В чем причина движения. Динамика – раздел механики, изучающий причины движения тел. Что такое броуновское движение

Движенья нет, сказал мудрец брадатый.
Другой смолчал и стал пред ним ходить.
Сильнее бы не мог он возразить;
Хвалили все ответ замысловатый.
Но, господа, забавный случай сей
Другой пример на память мне приводит:
Ведь каждый день пред нами солнце ходит,
Однако ж прав упрямый Галилей.
А. С. Пушкин

Что такое механическое движение? Что означает относительность механического движения? Какими характеристиками описывается механическое движение? Что является причиной механического движения? В чем же был прав «упрямый Галилей»?

Урок-лекция

ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ . Движение как изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени называют механическим движением . Тело, относительно которого рассматривают движение, связанная с ним система координат и часы для измерения времени образуют систему отсчета .

Еще Галилей установил характер относительности движения . С давних времен людей интересовал вопрос, не существует ли какой-либо абсолютно покоящейся системы отсчета. Древний философ Птолемей считал, что такой системой является наша Земля, а остальные небесные тела и другие объекты движутся относительно Земли. На рисунке 61, а приведена схема движения небесных тел по Птолемею.

Рис. 61. Система движения планет: по Птолемею (а); по Копернику (б, современные представления)

Коперник предложил описывать движение планет в другой системе отсчета, где неподвижным является Солнце. Схема движения планет в этом случае выглядит так, как показано на рисунке 61, б.

Во времена Галилея споры о правильном описании движения планет носили нешуточный характер. Но в силу относительности движения оба описания можно признать эквивалентными, они просто соответствуют описанию движений в разных системах отсчета. Солнце вместе с другими звездами движется вокруг центра Галактики. Галактика, как и другие наблюдаемые астрономами галактики, также движется. Чего-то, что можно было бы считать абсолютно неподвижным во Вселенной, не обнаружено.

Так в чем же прав «упрямый Галилей»? На первый взгляд может показаться, что схема движения по Копернику проще, чем схема движения по Птолемею. Но простота эта кажущаяся. Чтобы наблюдать движение планет вокруг Солнца, нам необходимо удалиться от Солнечной системы на значительное расстояние, чего мы не можем сделать даже в настоящее время. Мы наблюдаем движение, находясь на нашей планете, и наблюдаем, как и написал Пушкин, что «пред нами солнце ходит». Может быть, Галилею не стоило упрямиться? Оказывается, это не совсем так. Описания движения в различных системах отсчета (Птолемея и Коперника) эквивалентны, пока мы исследуем кинематику движения, т. е. не рассматриваем причины, вызывающие движения.

Механическое движение имеет относительный характер, т е движение всегда происходит относительно некоторой системы отсчета. При кинематическом описании движения все системы отсчета эквивалентны.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИЖЕНИЯ . До сих пор мы говорили лишь о качественном описании движения. Но в естественных науках важно уметь описывать процессы количественно. Сделать это, вообще говоря, не так просто. Попробуйте описать движение птицы в полете. Но еспи вас не интересуют отдельные детали, вы можете моделировать движение птицы как движение некоторого малого объекта. В физике для обозначения такого объекта используют понятие материальная точка .

Движение материальной точки описывается наиболее просто. Происходит это при помощи введения системы координат . При движении материальной точки ее координаты изменяются.

Важной характеристикой движения материальной точки является траектория движения . Траекторией называют воображаемую линию в пространстве, по которой движется материальная точка. Однако иногда траекторию можно увидеть. Например, трассирующие пули оставляют след в виде светящейся линии в темноте. Другой пример - след «падающей звезды» (метеора) в атмосфере. Мы можем увидеть траектории движения звезд на небесной сфере, если сделаем фотографию небесной сферы, открыв объектив фотоаппарата на длительное время (рис. 62).

Рис. 62. Фотографии: метеоритный дождь (а); движение звезд, снятое при длительной экспозиции (б)

Напомним, что характеристику движения, показывающую, насколько изменяются координаты со временем, называют скоростью. Движение, при котором скорость остается постоянной по модулю и направлению, называют равномерным движением. Изменение скорости называют ускорением. Материальная точка движется с ускорением, если скорость изменяется по числовому значению, по направлению или одновременно по значению и направлению.

До сих пор говорилось о движении материальной точки. Как описать движение более сложных объектов? Для этого необходимо мысленно разбить объект на отдельные точки и описать движение каждой точки. В простейшем случае, например при движении футбольного мяча или Земли вокруг Солнца, такое движение можно представить как поступательное движение плюс вращение. В более сложном случае, например при полете птицы, движение каждой точки придется описывать отдельно. Именно так поступают компьютерные программы, анимирующие движения какого-либо персонажа на экране монитора.

ПРИЧИНЫ ДВИЖЕНИЯ . Раздел механики, который описывает причины изменения движения тел, называется динамикой . Историческое развитие динамики шло непростым путем.

