Механика - краткая история науки

Механика переводится с греческого языка как мастерство, касающееся машин. В современном понимании – это научное знание о механическом движении тел, их взаимном расположении в пространстве, изменяемом с течением времени. Общие законы механического движения тел и их взаимодействия великие учёные планеты обосновывали в физике со времён Ньютона на основе опытов и обобщений.

Что предшествовало открытию законов механики?

Корни научных знаний и предположений о механике уходят в древность. Основные положения в области статики (воздействие приложенных сил на равновесие механических тел) появились ещё в начале IV века до нашей эры. Древнегреческий учёный Архимед создал основы теории о рычаге. Известно его изречение: «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир». Сущность высказывания состоит в длине рычага, чем он длиннее, тем на больший груз может воздействовать.

Греки использовали знания основ механики в строительстве античных домов, во время войны с римлянами на основе рычага были сконструированы краны, легко опрокидывающие корабли противника. Придуманный Архимедом винт был способен выкачивать воду.

Леонардо да Винчи с помощью проведения опытов падения предметов, вращения, бросания тел под углом или движения по наклонной плоскости делал научные выводы о действии трения на них, создавал теорию механических машин. Решал вопросы сложения сил, сопротивления материалов, определял центр тяжести тел. Его удивительные чертежи металлургических печей, ткацких, печатных, перерабатывающих станков, танка, подводной лодки, велосипеда на несколько веков обогнали время.

Начало классической механики

В XVII веке развитие мореплавания, торговли, военной практики потребовали новых открытий в механике: прочности кораблей, силе удара, скорости снаряда, колебания маятника и пр. Период ознаменовался победой теории Коперника о движении планет.

Основы классической механики были заложены знаменитым итальянцем Галилео Галилеем. Он сформировал путём экспериментов закон падения тел в свободном пространстве, сложения движений, создал понятие ускорение. Сделал научно обоснованный вывод об одинаковом времени падения лёгких и тяжёлых тел с одной высоты, забираясь на Пизанскую башню.

Выведенный им первый закон динамики − закон инерции, положил начало научного обоснования механики. Ему принадлежит исследование прочности балок, сопротивление движению телам, находящимся в жидкости.

Продолжил учение Галилея Х. Гюйгенс, учёный из Голландии, развил понятие ускорения при криволинейном движении точки. Изучал движение тел по круговым траекториям, колебание маятника, упругого удара.

Большой прорыв в истории науки был совершён Исааком Ньютоном. Открытие закона всемирного тяготения, по некой версии, произошло благодаря падению яблока на его голову. Последующие поколения исследователей ему обязаны определением основных законов динамики:

1–й закон − об инерциальных системах отсчёта, относительно которых тело движется прямолинейно и равномерно, не взаимодействуя с другими телами;
2-й закон – ускорение материальной точки в ИСО пропорционально силе, к ней приложенной, одинаково с этой точкой направленной, что позволяет делать открытия, главным образом, в небесной механике;
3-й закон – соответствия действия противодействию (система точек);
закон трения тел в жидкости и газах.

Вторая половина XVII века ознаменовалась экспериментальным установлением Р. Гуком зависимости в упругом теле между напряжением и деформацией. Научные открытия семнадцатого века позволили решать множество задач механики последующим поколениям исследователей техники и естествознания.

История науки в XVIII-XIX в. в.

Ж. Лагранж приступает к изучению важнейших механизмов, движения небесных тел, что в совокупности привело учёного к созданию общих решений задач для одной материальной точки, их группе, целого твёрдого тела, далее − отдельной планеты. Создаёт основу теории вибрации, объединяя задачи динамики в труде «О малых колебаниях любой системы тел».

Большая заслуга в развитии механики в дальнейшем принадлежит Леонарду Эйлеру:

развитие динамики твёрдой точки;
основа механики твёрдого тела, гидромеханики;
принцип теории корабля, расчёта турбин, устойчивости упругих стержней;
решение части вопросов кинематики (математического описания теории механики).

Основоположником кинетической теории стал М.В. Ломоносов, основал законы взаимодействия и ускорения тел, сохранения энергии и движения. Его теоретическое утверждение заключается в том, что тело, толкающее другое к движению, теряет столько в движении, сколько передаёт движимому им телу.

Принципы динамики в дальнейшем развивали К. Якоби, М.В. Остроградский и др. учёные.

Важнейшие проблемы динамики в XIX веке: создание теории тяжёлого твёрдого тела, устойчивости, равновесия и движения, колебание материальной системы. Вопросом решения отдельных задач научных концепций устойчивости занимался А.М. Ляпунов. Теория малых колебаний связана с сопротивлением, приводящим к их затуханию и ослаблению внешних сил, вызывающих возмущение.

Исследования Жуковского Н.Е., основоположника российской аэродинамики, научной системы авиации послужили основой устойчивости аэропланов в воздухе.

Развитие машинной техники требовало решение задач их регулирования. В результате исследований появилось концепция вынужденных колебаний и научное обоснование резонанса. Основоположником учения процесса автоматического регулирования стал И. А. Вышнеградский, основал школу конструирования машин. В конце 19 века получила осмысление теория переменной массы перемещения тел И.В. Мещерского.

Механика ХХ века

Подлинным взрывом развития механики отличался 20 век российской науки. Решение технологических проблем электротехники, автоматизации промышленности, радиотехники, технической акустики породило новую теорию нелинейных колебаний.

А.Н. Крылов создаёт теоретическое построение корабля, артиллерии, магнитных и гироскопических компасов. Первым разрабатывает концепцию реактивного движения К.Э. Циолковский. Основоположник аэродинамики С.А. Чаплыгин создаёт труды по гидродинамике, воздушной и газовой динамике.

Советские учёные достигли больших успехов в изучении упругости, пластичности, идеальной жидкости, фильтрации движения, строительной механики. Основополагающие исследования сделал радиофизик Н.Д. Папалекси совместно с Л.И Мандельштамом по теории нелинейных колебаний. Работал в области радиотехники, радиофизики.

Теоретические труды советских учёных в направленности гидроаэродинамики позволили решить проблемы больших скоростей в создании двигателей, авиации, турбостроении.