نظریه مکانیک کلاسیک

نظریه مکانیک کلاسیک

نظریه مکانیک کلاسیک ؛ مکانیک کلاسیک علمی است که در آن حرکت اشیاء ماکروسکوپیک با ‌سرعتی غیر نسبیتی (خیلی کمتر از سرعت نور) از پرتابه گرفته تا بخش‌هایی از ماشین‌آلات و اشیاء نجومی مانند فضاپیماها، سیاره‌ها، ستاره‌ها و کهکشان‌‌ را توصیف می‌کند.

اگر وضعیت کنونی یک شیء شناخته شود، می‌توان با قوانین مکانیک کلاسیک پیش‌بینی کرد که چگونه در آینده حرکت خواهد کرد؛ (جبرگرایی)، و چگونه در گذشته حرکت کرده‌است (برگشت‌پذیری).

نخستین پیشرفت مکانیک کلاسیک اغلب به عنوان مکانیک نیوتنی یاد می‌شود. این شامل مفاهیم فیزیکی به کار رفته و روش‌های ریاضیاتی است که توسط اسحاق نیوتن، گوتفرید ویلهلم لیبنیتز و دیگران در سده ۱۷ میلادی اختراع شده‌است تا حرکت اجسام فیزیکی را تحت تأثیر سیستمی از نیروها توصیف کند.

قوانین سه گانه حرکت نیوتن سالها به عنوان قوانین مادر علم مکانیک شناخته شده است. این قوانین عبارتند از؛

قانون نخست؛ هر جسم ساکن کماکان در حالت سکون و هر جسم متحرک همچنان در حال حرکت می‏ماند مگر این که نیرویی خارجی بر آن اثر کند.

قانون دوم؛ مجموع نیروهایی (F) که بر یک جسم وارد می‏آیند برابر است با حاصل ضرب جرم (m) آن جسم در شتاب آن، و یا F=ma.

قانون سوم؛ به ازای هر کنشی (عملی) یک واکنش (عکس العمل) برابر و در جهت مخالف آن وجود دارد.

شرح نظریه مکانیک کلاسیک

اولین قانون مفهوم لختی (اینرسی)، تمایل و گرایش جسم به مقاومت در برابر تغییر سرعت آن را بیان می‏کند. لختی بر جسم به جرم آن مربوط می‏شود. دومین قانون رابطه بین جرم و شتاب را توضیح می‏دهد. سومین قانون نشان می‏دهد که نیروها همیشه به صورت زوج وجود دارند. قوانین حرکت نیوتون در کتاب پرینکیپا نیز منتشر شده است. این قوانین چنان بنیادی‏اند که همه دانشجویان علوم باید آن‏ها را فرا بگیرند.

سالها بعد از مفاهیم فیزیکی به کار رفته و روش‌های ریاضیاتی که توسط اسحاق نیوتن، گوتفرید ویلهلم لیبنیتز و دیگران در سده ۱۷ میلادی به شهرت رسیدند، روش‌های انتزاعی‌تری ایجاد شد که منجر به تغییر ساختار مکانیک کلاسیک موسوم به مکانیک لاگرانژی و مکانیک همیلتونی گردید. این پیشرفت‌ها، که عمدتاً در سده‌های ۱۸ و ۱۹ صورت گرفته، به‌ویژه از طریق استفاده آن‌ها از مکانیک تحلیلی، فراتر از کارهای نیوتن است. آن‌ها با برخی اصلاحات در همه زمینه‌های فیزیک نوین نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

نظریه مکانیک کلاسیک و نتایج روشن آن

مکانیک کلاسیک نتایج بسیار دقیقی را در هنگام مطالعه اشیاء بزرگ که خیلی گسترده نیستند و سرعت آن‌ها به سرعت نور نزدیک نیست، فراهم می‌کند. زمانیکه اشیاء مورد بررسی اندازه یک قطر اتم را دارند، لازم است که رشته فرعی اصلی دیگر مکانیک: مکانیک کوانتومی نیز معرفی شود. برای توصیف سرعت‌هایی که در مقایسه با سرعت نور کوچک نیستند، نسبیت خاص ضروری است. در صورتی که اشیاء خیلی بزرگ شوند، نسبیت عام قابل اجرا می‌شود. با این حال، تعدادی از منابع نوین شامل مکانیک نسبیت به فیزیک کلاسیک، که از نظر آن‌ها مکانیک کلاسیک را در پیشرفته‌ترین و دقیق‌ترین شکل خود نشان می‌دهد، می‌باشند.

تجزیه و تحلیل حرکت پرتابه به عنوان بخشی از نظریه مکانیک کلاسیک

در زیر مفاهیم اساسی مکانیک کلاسیک معرفی شده‌است. برای سادگی، اغلب اشیاء دنیای واقعی را به عنوان ذرات نقطه‌ای (اشیاء با اندازه  ناچیز) مدل‌سازی می‌کنند. حرکت یک ذره  نقطه‌ای با تعداد کمی از پارامترها مشخص می‌شود: موقعیت، جرم و نیروهای اعمال شده بر روی آن، هر یک از این پارامترها به نوبه  خود بحث شده‌است.

در واقعیت، نوع اشیایی که مکانیک کلاسیک می‌تواند توصیف کند، همیشه اندازه  غیر صفر دارد. (فیزیک ذرات بسیار ریز مانند الکترون توسط مکانیک کوانتومی با دقت بیشتری توصیف می‌شود) اشیاء با اندازه  غیر صفر رفتار پیچیده‌تری نسبت به ذرات اشیای نقطه‌ای فرضی دارند؛ زیرا درجه‌های آزادی اضافی، به عنوان مثال، یک توپ بیس‌بال می‌تواند در حین حرکت بچرخد. با این حال، نتایج ذرات نقطه‌ای می‌تواند برای مطالعه  چنین اشیایی با استفاده از آن‌ها به‌عنوان اشیاء کامپوزیت، که از تعداد زیادی ذرات نقطه‌ای جمعی ساخته شده‌است، مورد استفاده قرار گیرد. مرکز جرم یک ماده  کامپوزیت مانند یک ذره  نقطه‌ای رفتار می‌کند.

مکانیک کلاسیک از مفاهیم عقل سلیم درباره  چگونگی وجود ماده و نیروها و تعامل استفاده می‌کند. فرض بر این است که ماده و انرژی دارای ویژگی‌های مشخص و معقولی مانند مکان در فضا و سرعت هستند. مکانیک غیر نسبیتی نیز فرض می‌کند که نیروها فوراً عمل می‌کنند