Древнегреческий философ Аристотель считал, что для равномерного движения тела необходимо воздействие на него некоторой силы. Галилей, проделав ряд опытов, пришел к выводу, что тело движется равномерно в случае, когда оно не взаимодействует с другими телами. В том, что это не совсем так, вы можете убедиться на простейшем опыте (хотя бы мысленном). Представьте, что в поезде метро посередине пустого вагона лежит мячик. Что будет с мячом, когда вагон тронется? Без действия дополнительных сил мяч начнет двигаться с ускорением. Чтобы уточнить формулировку Галилея, Ньютон ввел понятие инерциальная система отсчета . Инерциальной системой отсчета называют такую систему, в которой тело в отсутствие взаимодействия с другими телами покоится или движется равномерно. В нашем примере вагон метро является неинерциальной системой отсчета. Такой системой является любая система отсчета, движущаяся с ускорением относительно инерциальной системы отсчета.

Для описания движения объекта вводится система координат. Простейшее движение - движение материальной точки - описывается как изменение координат. Для описания движения сложных объектов необходимо описать движение каждой точки. на которые можно мысленно разбить объект.

Оказывается, что, строго говоря, инерциальных систем отсчета в природе нет. Например, стол учителя в вашем классе вращается вместе с Землей, а следовательно, движется с ускорением. Однако во многих случаях, например при демонстрации школьных опытов, такая система отсчета может рассматриваться как приближенно инерциальная. А вот если мы попытаемся описать в этой системе отсчета движение планет, то это будет совершенно неправильно. Для описания движения планет инерциальной системой отсчета можно приближенно считать систему, центр которой находится в центре Солнца, а оси ориентированы по звездам. Именно по этой причине движение небесных тел в системе Коперника описывается лучше, чем в системе Птолемея.

Мы приходим, таким образом, к выводу, который известен как первый закон Ньютона: в инерциальной системе отсчета тело, не взаимодействующее с другими телами, покоится или движется равномерно .

Но равномерное движение есть лишь частный, практически нереализуемый случай движения. Все реально наблюдаемые нами тела движутся с ускорением. Причины движения с ускорением формулируются во втором законе Ньютона, который вам также знаком из курса физики.

Ускорение тела в инерциальной системе отсчета пропорционально сумме всех сил, действующих на него, и обратно пропорционально массе тела.

• В чем смысл относительности механического движения?
• Что является причиной движения тел?
• По плоту, движущемуся по течению реки, перпендикулярно скорости движения плота и со скоростью, в два раза большей скорости течения, идет человек. Нарисуйте траекторию движения человека относительно берега.

Действительно, еще в древности Аристотель очень наглядно и убедительно объяснил причину движения. Он задал простой вопрос - если по дороге осел тащит арбу, то в чем причина движения арбы? - имеющий простой интуитивных ответ - причина движения арбы - действие осла.

Этот ответ не подвергался сомнению вплоть до Галилея, который увидел ошибку Аристотеля - причины прямолинейного равномерного движения вообще не существует, если тело приведено в движение, то при отсутствии помехи тело будет двигаться бесконечно долго:
...степень скорости, обнаруживаемая телом, ненарушимо лежит в самой его природе, в то время как причины ускорения или замедления являются внешними; это можно заметить лишь на горизонтальной плоскости, ибо при движении по наклонной плоскости вниз наблюдается ускорение, а при движении вверх— замедление. Отсюда следует, что движение по горизонтали является вечным, ибо если оно является равномерным, то оно ничем не ослабляется, не замедляется и не уничтожается.

Эта интуитивная ошибка присутствует и на уроках физики: если спросить учащихся до изучения данной темы (а иногда и после ее изучения) «В чем причина прямолинейного равномерного движения, например, автомобиля по ровной прямолинейной дороге?», то очень часто можно услышать, что причина движения автомобиля в данном случае в работе двигателя. Этот ответ связан с тем, что действительно, если выключить двигатель, то автомобиль очень быстро остановится.
Именно поэтому необходимо очень подробно объяснять основные законы динамики, пользуясь не только формулировками из учебника,
Вот, например, какие формулировки первого, второго и третьего законов Ньютона можно найти в учебниках:

Автор 1 закон Ньютона 2 закон Ньютона 3 закон Ньютона
О.Ф. Кабардин Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущие тела сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела Сила, действующая на тело равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение Тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению

С.В. Громов
10 класс Любое тело, до тех пор, пока оно остается изолированным, сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения Если на частицу массой m окружающие тела действуют с силой F, то эта частица приобретает такое ускорение а, что произведение ее массы на ускорение будет равно действующей силе Силы взаимодействия двух частиц всегда равны по модулю и направлены в противоположные стороны вдоль соединяющей их прямой

С.В. Громов
8 класс. Любое тело, до тех пор, пока оно остается изолированным, сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения Произведение массы тела на его ускорение равно силе, с которой на него действуют окружающие тела Силы, с которыми взаимодействуют два тела, всегда равны по величине и противоположны по направлению

И.К. Кикоин Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущее тело сохраняет скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действие других тел скомпенсировано) Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение Тела действуют друг на друга с силами равными по модулю и противоположными по направлению

Но и возвращаться к первоисточникам:
1 закон (в авторской формулировке Ньютона)
Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменять его под влиянием действующих сил.
Ньютон писал в своих «Началах»:
Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Сила проявляется, единственно, только в действии и по прекращении его в теле не остается. Тело продолжает затем удерживать свое новое состояние вследствие одной только (силы) инерции. Происхождение приложенной силы может быть различное: от удара, от давления, от центростремительной силы.

