Նյուտոնի հարաբերականության տեսությունը. շարժման և ձգողականության վաղ ըմբռնումը
Պենդահուլուան
Իսահակ Նյուտոնը՝ պատմության ամենաազդեցիկ գիտնականներից մեկը, մշակեց տեսություններ, որոնք հեղափոխեցին տիեզերքի մեր ընկալումը: Նրա «Բնական փիլիսոփայության մաթեմատիկական սկզբունքներ» նշանակալից աշխատանքը, որը հրատարակվել է 1687 թվականին, ներկայացրեց շարժման օրենքները և համընդհանուր ձգողականության օրենքը: Չնայած հարաբերականության հասկացությունը, ինչպես այն այսօր ավելի լայնորեն հայտնի է, հաճախ վերագրվում է Ալբերտ Այնշտայնին, հարաբերականության գաղափարն իրականում առաջին անգամ դասական մեխանիկայի համատեքստում ձևակերպվել է Նյուտոնի կողմից: Այս հոդվածը կուսումնասիրի Նյուտոնի հարաբերականության սկզբունքները, դրանց ազդեցությունը շարժման և ձգողականության ընկալման վրա, և թե ինչպես են այս գաղափարները զարգացել մինչև Այնշտայնի հարաբերականության տեսության դարաշրջանը:
Նյուտոնի շարժման օրենքները
Նյուտոնի շարժման օրենքները դասական մեխանիկայի հիմքն են և բաղկացած են երեք օրենքներից, որոնք սահմանում են մարմնի շարժման և դրա վրա ազդող ուժերի միջև եղած կապը։ Այս երեք օրենքներն են՝
1. Նյուտոնի առաջին օրենքը (իներցիայի օրենք):
«Յուրաքանչյուր մարմին կմնա հանգստի վիճակում կամ կշարժվի հաստատուն արագությամբ ուղիղ գծով, եթե արտաքին ուժ չգործի՝ այդ վիճակը փոխելու համար»։
Այս օրենքը ընդգծում է իներցիայի՝ մարմնի շարժման վիճակը պահպանելու հակման կարևորությունը։ Հարաբերականության տեսության համատեքստում սա նշանակում է, որ երկու մարմինների միջև հարաբերական շարժումը չի փոխվի, եթե ուժ չկիրառվի։
2. Նյուտոնի երկրորդ օրենքը։
«Մարմնի արագացումը ուղիղ համեմատական է դրա վրա ազդող ուժին և հակադարձ համեմատական է նրա զանգվածին։ Մաթեմատիկորեն սա արտահայտվում է որպես F = ma»։
Այստեղ ուժը (F) զանգվածի (m) և արագացման (a) արտադրյալն է։ Այս օրենքը ցույց է տալիս, թե ինչպես կարող է մարմնի շարժումը փոխվել ուժի կիրառմամբ։ Հարաբերականության տեսության համատեքստում սա նշանակում է, որ մարմնի վրա ազդող ուժը կփոխի նրա հարաբերական շարժումը։
3. Նյուտոնի երրորդ օրենքը։
«Յուրաքանչյուր գործողություն կհանգեցնի հավասար և հակառակ արձագանքի»։
Այս օրենքը բացատրում է, որ ուժերը միշտ առաջանում են զույգերով։ Եթե A մարմինը ուժ է գործադրում B մարմնի վրա, ապա B մարմինը հավասար, բայց հակադիր ուժ կգործադրի A մարմնի վրա։ Սա կարևոր է փակ համակարգում մարմինների միջև փոխազդեցությունները հասկանալու համար։
Նյուտոնի համընդհանուր ձգողականության օրենքը
Նյուտոնի համընդհանուր ձգողականության օրենքը նշում է, որ տիեզերքի յուրաքանչյուր մասնիկ ձգում է մյուս բոլոր մասնիկներին այնպիսի ուժով, որն ուղիղ համեմատական է երկու մասնիկների զանգվածների արտադրյալին և հակադարձ համեմատական է դրանց միջև հեռավորության քառակուսուն։ Մաթեմատիկորեն այս օրենքը ձևակերպվում է հետևյալ կերպ.
