Meccanica -Mechanics

La meccanica (dal greco antico : μηχανική , mēkhanikḗ , lett. "delle macchine ") è l'area della matematica e della fisica che si occupa delle relazioni tra forza , materia e movimento tra gli oggetti fisici . Le forze applicate agli oggetti provocano spostamenti o cambiamenti della posizione di un oggetto rispetto al suo ambiente.

Le esposizioni teoriche di questo ramo della fisica hanno le loro origini nell'antica Grecia , ad esempio, negli scritti di Aristotele e Archimede (vedi Storia della meccanica classica e Cronologia della meccanica classica ). Durante la prima età moderna , scienziati come Galileo , Keplero , Huygens e Newton gettarono le fondamenta di quella che oggi è conosciuta come meccanica classica .

Come branca della fisica classica , la meccanica si occupa di corpi che sono a riposo o si muovono con velocità significativamente inferiori alla velocità della luce. Può anche essere definita come la scienza fisica che si occupa del moto e delle forze sui corpi non nel regno dei quanti.

Storia

Antichità

Gli antichi filosofi greci furono tra i primi a proporre che i principi astratti governassero la natura. La principale teoria della meccanica nell'antichità era la meccanica aristotelica , sebbene una teoria alternativa sia esposta nei problemi meccanici pseudo-aristotelici , spesso attribuiti a uno dei suoi successori.

C'è un'altra tradizione che risale agli antichi greci dove la matematica è usata più ampiamente per analizzare i corpi staticamente o dinamicamente , un approccio che potrebbe essere stato stimolato dal precedente lavoro del pitagorico Archita . Esempi di questa tradizione includono pseudo- Euclide ( Sulla bilancia ), Archimede ( Sull'equilibrio dei piani , Sui corpi fluttuanti ), Eroe ( Mechanica ) e Pappo ( Collezione , Libro VIII).

Età medievale

Macchina araba in un manoscritto di data sconosciuta.

Nel Medioevo, le teorie di Aristotele furono criticate e modificate da un certo numero di figure, a cominciare da Giovanni Filopono nel VI secolo. Un problema centrale era quello del moto dei proiettili , discusso da Ipparco e Filopono.

Il poliedrico islamico persiano Ibn Sīnā pubblicò la sua teoria del movimento in The Book of Healing (1020). Ha detto che uno slancio viene impartito a un proiettile dal lanciatore e lo considerava persistente, richiedendo forze esterne come la resistenza dell'aria per dissiparlo. Ibn Sina ha fatto una distinzione tra "forza" e "inclinazione" (chiamata "mayl"), e ha sostenuto che un oggetto ha guadagnato mayl quando l'oggetto è in opposizione al suo movimento naturale. Così ha concluso che la continuazione del movimento è attribuita all'inclinazione che viene trasferita all'oggetto, e quell'oggetto sarà in movimento fino a quando il maggio non sarà esaurito. Ha anche affermato che un proiettile nel vuoto non si fermerebbe a meno che non subisca un'azione, coerente con la prima legge del moto di Newton.

Sulla questione di un corpo soggetto a una forza costante (uniforme), lo studioso ebreo-arabo del XII secolo Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi (nato Nathanel, iracheno, di Baghdad) ha affermato che la forza costante impartisce un'accelerazione costante. Secondo Shlomo Pines , la teoria del moto di al-Baghdaadi era "la più antica negazione della legge dinamica fondamentale di Aristotele [vale a dire che una forza costante produce un moto uniforme], [ed è quindi una] anticipazione in modo vago della fondamentale legge della meccanica classica [vale a dire, che una forza applicata continuamente produce accelerazione]."

Influenzato da scrittori precedenti come Ibn Sina e al-Baghdaadi, il sacerdote francese del XIV secolo Jean Buridan sviluppò la teoria dell'impeto , che in seguito si sviluppò nelle moderne teorie di inerzia , velocità , accelerazione e quantità di moto . Questo lavoro e altri furono sviluppati nell'Inghilterra del XIV secolo dai calcolatori di Oxford come Thomas Bradwardine , che studiò e formulò varie leggi sulla caduta dei corpi. Il concetto che le proprietà principali di un corpo sono il moto uniformemente accelerato (come quello dei corpi in caduta) è stato elaborato dai calcolatori di Oxford del XIV secolo .