Кроме этого, нужно проводить ряд демонстрационных экспериментов , в том числе и мысленный опыт Галилея.
Опыты Галилея. Возьмем наклонную плоскость, поместим на ее вершину шарик. Если шарик будет скатываться с наклонной плоскости и попадать на неровный горизонтальный участок, то он скоро остановится. Если горизонтальный участок будет ровным, шарик прокатится дальше. Значит, если бы со стороны горизонтального участка не было никаких помех движению, то шарик бы двигался бесконечно долго. А это значит, что для того, чтобы тело двигалось, не нужно воздействие другого тела. Значит, причин равномерного прямолинейного движения нет.

Кроме этого Галилей доказывает тот факт, что в двигающемся равномерно и прямолинейно теле нет никаких изменений. Он говорит: никаким опытом нельзя доказать присутствие прямолинейного равномерного движения или его отсутствие. Если нет изменений - равномерное прямолинейное движение, как и покой, - это состояние тела, а не процесс.

Основные выводы:
Причин равномерного прямолинейного движения нет:

1. Если на тело не действуют другие тела или действие тел скомпенсировано, то тело движется равномерно и прямолинейно
2. Если тело движется равномерно и прямолинейно, то на него не действуют другие тела или действие тел скомпенсировано.
3. Если тело находится в состоянии равномерного прямолинейного движения, то система отсчета связанная с ним инерциальна.
4. Только в инерциальных системах отсчета имеет место применение законов динамики.

Еще одна проблема возникает при изучении понятия "инерция". Данное понятия проще всего рассматривать, ставя его в противопоставление понятию инертность, так лучше запоминается. Инертность и инерция слова похожие, но имеющие разный смысл.
Инертность - свойство тел препятствовать изменению характера своего движения (скорости).
Инерция - это состояние равномерного прямолинейного движения или покоя.

«) примерно в V в. до н. э. Видимо, одним из первых объектов ее исследования была механе-подъёмная машина, применявшаяся в театре для подъема и опускания актеров, изображавших богов. Отсюда и произошло название науки.

Люди уже давно заметили, что они живут в мире Движущихся предметов - качаются деревья, летят птицы, плывут корабли, поражают цели стрелы, выпущенные из лука. Причины подобных загадочных тогда явлений занимали умы древних и средневековых ученых.

В 1638 г. Галилео Галилей писал: «В природе нет ничего древнее движения, и о нем философы написали томов немало и немалых». Древние и особенно ученые средневековья и эпохи Возрождения ( , Н. Коперник, Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт и др.) уже правильно толковали отдельные вопросы движения, однако в целом ясного понимания законов движения во времена Галилея не было.

Учение о движении тел впервые предстает как строгая, последовательная наука, построенная, как и геометрия Евклида, на истинах, не требующих доказательств (аксиомах), в фундаментальном труде Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии», изданном в 1687 г. Оценивая вклад в науку ученых-предшественников, великий Ньютон сказал: «Если мы видели дальше других, то это потому, что стояли на плечах гигантов».

Движения вообще, движения, безотносительного к чему-либо, нет и быть не может. Движение тел может происходить только относительно других тел и связанных с ними пространств. Поэтому в начале своего труда Ньютон решает принципиально важный вопрос о пространстве, относительно которого будет изучаться движение тел.

Чтобы придать конкретность этому пространству, Ньютон связывает с ним систему координат, состоящую из трех взаимно перпендикулярных осей.

Ньютон вводит понятие абсолютное пространство, которое определяет так: «Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и неподвижным». Определение пространства как неподвижного тождественно предположению о существовании абсолютно неподвижной системы координат, относительно которой рассматривается движение материальных точек и твердых тел.

В качестве такой системы координат Ньютон принимал гелиоцентрическую систему , начало которой он помещал в центр , а три воображаемых взаимно перпендикулярных оси направлял к трем «неподвижным» звездам. Но сегодня известно, что в мире нет ничего абсолютно неподвижного - вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца, Солнце движется относительно центра Галактики, Галактика - относительно центра мира и т. д.

Таким образом, если говорить строго, то абсолютно неподвижной системы координат не существует. Однако движение «неподвижных» звезд относительно Земли настолько медленное, что для большинства задач, решаемых людьми на Земле, этим движением можно пренебречь и считать «неподвижные» звезды действительно неподвижными, а абсолютно неподвижную систему координат, предложенную Ньютоном, действительно существующей.

По отношению к абсолютно неподвижной системе координат Ньютон сформулировал свой первый закон (аксиому): «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными изменять это состояние».

С тех пор предпринимались и предпринимаются попытки редакционно улучшить формулировку Ньютона. Один из вариантов формулировок звучит так: «Тело, движущееся в пространстве, стремится сохранить величину и направление своей скорости» (имеется в виду, что покой - это движение со скоростью, равной нулю). Здесь уже вводится понятие одной из важнейших характеристик движения - поступательной, или линейной, скорости. Обычно линейная скорость обозначается V.