\[ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} \]
Որտեղ՝
– \( F \)-ն երկու մասնիկների միջև գործող ձգողականության ուժն է։
– \( G \)-ն ունիվերսալ գրավիտացիոն հաստատունն է։
– \(m_1 \)-ը և \(m_2 \)-ը երկու մասնիկների զանգվածներն են։
– \(r\)-ը երկու մասնիկների զանգվածի կենտրոնների միջև հեռավորությունն է։
Նյուտոնի ձգողականության օրենքը հիմք է հանդիսանում այնպիսի երևույթների հասկանալու համար, ինչպիսիք են մոլորակների ուղեծրերը և Երկրի մակերևույթի վրա մարմինների շարժումը: Այն նաև կարևոր դեր է խաղում Նյուտոնի հարաբերականության հայեցակարգում, քանի որ ձգողականությունը այն ուժն է, որը ազդում է գրավիտացիոն դաշտում մարմինների հարաբերական շարժման վրա:
Նյուտոնի հարաբերականության տեսությունը
Նյուտոնյան հարաբերականության տեսությունը, կամ ավելի ճշգրիտ՝ Նյուտոնի հարաբերականության սկզբունքը, այն հասկացությունն է, որ ֆիզիկայի օրենքները, որոնք կիրառվում են մեկ իներցիոն հղման համակարգում, կիրառվում են նաև մյուս բոլոր իներցիոն հղման համակարգերում։ Սա նշանակում է, որ չկա որևէ հատուկ իներցիոն հղման համակարգ. շարժման բոլոր օրենքները հավասարապես կիրառվում են միմյանց նկատմամբ հաստատուն արագությամբ շարժվող ցանկացած համակարգում։
Դասական հարաբերականության սկզբունքը
Նյուտոնի հարաբերականության սկզբունքը կարելի է ամփոփել հետևյալ կերպ.
– Գալիլեյի ձևափոխություններ. իներցիալ հղման համակարգում շարժման հավասարումները կարող են մեկ համակարգից մյուսը փոխակերպվել՝ առաջինի նկատմամբ շարժվելով հաստատուն արագությամբ՝ առանց հավասարումների ձևը փոխելու։
Գալիլեյան ձևափոխությունները նկարագրում են, թե ինչպես են տարածաժամանակի կոորդինատները փոխվում երկու իներցիալ հղման համակարգերի միջև։ Ենթադրենք, որ կան երկու իներցիալ հղման համակարգեր՝ S և S', որտեղ S'-ը շարժվում է հաստատուն արագությամբ՝ v-ով S-ի նկատմամբ։ Եթե (x, y, z, t)-ն S համակարգի կոորդինատներն են, իսկ (x', y', z', t')-ն՝ S' համակարգի կոորդինատները, ապա Գալիլեյան ձևափոխությունները կարող են արտահայտվել հետևյալ կերպ՝
\[ x' = x – vt \]
\[ y' = y \]
\[ z' = z \]
\[ t' = t \]
Այս ձևափոխությունը ցույց է տալիս, որ ժամանակը բացարձակ է և նույնը բոլոր իներցիոն հաշվարկման համակարգերում, ինչը դասական մեխանիկայի հիմնարար տեսակետ է։
Նյուտոնի հարաբերականության տեսության հետևանքները
Նյուտոնի հարաբերականության տեսությունը դասական ֆիզիկայում մի քանի կարևոր նշանակություն ունի.
1. Իներցիա և հարաբերական շարժում.
Նյուտոնի իներցիայի սկզբունքի համաձայն՝ մեկ իներցիոն հաշվարկման համակարգում հաստատուն արագությամբ շարժվող մարմինը կմնա շարժվող հաստատուն արագությամբ մեկ այլ իներցիոն հաշվարկման համակարգում։ Սա նշանակում է, որ երկու մարմինների միջև հարաբերական շարժումը չի փոխվում, եթե դրանց վրա ուժ չի գործում։
2. Իմպուլսի պահպանումը.
