Ньютонның салыстырмалылығы: қозғалыс пен тартылыс күшін алғашқы түсіну
Пендахулуан
Тарихтағы ең ықпалды ғалымдардың бірі Исаак Ньютон біздің ғаламды түсінуімізде төңкеріс жасаған теорияларды жасады. Оның 1687 жылы жарық көрген «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» атты маңызды еңбегінде қозғалыс заңдары мен әмбебап тартылыс заңы енгізілді. Қазіргі кезде кеңінен белгілі салыстырмалылық ұғымы көбінесе Альберт Эйнштейнге жатқызылғанымен, салыстырмалылық идеясын алғаш рет классикалық механика контексінде Ньютон ресімдеген. Бұл мақалада Ньютонның салыстырмалылық принциптері, олардың қозғалыс пен тартылыс күшін түсінуге әсері және бұл идеялардың Эйнштейннің салыстырмалылық дәуіріне дейін қалай дамығаны қарастырылады.
Ньютонның қозғалыс заңдары
Ньютонның қозғалыс заңдары классикалық механиканың негізі болып табылады және объектінің қозғалысы мен оған әсер ететін күштер арасындағы байланысты анықтайтын үш заңнан тұрады. Бұл үш заң:
1. Ньютонның бірінші заңы (инерция заңы):
«Сыртқы күш әсер етпесе, кез келген дене тыныштықта болады немесе түзу сызық бойымен тұрақты жылдамдықпен қозғалады».
Бұл заң инерцияның, яғни объектінің қозғалыс күйін сақтауға бейімділігінің маңыздылығын атап көрсетеді. Салыстырмалылық тұрғысынан бұл екі объектінің арасындағы салыстырмалы қозғалыс күш қолданылмайынша өзгермейтінін білдіреді.
2. Ньютонның екінші заңы:
«Нысанның үдеуі оған әсер ететін күшке тура пропорционал және оның массасына кері пропорционал. Математикалық тұрғыдан бұл F = ma түрінде өрнектеледі».
Мұнда күш (F) массаның (m) және үдеудің (a) көбейтіндісі болып табылады. Бұл заң күш қолдану арқылы объектінің қозғалысын қалай өзгертуге болатынын көрсетеді. Салыстырмалылық тұрғысынан бұл объектіге әсер ететін күш оның салыстырмалы қозғалысын өзгертетінін білдіреді.
3. Ньютонның үшінші заңы:
«Әрбір әрекет тең және қарама-қарсы реакцияны тудырады».
Бұл заң күштердің әрқашан жұптасып пайда болатынын түсіндіреді. Егер А нысаны В нысанына күш түсірсе, онда В нысаны А нысанына тең, бірақ қарама-қарсы күш түсіреді. Бұл тұйық жүйедегі нысандар арасындағы өзара әрекеттесуді түсінуде маңызды.
Ньютонның бүкіләлемдік тартылыс заңы
Ньютонның бүкіләлемдік тартылыс заңы бойынша, ғаламдағы әрбір бөлшек екі бөлшектің массаларының көбейтіндісіне тура пропорционал және олардың арасындағы қашықтықтың квадратына кері пропорционал күшпен барлық басқа бөлшектерді тартады. Математикалық тұрғыдан бұл заң былайша тұжырымдалады:
\[ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} \]
Қайда:
– \( F \) – екі бөлшек арасындағы тартылыс күші.
– \( G \) – әмбебап гравитациялық тұрақты.
– \( m_1 \) және \( m_2 \) екі бөлшектің массалары.
– \( r \) – екі бөлшектің масса центрлері арасындағы қашықтық.
Ньютонның гравитация заңы планеталардың орбиталары және Жер бетіндегі заттардың қозғалысы сияқты құбылыстарды түсінуге негіз болады. Ол сондай-ақ Ньютонның салыстырмалылық тұжырымдамасында маңызды рөл атқарады, себебі гравитация - гравитациялық өрістегі заттардың салыстырмалы қозғалысына әсер ететін күш.
Ньютонның салыстырмалылық теориясы
Ньютонның салыстырмалылық теориясы, дәлірек айтқанда, Ньютонның салыстырмалылық принципі - бір инерциялық санақ жүйесінде қолданылатын физика заңдары барлық басқа инерциялық санақ жүйелерінде де қолданылады деген түсінік. Бұл арнайы инерциялық санақ жүйесі жоқ дегенді білдіреді; қозғалыстың барлық заңдары бір-біріне қатысты тұрақты жылдамдықпен қозғалатын кез келген жүйеде бірдей қолданылады.
Классикалық салыстырмалылық принципі
Ньютонның салыстырмалылық принципін келесідей қорытындылауға болады:
– Галилей түрлендірулері: Инерциялық санақ жүйесіндегі қозғалыс теңдеулерін теңдеулердің түрін өзгертпей, тұрақты жылдамдықпен біріншісіне қатысты қозғалатын бір жүйеден екінші жүйеге түрлендіруге болады.