Обратим внимание на то, что в первом законе Ньютона говорится только о поступательном (прямолинейном) движении. Однако всем известно, что в мире существует и другое, более сложное движение тел - криволинейное, но о нем позже…

Стремление тел «удерживаться в своем состоянии» и «сохранять величину и направление своей скорости» называется инертностью , или инерцией , тел. Слово «инерция» латинское, в переводе на русский оно означает «покой», «бездействие». Интересно отметить, что инерция - органическое свойство материи вообще, «врожденная сила материи», как говорил Ньютон. Она свойственна не только механическому движению, но и другим явлениям природы, например электрическим, магнитным, тепловым. Инерция проявляется и в жизни общества, и в поведении отдельных людей. Но вернемся к механике.

Мерой инерции тела при его поступательном движении является масса тела, обозначаемая обычно m. Установлено, что при поступательном движении на величину инерции не влияет распределение массы внутри объема, занимаемого телом. Это дает основание при решении многих задач механики отвлечься от конкретных размеров тела и заменить его материальной точкой, масса которой равна массе тела.

Местоположение этой условной точки в объеме, занимаемом телом, называется центром масс тела , или, что почти то же самое, но более знакомо, центром тяжести .

Мерой механического прямолинейного движения, предложенной еще Р. Декартом в 1644 г., является количество движения, определяемое как произведение массы тела на его линейную скорость: mV.

Как правило, движущиеся тела не могут продолжительное время сохранять неизменным величину количества своего движения: расходуются в полете запасы топлива, уменьшая массу летательных аппаратов, тормозят и разгоняются поезда, изменяя свою скорость. Какая же причина вызывает изменение количества движения? Ответ па этот вопрос дает второй закон (аксиома) Ньютона, который в современной формулировке звучит так: скорость изменения количества движения материальной точки равна силе, действующей на эту точку.

Итак, причиной, вызывающей движение тел (если вначале mV=0) или изменяющей их количество движения (если вначале mV не равно О) относительно абсолютного пространства (других пространств Ньютон не рассматривал), являются силы. Эти силы позже получили уточняющие названия - физические , или Ньютоновы , силы. Они обычно обозначаются F.

Сам Ньютон дал следующее определение физическим силам: «Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения». Существует много других определений силы. Л. Купер и Э. Роджерс - авторы замечательных популярных книг по физике, избегая скучноватых строгих определений силы, с известной долей лукавства вводят свое определение: «Силы - это то, что тянет и толкает». До конца не ясно, но какое-то представление о том, что такое сила, появляется.

К физическим силам относятся: силы , магнитные (см. статью « «), силы упругости и пластичности, силы сопротивления среды, света и многие другие.

Если во время движения тела его масса не меняется (только этот случай будет рассматриваться в дальнейшем), то формулировка второго закона Ньютона значительно упрощается: «Действующая на материальную точку сила равна произведению массы точки на изменение ее скорости».

Изменение линейной скорости тела или точки (по величине или направлению - запомним это) называется линейным ускорением тела или точки и обозначается обычно а.

Ускорения и скорости, с которыми тела движутся относительно абсолютного пространства, называются абсолютными ускорениями и скоростями .

Кроме абсолютной системы координат, можно представить себе (конечно, с какими-то допущениями) другие системы координат, которые движутся относительно абсолютной прямолинейно и равномерно. Поскольку (согласно первому закону Ньютона) покой и равномерное прямолинейное движение эквивалентны, то в таких системах справедливы законы Ньютона, в частности первый закон - закон инерции . По этой причине системы координат, движущиеся равномерно и прямолинейно относительно абсолютной системы, получили название инерциальных систем координат .

Однако в большинстве практических задач людей интересует движение тел не относительно далекого и неосязаемого абсолютного пространства и даже не относительно инерциальных пространств, а относительно других более близких и вполне материальных тел, например пассажира относительно кузова автомобиля. Но эти другие тела (и связанные с ними пространства и системы координат) сами движутся относительно абсолютного пространства непрямолинейно и неравномерно. Системы координат, связанные с такими телами, получили название подвижных . Впервые подвижные системы координат использовал для решения сложных задач механики Л. Эйлер (1707-1783).

С примерами движения тел относительно других подвижных тел мы постоянно встречаемся в нашей жизни. Плывут по морям и океанам корабли, перемещаясь относительно поверхности Земли, вращающейся в абсолютном пространстве; движется относительно стен мчащегося пассажирского вагона проводник, разносящий чай по купе; выплескивается чай из стакана при резких толчках вагона и т. д.

Для описания и изучения столь сложных явлений вводятся понятия переносного движения и относительного движения и соответствующих им переносных и относительных скоростей и ускорений.

В первом из приведенных примеров вращение Земли относительно абсолютного пространства будет переносным движением, а перемещение корабля относительно поверхности Земли - относительным движением.

