горизонту тело летит по параболе. В истории науки это первая решённая задача динамики. В заключение исследования Галилей доказал, что максимальная дальность полёта брошенного тела достигается для угла броска 45° (ранее это предположение высказал Тарталья, который, однако, не смог его строго обосновать). На основе своей модели Галилей (ещё в Венеции) составил первые артиллерийские таблицы.

Галилей опубликовал исследование колебаний маятника и заявил, что период колебаний не зависит от их амплитуды (это приблизительно верно для малых амплитуд)^. Он также обнаружил, что периоды колебаний маятника соотносятся как квадратные корни из его длины. Результаты Галилея привлекли внимание Гюйгенса, который изобрёл часы с маятниковым регулятором (1657); с этого момента появилась возможность точных измерений в экспериментальной физике.