Галилей түрлендірулері кеңістік-уақыт координаталарының екі инерциялық анықтамалық жүйелер арасында қалай өзгеретінін сипаттайды. S және S' екі инерциялық анықтамалық жүйелері бар делік, мұндағы S' S-ке қатысты тұрақты жылдамдықпен \(v\) қозғалады. Егер \(x, y, z, t) \) S жүйесіндегі координаталар және \((x', y', z', t') \) S жүйесіндегі координаталар болса, онда Галилей түрлендірулерін келесідей өрнектеуге болады:
\[ x' = x – vt \]
\[ y' = y \]
\[z' = z \]
\[ t' = t \]
Бұл түрлендіру уақыттың абсолютті және барлық инерциялық санақ жүйелерінде бірдей екенін көрсетеді, бұл классикалық механиканың негізгі көзқарасы.
Ньютонның салыстырмалылық теориясының салдары
Ньютонның салыстырмалылық теориясының классикалық физикада бірнеше маңызды салдары бар:
1. Инерция және салыстырмалы қозғалыс:
Ньютонның инерция принципіне сәйкес, бір инерциялық санақ жүйесінде тұрақты жылдамдықпен қозғалатын объект басқа инерциялық санақ жүйесінде тұрақты жылдамдықпен қозғалып қала береді. Бұл екі объект арасындағы салыстырмалы қозғалыс оларға күш әсер етпесе өзгермейтінін білдіреді.
2. Импульстің сақталу заңы:
Инерциялық санақ жүйесінде тұйық жүйенің жалпы импульсі жүйеге ешқандай сыртқы күштер әсер етпесе тұрақты болып қалады. Бұл принцип импульстің сақталу заңының негізі болып табылады, ол объектілер арасындағы соқтығысулар мен өзара әрекеттесулерді түсінуде маңызды.
3. Гравитация және орбиталық қозғалыс:
Ньютонның тартылыс заңы бізге планеталар мен басқа аспан денелерінің қозғалысын болжауға мүмкіндік береді. Ньютонның салыстырмалылық теориясы тұрғысынан барлық планеталар бірдей тартылыс заңына бағынады және өздерінің инерциялық санақ жүйелерінде Ньютонның қозғалыс заңдарына сәйкес әрекет етеді.
Эйнштейннің салыстырмалылық теориясына көшу
Ньютонның салыстырмалылық теориясы қозғалыс пен тартылыс күшін түсіну үшін берік негіз болғанымен, оның шектеулері болды. Жарықтың тұрақты жылдамдығы және жоғары жылдамдықтағы релятивистік әсерлер сияқты кейбір құбылыстарды классикалық Ньютон механикасы түсіндіре алмады. Бұл 20 ғасырдың басында Альберт Эйнштейннің арнайы және жалпы салыстырмалылық теорияларының дамуына әкелді.
Арнайы салыстырмалылық теориясы
Эйнштейннің 1905 жылы енгізілген арнайы салыстырмалылық теориясы Ньютон механикасының бірнеше негізгі болжамдарын қайта қарады. Оның негізгі постулаттарының бірі - вакуумдағы жарық жылдамдығы тұрақты және бақылаушының жылдамдығына тәуелсіз. Бұл Ньютонның абсолютті уақыт туралы көзқарасына қайшы келді және релятивистік жылдамдықтарда уақыттың кеңеюі және ұзындықтың қысқаруы туралы түсініктерге әкелді.
Жалпы салыстырмалылық теориясы
Эйнштейн 1915 жылы жариялаған жалпы салыстырмалылық теориясы Ньютонның тартылыс заңын тартылыс күші масса мен энергиядан туындаған кеңістік-уақыт қисығы деген тұжырымдамамен алмастырды. Бұл теория Ньютонның тартылыс заңы түсіндіре алмайтын Меркурий планетасының орбитасы және қара құрдымдар сияқты күшті тартылыс құбылыстарын дәлірек түсіндіреді.
Қорытынды
Ньютонның салыстырмалылық теориясы, қозғалыс заңдарымен және әмбебап тартылыс күшімен, ғалам туралы түсінігімізді өзгерткен классикалық физиканың маңызды негізі болып табылады. Ньютонның салыстырмалылық принциптері инерциялық санақ жүйелеріндегі қозғалыс пен өзара әрекеттесулердің бірізді көрінісін қамтамасыз етеді. Ақырында Эйнштейннің салыстырмалылық теориясымен алмастырылғанымен, Ньютонның мұрасы планеталық қозғалыстан күнделікті динамикаға дейін табиғи құбылыстарды зерттеу және түсіну үшін күшті негіз болып қала береді.