Чтобы изучить движение проводника относительно стен вагона, нужно прежде принять, что вращение Земли существенного влияния на движение проводника не оказывает и поэтому Землю в данной задаче можно считать неподвижной. Тогда движение пассажирского вагона - движение переносное , а движение проводника относительно вагона — движение относительное . При относительном движении тела воздействуют друг на друга или непосредственно (соприкасаясь), или на расстоянии (например, магнитные и гравитационные взаимодействия).

Характер этих воздействий определяется третьим законом (аксиомой) Ньютона. Если вспомнить, что физические силы, приложенные к телам, Ньютон назвал действием, то третий закон может быть сформулирован так: «Действие равно противодействию». Следует отметить, что действие приложено к одному, а противодействие - к другому из двух взаимодействующих тел. Действие и противодействие не уравновешиваются, а вызывают ускорения взаимодействущих тел, причем с большим ускорением движется то тело, масса которого меньше.

Напомним также, что третий закон Ньютона в отличие от первых двух справедлив в любой системе координат, а не только в абсолютной или инерциальных.

Кроме прямолинейного движения, в природе широко распространено криволинейное движение, простейшим случаем которого является движение по окружности. Только этот случай мы и будем рассматривать в дальнейшем, называя движение по окружности круговым движением. Примеры кругового движения: вращение Земли вокруг своей оси, движение дверей и качелей, вращение бесчисленных колес.

Круговое движение тел и материальных точек может происходить либо вокруг осей, либо вокруг точек.

Круговое движение (так же, как и прямолинейное) может быть абсолютным, переносным и относительным.

Как и прямолинейное, круговое движение характеризуется скоростью, ускорением, силовым фактором, мерой инерции, мерой движения. Количественно все эти характеристики в очень сильной степени зависят от того, на каком расстоянии от оси вращения находится вращающаяся материальная точка. Это расстояние называется радиусом вращения и обозначается r .

В гироскопической технике момент количества движения принято называть кинетическим моментом и выражать его через характеристики кругового движения. Таким образом, кинетический момент есть произведение момента инерции тела (относительно оси вращения) на его угловую скорость.

Естественно, законы Ньютона справедливы и для кругового движения. В применении к круговому движению эти законы несколько упрощенно могли бы быть сформулированы так.

• Первый закон: вращающееся тело стремится сохранить относительно абсолютного пространства величину и направление своего момента количества движения (т. е. величину и направление своего кинетического момента).
• Второй закон: изменение во времени момента количества движения (кинетического момента) равно приложенному моменту сил.
• Третий закон: момент действия равен моменту противодействия.

Движение – это изменение чего-либо. Уже на эмпирическом уровне видно, что природа как множество естественных явлений – это не нечто застывшее и неизменное, а, наоборот, то, что находится в процессе постоянного движения. Смена дня на ночь и времен года, течение воды в реках и осадки, вращение планет вокруг Солнца и возникновение новых звезд – вот только некоторые факты, на основании которых можно говорить, что в природе все время происходят изменения.

Констатация факта постоянного изменения всего нашло свое выражение уже в античности в известном изречении Гераклита о том, что «все течет, подобно реке». Эмпирическое наблюдение требует соответствующего теоретического объяснения, главным содержанием которого являются ответы на следующие вопросы: 1) Почему происходит движение? 2) Как связаны между собой разные виды движения? 3) Существует ли общее направление изменений?

Со времен античности и до Нового времени объяснение движения строилось, с одной стороны, на основе обыденных наблюдений, а с другой, – на основе таких антропоморфных предпосылок, как представление о целесообразности всего и об идеальном как объективно-субстанциональном.

В частности, согласно тому же Гераклиту, «все возникает в силу противоположности. … Космос … рождается из огня и снова сгорает дотла через определенные периоды времени, попеременно в течение совокупной вечности, происходит же это согласно судьбе. Та из противоположностей, которая ведет к возникновению космоса, называется войной и распрей, а та, что – к сгоранию – согласием и миром, изменение – путем вверх-вниз, по которому и возникает космос. Сгущаясь, огонь увлажняется и, сплачиваясь, становится водой; вода, затвердевая, превращается в землю: это путь вниз. Земля, в свою очередь, снова тает, из нее возникает вода, а из воды все остальное».

Cогласно физическим представлениям Аристотеля (сохранявшим свое значение до конца эпохи Возрождения), каждое тело стремится к своему месту, причем направление и скорость движения последнего зависят от того материала, из которого оно состоит. «Легкие» тела (например, огонь) стремятся к верху, а «тяжелые» (например, камни) – к низу. Достигнув своего «естественного» места, тело приходит в состояние покоя, поэтому для того, чтобы оно вновь стало двигаться, нужен движитель. Все на Земле движется, в конечном итоге, в результате действия некоего космического перводвигателя, который, сам, будучи идеальным, вечно вращается по кругу. Логика этого рассуждения такова: круговое движение – зримый символ бесконечного, т.е. вечного; перводвигатель идеален, а идеальное – вечно; значит, вечный идеальный перводвигатель вечно движется по кругу, как бы передавая силу своего движения на Землю; земное движется также и потому, что оно стремится к перводвигателю как к совершенству.

Физические представления о «естественности» покоя и «насильственности» движения в Средние века часто использовались в рамках т.н. «естественной теологии», где на их основе пытались строить естественнонаучное доказательство бытия бога (перводвигатель это и есть бог).

В Новое время антропоморфизм в физике был преодолен, и в результате теоретических и экспериментальных исследований стало понятно, что покой – не естественное и не абсолютное состояние тел, а движение не всегда насильственно. В частности, согласно первому закону классической механики Ньютона движение и покой есть равновероятные состояния и любое тело вечно движется или покоится до тех пор, пока не испытает противодействия со стороны других сил.

Открытие гравитационного взаимодействия как притяжения (закон всемирного тяготения, XVII в.) и электромагнитного взаимодействия как притяжения и отталкивания (закон Кулона о взаимодействии точечных электрических зарядов, XVIII в.) в значительной мере способствовало утверждению общего представления о том, что движение – это внутреннее свойство материи, т.е. идеи о том, что движение – это самодвижение материи. Французский философ Поль Анри Гольбах (1723 – 1789) выразил эту характерную для XVIII в. мысль следующим образом: «Спросят нас: откуда эта природа получила свое движение? Мы ответим, что от самой себя, ибо она есть великое целое, вне которого ничего не может существовать. Мы скажем, что движение – это способ существования, необходимым образом вытекающий из сущности материи; что материя движется благодаря собственной энергии; что она обязана своим движением внутренне присущим ей силам».

Согласно современным физическим представлениям, все множество наблюдаемых движений физических объектов в действительности представляет собой проявление четырех видов фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого ядерных.

Гравитационное взаимодействие обусловлено наличием у тел массы, и оно доминирует в мегамире. Закон всемирного тяготения является формальным выражением условий и величины этого взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие обусловлено специфическим свойством ряда элементарных частиц, которое называется электрическим зарядом. Оно играет ведущую роль в макро- и микромире вплоть до расстояний, превосходящих размеры атомных ядер. Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы и происходят химические превращения вещества. Ядерные взаимодействия проявляются лишь на расстояниях, сравнимых с размером атомного ядра. Все четыре типа фундаментальных взаимодействий весьма несхожи между собой (в частности, гравитационное взаимодействие – это только притяжение, а электромагнитное существует как притяжение и отталкивание) и обусловлены существенно разными механизмами. Тем не менее, в рамках теоретической физики существует вопрос о возможности построения единой теории всех фундаментальных взаимодействий. Тем более что в результате экспериментальных исследований взаимодействий элементарных частиц в 1983 г. было обнаружено, что при больших энергиях столкновения элементарных частиц слабое и электромагнитные взаимодействия не различаются и их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие.

В современных естественных науках, а также в философии принято говорить об уровнях организации материи (выделяют физический, химический, биологический уровни организации), классификация которых основана на выделении соответствующих видов движения материи. В частности, движение материи на физическом уровне ее организации – это рассмотренные нами 4 фундаментальных взаимодействия; движение на химическом уровне – превращения веществ; на биологическом – обмен веществ внутри живого организма. Названные уровни организации материи представляют собой последовательные формы усложнения последней, при этом каждый следующий уровень не отделен от предыдущего непроходимой гранью, а является результатом его естественного развития. В частности, органические вещества могут возникать не только вследствие жизнедеятельности биологических организмов, но также и без них – в результате синтеза неорганических. В 1953 г. американский химик С. Миллер экспериментально доказал возможность абиогенного синтеза органических соединений из неорганических. Пропуская электрический разряд через смесь неорганических соединений, он получил органические кислоты.

Проблема направления движения, понятая в предельно общем смысле, может быть интерпретирована как теория тепловой смерти Вселенной (регресс) и как теория самоорганизации (прогресс).

Гипотеза о тепловой смерти Вселенной – это следствие второго начала термодинамики. Одним из первых эту гипотезу в середине XIX века высказал немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822 – 1888) на основе толкования им второго начала термодинамики. Из второго начала следует, что на макроскопическом уровне существуют направленные и необратимые физические процессы. Для того чтобы это понять, рассмотрим следующий пример. Допустим, мы приносим в комнату только что вскипевший чайник и наливаем из него в стакан воду. Понятно, что температура воды в чайнике значительно выше температуры окружающей среды. Пусть температура воды 100 градусов, а температура в комнате 18 градусов. Что произойдет потом? Очевидно, вода постепенно остынет, а воздух немного нагреется. В конечном итоге температура воды и воздуха сравняется и будет, допустим, 18,5 градусов, то есть наступит термодинамическое равновесие. Возможно ли развитие событий в обратном направлении, когда чайник с водой начнет отбирать тепло из воздуха и в результате опять нагреется, а воздух, соответственно, остынет? Чисто теоретически да, но реальная вероятность этого близка к нулю.

Наш мир можно рассматривать как гигантскую термодинамическую систему, которая находится в неравновесном состоянии. Энергия сконцентрирована главным образом в горячих звездах и постепенно мигрирует в гораздо более холодное межзвездное пространство. Все имеющиеся двигатели оказываются работоспособными, в конечном итоге, за счет существования указанной глобальной неравновесности. Поэтому вполне естественными является вопрос о перспективах, связанных со стремлением глобальной системы к термодинамическому равновесию.