Իներցիալ հաշվարկման համակարգում փակ համակարգի լրիվ իմպուլսը մնում է հաստատուն, եթե համակարգի վրա արտաքին ուժեր չեն ազդում։ Այս սկզբունքը իմպուլսի պահպանման օրենքի հիմքն է, որը կարևոր է մարմինների միջև բախումներն ու փոխազդեցությունները հասկանալու համար։
3. Ձգողականություն և ուղեծրային շարժում.
Նյուտոնի ձգողականության օրենքը թույլ է տալիս կանխատեսել մոլորակների և այլ երկնային մարմինների շարժումը: Նյուտոնյան հարաբերականության տեսության համատեքստում բոլոր մոլորակները ենթարկվում են ձգողականության նույն օրենքին և իրենց համապատասխան իներցիոն հաշվարկման համակարգերում պահում են Նյուտոնի շարժման օրենքներին համապատասխան:
Անցում դեպի Այնշտայնի հարաբերականության տեսություն
Չնայած Նյուտոնյան հարաբերականության տեսությունը ամուր հիմք էր ապահովում շարժման և ձգողության հասկացման համար, այն ուներ սահմանափակումներ: Որոշ երևույթներ, ինչպիսիք են լույսի հաստատուն արագությունը և բարձր արագությունների դեպքում հարաբերականության էֆեկտները, չէին կարող բացատրվել դասական Նյուտոնյան մեխանիկայով: Սա հանգեցրեց Ալբերտ Այնշտայնի հատուկ և ընդհանուր հարաբերականության տեսությունների մշակմանը 20-րդ դարի սկզբին:
Հատուկ հարաբերականություն
Այնշտայնի հարաբերականության հատուկ տեսությունը, որը ներկայացվել է 1905 թվականին, վերանայեց Նյուտոնյան մեխանիկայի մի քանի հիմնարար ենթադրություններ: Դրա կենտրոնական դրույթներից մեկն այն է, որ վակուումում լույսի արագությունը հաստատուն է և անկախ դիտորդի արագությունից: Սա հակասում էր Նյուտոնի բացարձակ ժամանակի մասին տեսակետին և հանգեցրեց ժամանակի ընդարձակման և երկարության կծկման հասկացությունների առաջացմանը հարաբերական արագությունների դեպքում:
Ընդհանուր հարաբերականություն
Ընդհանուր հարաբերականության տեսությունը, որը հրապարակվել է Այնշտայնի կողմից 1915 թվականին, Նյուտոնի ձգողականության օրենքը փոխարինեց այն գաղափարով, որ ձգողականությունը տարածաժամանակի կորությունն է, որն առաջանում է զանգվածի և էներգիայի ազդեցությամբ։ Այս տեսությունն ավելի ճշգրիտ է բացատրում ուժեղ ձգողականության երևույթները, ինչպիսիք են Մերկուրի մոլորակի ուղեծիրը և սև խոռոչները, որոնք Նյուտոնի ձգողականության օրենքը չի կարող բացատրել։
Եզրակացություն
Նյուտոնի հարաբերականության տեսությունը՝ իր շարժման և համընդհանուր ձգողականության օրենքներով, դասական ֆիզիկայի կարևորագույն հիմքերից է, որը վերափոխել է տիեզերքի մասին մեր պատկերացումները: Նյուտոնի հարաբերականության սկզբունքները հետևողական պատկերացում են տալիս շարժման և փոխազդեցությունների մասին իներցիոն հղման համակարգերում: Չնայած այն հանգամանքին, որ այն ի վերջո փոխարինվել է Այնշտայնի հարաբերականության տեսությամբ, Նյուտոնի ժառանգությունը մնում է հզոր հիմք բնական երևույթների ուսումնասիրման և հասկանալու համար՝ սկսած մոլորակների շարժումից մինչև առօրյա դինամիկա:
