Ньютоны Харьцангуйн Онол: Хөдөлгөөн ба Таталцлын Эртний Ойлголт
Пендахулуан
Түүхийн хамгийн нөлөө бүхий эрдэмтдийн нэг Исаак Ньютон орчлон ертөнцийн талаарх бидний ойлголтыг хувьсгал хийсэн онолыг боловсруулсан. Түүний 1687 онд хэвлэгдсэн "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" хэмээх түүхэн бүтээл нь хөдөлгөөний хууль болон ертөнцийн таталцлын хуулийг танилцуулсан юм. Хэдийгээр өнөө үед илүү түгээмэл мэдэгдэж байгаа харьцангуйн онолын тухай ойлголтыг Альберт Эйнштейнд хамааруулдаг ч харьцангуйн тухай санааг анх Ньютон сонгодог механикийн хүрээнд албан ёсоор баталсан. Энэ нийтлэлд Ньютоны харьцангуйн зарчмууд, тэдгээрийн хөдөлгөөн ба таталцлын тухай ойлголтод үзүүлэх нөлөө, эдгээр санаанууд Эйнштейний харьцангуйн эрин үе хүртэл хэрхэн хөгжсөнийг авч үзэх болно.
Ньютоны хөдөлгөөний хууль
Ньютоны хөдөлгөөний хууль нь сонгодог механикийн үндэс суурь бөгөөд объектын хөдөлгөөн ба түүнд үйлчилж буй хүчний хоорондын хамаарлыг тодорхойлдог гурван хуулиас бүрдэнэ. Эдгээр гурван хууль нь:
1. Ньютоны анхны хууль (инерцийн хууль):
"Гадны хүч үйлчилж, тэр төлөвийг өөрчлөхгүй л бол аливаа объект шулуун шугамын дагуу тогтмол хурдтайгаар эсвэл тайван байдалд байх болно."
Энэ хууль нь инерцийн ач холбогдлыг онцолж байгаа бөгөөд энэ нь объект хөдөлгөөний төлөвөө хадгалах хандлага юм. Харьцангуйн онолын хүрээнд энэ нь хүч үйлчлэхгүй бол хоёр объектын хоорондох харьцангуй хөдөлгөөн өөрчлөгдөхгүй гэсэн үг юм.
2. Ньютоны хоёрдугаар хууль:
"Биетийн хурдатгал нь түүнд үйлчилж буй хүчтэй шууд пропорциональ, масстай нь урвуу пропорциональ байна. Математикийн хувьд үүнийг F = ma гэж илэрхийлнэ."
Энд хүч (F) нь масс (m) ба хурдатгалын (a) үржвэр юм. Энэ хууль нь хүчний нөлөөгөөр объектын хөдөлгөөнийг хэрхэн өөрчилж болохыг харуулж байна. Харьцангуйн онолын хүрээнд энэ нь объект дээр үйлчлэх хүч түүний харьцангуй хөдөлгөөнийг өөрчилнө гэсэн үг юм.
3. Ньютоны Гуравдугаар Хууль:
"Үйлдэл бүр тэнцүү бөгөөд эсрэг хариу үйлдэл үзүүлэх болно."
Энэ хууль нь хүч үргэлж хосоороо үүсдэг гэдгийг тайлбарладаг. Хэрэв А объект В объект дээр хүч үйлчилдэг бол В объект А объект дээр тэнцүү боловч эсрэг хүч үйлчилнэ. Энэ нь хаалттай систем дэх объектуудын хоорондын харилцан үйлчлэлийг ойлгоход чухал юм.
Ньютоны ертөнцийн таталцлын хууль
Ньютоны ертөнцийн таталцлын хуульд орчлон ертөнцийн бүх бөөмс нь хоёр бөөмийн массын үржвэртэй шууд пропорциональ, тэдгээрийн хоорондох зайны квадраттай урвуу пропорциональ хүчээр бусад бүх бөөмсийг татдаг гэж заасан байдаг. Математикийн хувьд энэ хуулийг дараах байдлаар илэрхийлнэ:
\[ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} \]
Хаана:
– \( F \) нь хоёр бөөмсийн хоорондох таталцлын хүч юм.
– \( G \) нь бүх нийтийн таталцлын тогтмол юм.
– \( m_1 \) ба \( m_2 \) нь хоёр бөөмийн масс юм.
– \( r \) нь хоёр бөөмийн массын төвүүдийн хоорондох зай юм.
Ньютоны таталцлын хууль нь гаригуудын тойрог зам болон дэлхийн гадаргуу дээрх объектуудын хөдөлгөөн зэрэг үзэгдлийг ойлгох үндэс суурийг тавьдаг. Энэ нь мөн Ньютоны харьцангуйн онолд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг, учир нь таталцлын хүч нь таталцлын орон дахь объектуудын харьцангуй хөдөлгөөнд нөлөөлдөг хүч юм.
Ньютоны Харьцангуйн онол
Ньютоны харьцангуйн онол, эсвэл илүү нарийвчлалтайгаар Ньютоны харьцангуйн зарчим нь нэг инерцийн лавлах системд үйлчилдэг физикийн хуулиуд бусад бүх инерцийн лавлах системд мөн адил үйлчилдэг гэсэн ойлголт юм. Энэ нь тусгай инерцийн лавлах систем байхгүй гэсэн үг юм; хөдөлгөөний бүх хуулиуд бие биетэйгээ харьцангуй тогтмол хурдтай хөдөлж буй аливаа системд адилхан үйлчилдэг.
Сонгодог Харьцангуйн Онолын Зарчим
Ньютоны харьцангуйн зарчмыг дараах байдлаар нэгтгэн дүгнэж болно.
– Галилийн хувиргалтууд: Инерцийн лавлах систем дэх хөдөлгөөний тэгшитгэлийг тэгшитгэлийн хэлбэрийг өөрчлөхгүйгээр нэг системээс нөгөө систем рүү тогтмол хурдтайгаар эхний системтэй харьцангуй хөдөлж хувиргаж болно.
Галилейн хувиргалтууд нь орон зай-цаг хугацааны координатууд хоёр инерцийн лавлах хүрээний хооронд хэрхэн өөрчлөгддөгийг тайлбарладаг. S ба S' гэсэн хоёр инерцийн лавлах хүрээ байгаа гэж үзье, энд S' нь S-тэй харьцуулахад тогтмол хурдтайгаар \( v \) хөдөлдөг. Хэрэв \( (x, y, z, t) \) нь S хүрээний координатууд ба \( (x', y', z', t') \) нь S хүрээний координатууд бол Галилейн хувиргалтыг дараах байдлаар илэрхийлж болно:
\[ x' = x – vt \]
\[ y' = y \]
\[ z' = z \]
\[ t' = t \]
Энэхүү хувиргалт нь цаг хугацаа нь бүх инерцийн лавлах системд үнэмлэхүй бөгөөд ижил болохыг харуулж байгаа бөгөөд энэ нь сонгодог механикийн үндсэн үзэл баримтлал юм.
Ньютоны харьцангуйн онолын үр дагавар
Ньютоны харьцангуйн онол нь сонгодог физикт хэд хэдэн чухал ач холбогдолтой:
1. Инерци ба харьцангуй хөдөлгөөн:
Ньютоны инерцийн зарчмын дагуу нэг инерцийн лавлах системд тогтмол хурдтай хөдөлж буй объект өөр инерцийн лавлах системд тогтмол хурдтай хөдөлсөөр байх болно. Энэ нь хоёр объектын хоорондох харьцангуй хөдөлгөөн нь тэдэнд хүч үйлчлэхгүй бол өөрчлөгдөхгүй гэсэн үг юм.
2. Импульсийн хадгалалт:
Инерцийн лавлагааны системд системд гадны хүч үйлчлэхгүй бол хаалттай системийн нийт импульс тогтмол хэвээр байна. Энэ зарчим нь импульсийн хадгалагдах хуулийн үндэс суурь бөгөөд объектуудын хоорондох мөргөлдөөн ба харилцан үйлчлэлийг ойлгоход чухал ач холбогдолтой юм.
3. Таталцал ба тойрог замын хөдөлгөөн:
Ньютоны таталцлын хууль нь бидэнд гаригууд болон бусад тэнгэрийн биетүүдийн хөдөлгөөнийг урьдчилан таамаглах боломжийг олгодог. Ньютоны харьцангуйн онолын хүрээнд бүх гаригууд таталцлын ижил хуульд захирагдаж, тус тусын инерцийн лавлагааны хүрээнд Ньютоны хөдөлгөөний хуулиудын дагуу ажилладаг.
Эйнштейний Харьцангуйн онол руу шилжих нь
Ньютоны харьцангуйн онол нь хөдөлгөөн ба таталцлыг ойлгох бат бөх үндэс суурийг тавьсан боловч хязгаарлалттай байсан. Гэрлийн тогтмол хурд болон өндөр хурдтай үед үзүүлэх харьцангуйн нөлөө зэрэг зарим үзэгдлийг сонгодог Ньютоны механикаар тайлбарлаж чадаагүй юм. Энэ нь 20-р зууны эхэн үед Альберт Эйнштейний тусгай ба ерөнхий харьцангуйн онолуудыг хөгжүүлэхэд хүргэсэн.
Харьцангуйн тусгай онол
Эйнштейний 1905 онд нэвтрүүлсэн харьцангуйн тусгай онол нь Ньютоны механикийн хэд хэдэн үндсэн таамаглалыг шинэчилсэн. Үүний гол постулатуудын нэг нь вакуум дахь гэрлийн хурд тогтмол бөгөөд ажиглагчийн хурдаас хамааралгүй гэсэн зарчим юм. Энэ нь Ньютоны үнэмлэхүй цагийн талаарх үзэл бодолтой зөрчилдөж, харьцангуй хурдаар цаг хугацааны тэлэлт ба уртын агшилтын тухай ойлголтуудыг бий болгосон.
Харьцангуйн ерөнхий онол
Эйнштейний 1915 онд хэвлүүлсэн ерөнхий харьцангуйн онол нь Ньютоны таталцлын хуулийг таталцал гэдэг нь масс ба энергиэс үүдэлтэй орон зай-цаг хугацааны муруйлт гэсэн ойлголтоор сольсон. Энэхүү онол нь Ньютоны таталцлын хуулиар тайлбарлаж чадахгүй Буд гарагийн тойрог зам болон хар нүх зэрэг хүчтэй таталцлын үзэгдлүүдийг илүү нарийвчлалтай тайлбарладаг.
Дүгнэлт
Ньютоны харьцангуйн онол нь хөдөлгөөний хууль болон ертөнцийн таталцлын хуультай хамт орчлон ертөнцийн талаарх бидний ойлголтыг өөрчилсөн сонгодог физикийн чухал үндэс суурь юм. Ньютоны харьцангуйн зарчмууд нь инерцийн лавлах хүрээнд хөдөлгөөн ба харилцан үйлчлэлийн талаарх тууштай үзэл бодлыг өгдөг. Хэдийгээр эцэст нь Эйнштейний харьцангуйн онолоор орлуулагдсан ч Ньютоны өв уламжлал нь гаригийн хөдөлгөөнөөс эхлээд өдөр тутмын динамик хүртэл байгалийн үзэгдлийг судлах, ойлгоход хүчирхэг үндэс суурь хэвээр байна.