Согласно Клаузиусу, энтропия Вселенной стремиться к максимуму. Из этого следует, что во Вселенной, в конце концов, все виды энергии должны перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по всему веществу Вселенной. После чего в ней прекратятся все макроскопические процессы или наступит «тепловая смерть» .

Солнечная система, например, может рассматриваться как замкнутая неравновесная термодинамическая система. Энергия здесь главным образом сосредоточена на Солнце. Более 95% используемой человеком энергии – это энергия Солнца . Очевидно, если оно перестанет снабжать нас энергией, и мы израсходуем все ее запасы, то никакая работа окажется невозможной .

Таким образом, если и весь окружающий мир действительно считать замкнутой системой, к которой применимы выводы классической термодинамики, то при достижении равновесия он должен представлять собой однородное тело с постоянной температурой, плотностью вещества и излучения, в котором не будет возможно никакое направленное преобразование энергии.

Основные возражения против гипотезы тепловой смерти Вселенной следующие: 1) Вселенная не является изолированной системой. 2) Почему Вселенная, существующая неограниченный период времени, до сих пор не достигла состояния термодинамического равновесия?

Долгое время существовало представление, что способностью к самоорганизации обладают только биологические объекты и системы. После появления компьютеров, самообучающихся программ и возникновения робототехники стало понятно, что искусственные объекты тоже могут эволюционировать. Относительно недавно выяснилось, что способностью к самоорганизации могут обладать и объекты неживой природы, возникшие естественным путем без участия человека. В частности, в физике известны феномены образования устойчивых вихрей в нестационарных потоках жидкостей и газов; возникновение упорядоченного излучения в лазерах; образование и рост кристаллов. В химии – концентрационные колебания в реакции Белоусова – Жаботинского.

Необходимость и законы самоорганизации изучает синергетика. Термин «синергетика» предложил в начале 70-х гг. XX в. немецкий физик Герман Хакен (род. 1927 г.). Большой вклад в развитие теории самоорганизации внес бельгийский и американский физик Илья Пригожин (1917 – 2003). В настоящее время синергетика – это междисциплинарное направление научных исследований, предмет которого – общие закономерности самоорганизации в природных и социальных системах.

Для самопроизвольного возникновения более упорядоченных структур из структур менее упорядоченных необходимо сочетание следующих условий:

Они могут образовываться только в открытых системах . Для их возникновения обязателен приток энергии извне, компенсирующий потери и обеспечивающий существование упорядоченных состояний;

Упорядоченные структуры возникают в макроскопических системах, то есть системах, состоящих из большого числа атомов, молекул, клеток и т.д. Упорядоченное движение в таких системах всегда носит кооперативный характер, так как в него вовлекается большое число объектов.

Следует особо подчеркнуть, что самоорганизация не связана с каким-либо особым классом веществ. Она существует лишь при особых внутренних и внешних условиях системы и окружающей среды.

Рассмотрим простейший пример самоорганизации – ячейки Бенара . Структурирование (т.е. организацию) первоначально однородной жидкости можно наблюдать при возникновении конвекции (перемешивании ее слоев). Пусть в начальный момент жидкость находится в покое при некоторой постоянной температуре. Далее начнем подогревать ее снизу. По мере повышения интенсивности нагрева возникает явление конвекции: нагретый нижний слой жидкости расширяется, становится более легким и поэтому стремиться всплыть вверх. На смену ему, сверху вниз, опускается более холодный и плотный слой. Сначала это происходит спорадически: восходящие потоки возникают то в одном, то в другом месте и существуют недолго. То есть конвекция идет в хаотическом режиме. Когда разность температур между верхним и нижним слоем жидкости достигает некоторого критического значения, картина меняется принципиальным образом. Весь объем жидкости разделяется на одинаковые ячейки, в каждой из которых происходят уже незатухающие конвекционные движения частиц жидкости по замкнутым траекториям. Характерные размеры ячеек Бенара в случае экспериментов с жидкостью находятся в миллиметровом диапазоне (10 -3 м), в то время как характерный пространственный масштаб межмолекулярных сил приходится на существенно меньший диапазон: 10 -10 м. Иначе говоря, отдельная ячейка Бенара содержит около 10 21 молекул. Таким образом, огромное число частиц может демонстрировать когерентное (согласованное) поведение.

Ячейки Бенара могут образовываться при соответствующих условиях в любых жидкостях. Такие ячейки обнаружены на поверхности Солнца и предположительно существуют в мантии Земли. Более того, согласно современным астрономическим представлениям, наблюдаемая часть Вселенной также состоит из ячеистых структур – скоплений галактик.