Prima età moderna

Prima rappresentazione europea di una pompa a pistoni , di Taccola , c. 1450.

Due figure centrali della prima età moderna sono Galileo Galilei e Isaac Newton . L'affermazione finale di Galileo sulla sua meccanica, in particolare sulla caduta dei corpi, è il suo Two New Sciences (1638). La Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica di Newton del 1687 fornì un resoconto matematico dettagliato della meccanica, utilizzando la matematica del calcolo di nuova concezione e fornendo le basi della meccanica newtoniana .

C'è qualche disputa sulla priorità delle varie idee: i Principia di Newton sono certamente il lavoro fondamentale ed è stato tremendamente influente, e molti dei risultati matematici in esso contenuti non avrebbero potuto essere affermati prima senza lo sviluppo del calcolo. Tuttavia, molte delle idee, in particolare per quanto riguarda l'inerzia e la caduta dei corpi, erano state sviluppate da studiosi precedenti come Christiaan Huygens e dai meno noti predecessori medievali. Il credito preciso è a volte difficile o controverso perché il linguaggio scientifico e gli standard di prova sono cambiati, quindi è spesso discutibile se le affermazioni medievali siano equivalenti alle affermazioni moderne o prove sufficienti , o invece simili alle affermazioni e alle ipotesi moderne .

Età moderna

Due principali sviluppi moderni della meccanica sono la relatività generale di Einstein e la meccanica quantistica , entrambe sviluppate nel 20° secolo basate in parte su idee del 19° secolo. Lo sviluppo della moderna meccanica del continuo, in particolare nei settori dell'elasticità, della plasticità, della fluidodinamica, dell'elettrodinamica e della termodinamica dei mezzi deformabili, è iniziato nella seconda metà del XX secolo.

Tipi di corpi meccanici

Il termine corpo spesso usato deve indicare un vasto assortimento di oggetti, tra cui particelle , proiettili , veicoli spaziali , stelle , parti di macchinari , parti di solidi , parti di fluidi ( gas e liquidi ), ecc.

Altre distinzioni tra le varie sotto-discipline della meccanica, riguardano la natura dei corpi descritti. Le particelle sono corpi con una struttura interna poco (conosciuta), trattate come punti matematici nella meccanica classica. I corpi rigidi hanno dimensione e forma, ma conservano una semplicità vicina a quella della particella, aggiungendo solo alcuni cosiddetti gradi di libertà , come l'orientamento nello spazio.

Altrimenti i corpi possono essere semirigidi, cioè elastici , o non rigidi, cioè fluidi . Queste materie hanno divisioni di studio sia classiche che quantistiche.

Ad esempio, il moto di un veicolo spaziale, per quanto riguarda la sua orbita e il suo assetto ( rotazione ), è descritto dalla teoria relativistica della meccanica classica, mentre gli analoghi movimenti di un nucleo atomico sono descritti dalla meccanica quantistica.

Sotto-discipline

Di seguito sono riportati due elenchi di vari argomenti studiati in meccanica.

Si noti che esiste anche la " teoria dei campi " che costituisce una disciplina separata in fisica, formalmente trattata come distinta dalla meccanica, siano campi classici o campi quantistici . Ma nella pratica attuale, argomenti appartenenti alla meccanica e ai campi sono strettamente intrecciati. Così, per esempio, le forze che agiscono sulle particelle sono spesso derivate da campi ( elettromagnetici o gravitazionali ), e le particelle generano campi agendo come sorgenti. Infatti, nella meccanica quantistica, le particelle stesse sono campi, come descritto teoricamente dalla funzione d'onda .

Classico

Il prof. Walter Lewin spiega la legge di gravitazione di Newton nel corso 8.01 del MIT .

I seguenti sono descritti come formanti la meccanica classica:

Quantico

I seguenti sono classificati come parte della meccanica quantistica :

Storicamente, la meccanica classica esisteva da quasi un quarto di millennio prima che si sviluppasse la meccanica quantistica . La meccanica classica ha avuto origine con le leggi del moto di Isaac Newton in Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , sviluppate nel corso del XVII secolo. La meccanica quantistica si sviluppò più tardi, nel corso del diciannovesimo secolo, accelerata dal postulato di Planck e dalla spiegazione dell'effetto fotoelettrico di Albert Einstein . Entrambi i campi sono comunemente ritenuti costituire la conoscenza più certa che esista sulla natura fisica.

La meccanica classica è stata particolarmente spesso vista come un modello per altre cosiddette scienze esatte . Essenziale a questo proposito è l'ampio uso della matematica nelle teorie, così come il ruolo decisivo svolto dall'esperimento nel generarle e verificarle.

La meccanica quantistica ha una portata più ampia, poiché comprende la meccanica classica come una sottodisciplina che si applica in determinate circostanze limitate. Secondo il principio di corrispondenza , non c'è contraddizione o conflitto tra i due soggetti, ognuno riguarda semplicemente situazioni specifiche. Il principio di corrispondenza afferma che il comportamento dei sistemi descritti dalle teorie quantistiche riproduce la fisica classica nel limite dei grandi numeri quantici , cioè se la meccanica quantistica viene applicata a grandi sistemi (per esempio una palla da baseball), il risultato sarebbe quasi lo stesso se la meccanica classica era stato applicato. La meccanica quantistica ha sostituito la meccanica classica a livello di base ed è indispensabile per la spiegazione e la previsione dei processi a livello molecolare, atomico e subatomico. Tuttavia, per i processi macroscopici la meccanica classica è in grado di risolvere problemi che sono ingestibili (principalmente a causa di limiti computazionali) nella meccanica quantistica e quindi rimane utile e ben utilizzata. Le descrizioni moderne di tale comportamento iniziano con un'attenta definizione di quantità come lo spostamento (distanza percorsa), il tempo, la velocità, l'accelerazione, la massa e la forza. Fino a circa 400 anni fa, però, il moto veniva spiegato da un punto di vista molto diverso. Ad esempio, seguendo le idee del filosofo e scienziato greco Aristotele, gli scienziati hanno argomentato che una palla di cannone cade perché la sua posizione naturale è nella Terra; il sole, la luna e le stelle viaggiano in cerchio attorno alla terra perché è nella natura degli oggetti celesti viaggiare in cerchi perfetti.

Spesso citato come il padre della scienza moderna, Galileo ha riunito le idee di altri grandi pensatori del suo tempo e ha iniziato a calcolare il moto in termini di distanza percorsa da una posizione di partenza e il tempo impiegato. Ha mostrato che la velocità degli oggetti in caduta aumenta costantemente durante il tempo della loro caduta. Questa accelerazione è la stessa sia per gli oggetti pesanti che per quelli leggeri, a condizione che l'attrito dell'aria (resistenza dell'aria) sia scontato. Il matematico e fisico inglese Isaac Newton ha migliorato questa analisi definendo forza e massa e mettendole in relazione con l'accelerazione. Per gli oggetti che viaggiano a velocità prossime a quella della luce, le leggi di Newton furono sostituite dalla teoria della relatività di Albert Einstein . [Una frase che illustra la complicazione computazionale della teoria della relatività di Einstein.] Per le particelle atomiche e subatomiche, le leggi di Newton furono sostituite dalla teoria quantistica . Per i fenomeni quotidiani, tuttavia, le tre leggi del moto di Newton rimangono la pietra angolare della dinamica, che è lo studio di ciò che causa il movimento.

Relativistico

Analogamente alla distinzione tra meccanica quantistica e meccanica classica, le teorie della relatività generale e speciale di Albert Einstein hanno ampliato l'ambito della formulazione della meccanica di Newton e Galileo . Le differenze tra la meccanica relativistica e quella newtoniana diventano significative e persino dominanti quando la velocità di un corpo si avvicina alla velocità della luce . Ad esempio, nella meccanica newtoniana , l' energia cinetica di una particella libera è E = 1/2mv 2 , mentre nella meccanica relativistica è E = ( γ − 1) mc 2 (dove γ è il fattore di Lorentz ; questa formula si riduce all'espressione newtoniana nel limite di bassa energia).

Per i processi ad alta energia, la meccanica quantistica deve essere adattata per tenere conto della relatività ristretta; questo ha portato allo sviluppo della teoria quantistica dei campi .

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Guarda anche

Riferimenti

Ulteriori letture

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