Кроме самоорганизации, другим важным понятием синергетики является понятие бифуркации. Термин «бифуркация» – развилка или разделение надвое – в современной научной терминологии служит для описания особенности поведения сложных систем, которые подвержены воздействиям и напряжениям. В определенный момент такие системы должны сделать критический выбор: пойти либо по одной, либо по другой ветви развития. Простейший пример системы, находящейся в точке бифуркации – это неустойчивое равновесие шарика на поверхности выпуклой сферы большого диаметра. Шарик может скатиться с поверхности сферы в любую сторону и практически в любой момент времени. В рассмотренном примере с ячейками Бенара точкой бифуркации является случайное возникновение право- или левовращательных ячеек в жидкости. Подобная картина наблюдается и при биологической эволюции: случайная мутация, которая приведет к качественной необратимой перестройке организма, есть, говоря языком синергетики, точка бифуркации. Таким образом, понятие бифуркации может использоваться для описания изменений в самых разных системах, в том числе экологических и социальных.

Важнейшими особенностями точки бифуркации является то, что, во-первых, прохождение через нее переводит систему в качественно новое состояние, во-вторых, нельзя заранее знать, по какому именно направлению пойдет развитие системы, то есть бифуркация не детерминирована однозначно.

Следует четко представлять, что основная идея синергетики заключается в том, чтобы описать возможность самопроизвольного (без вмешательства человеческого разума) возникновения упорядочены структур из неупорядоченных или, говоря словами И. Пригожина, «порядка из хаоса» .

Причиной того, что тело начинает двигаться, является действие на это тело других тел. Мяч покатится только, если ударить его. Человек подпрыгнет, если оттолкнётся от пола. Некоторые тела действуют на расстоянии. Так, Земля притягивает всё вокруг, поэтому, если выпустить из рук мяч, то он сразу начнёт двигаться вниз. Скорость движения тела тоже может изменяться только при действии на это тело других тел. Например, мяч резко изменяет скорость движения, наталкиваясь на стену, а птица делает крутой вираж, отталкивая воздух своими крыльями и хвостовым опереньем.

Все вышеперечисленные примеры и множество других, с которыми мы встречаемся на каждом шагу, говорят о том, что тело может изменить свою скорость только тогда, когда на него подействуют другие тела. И наоборот, если на тело не действуют никакие другие тела, то тело будет находиться в покое или двигаться равномерно и прямолинейно. Впервые к такому выводу пришёл Г. Галилей в начале XVII века, а век спустя И. Ньютон назвал это одним из основных законов механики.

Способность тела сохранять свою скорость называют его инерцией. Поэтому закон, открытый Г. Галилеем и сформулированный И. Ньютоном, называют законом инерции или первым законом Ньютона.

Закон инерции справедлив далеко не во всех системах отсчёта. Например, в системе отсчёта, связанной с движущимся автомобилем, его водитель при резком торможении начинает двигаться вперёд, хотя никакие тела на него не действуют. Стоя на диске, который начинает вращаться вокруг своей оси, мы чувствуем, как какая-то неведомая сила заставляет двигаться нас от центра этого диска. Очевидно, что в этих двух системах отсчёта – тормозящий автомобиль и вращающийся диск, закон инерции не выполняется.

Системы отсчёта, в которых выполняется закон инерции, называют инерциальными системами отсчёта. Систему отсчёта, связанную с Землёй, можно считать инерциальной, хотя, как известно, Земля (как диск в одном из предыдущих примеров) вращается вокруг своей оси, но так медленно, что только очень точные измерения показывают несоблюдение закона инерции в этой системе отсчёта.

Если тело отсчёта движется равномерно, прямолинейно и поступательно относительно инерциальной системы отсчёта, то система отсчёта, связанная с этим телом тоже является инерциальной. Докажем это, используя правило преобразования скоростей при переходе от одной системы отсчёта к другой (см. § 2). Пусть скорость тела М (см. рис.7), измеренная в системе отсчёта С 1 равна v 1 , тогда скорость v2 того же тела, но измеренная в системе отсчёта С 2 , движущейся относительно С 1 со скоростью v, равна:

v 2 = v 1 - v (7.1)

Из (7.1) следует, что изменения скоростей Dv 1 и Dv 2 за промежуток времени Dt должны быть одинаковы, так как скорость v остаётся неизменной. Поэтому величины ускорения тела М, измеренные в обеих системах, отсчёта тоже будут одинаковы. В частности, если тело М, на которое не действуют другие тела, движется без ускорения, т.е равномерно, в системе отсчёта С 1 , то его движение относительно системы С2 тоже будет равномерным, а значит систему отсчёта С 2 тоже можно считать инерциальной. Так, например, если считать Землю инерциальной системой отсчёта, то вагон поезда, движущийся равномерно, прямолинейно и поступательно, можно тоже считать инерциальной системой отсчёта.

Вопросы для повторения:

· Что изучает динамика?

· Что является причиной ускорения тела?

· Дайте определение инерции тела и сформулируйте закон инерции.

· Какие системы отсчёта называют инерциальными?

· Приведите примеры инерциальных систем отсчёта и тех, в которых закон инерции не соблюдается.

Рис. 7. Система отсчёта С2 является инерциальной, так как движется относительно инерциальной системы С1 поступательно, равномерно и прямолинейно со скоростью v. Показан способ вычисления скорости v2 тела М относительно системы С2 по известной скорости v1 этого тела в системе С1 .

§ 8. СИЛА – МЕРА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕЛ: ВИДЫ СИЛ И ИХ ИЗМЕРЕНИЕ