МЕХАНИКА

Механика – это раздел физики, в котором изучается простейшая форма движения материи – перемещение в пространстве и во времени.

Три основных положения

Три основных проблемы, три узла:

1) инерциальные и неинерциальные системы отсчета;

2) принцип относительности Галилея (классическая механика);

3) принцип относительности Эйнштейна (релятивистская механика).

Несколько слов о свойствах пространства

Современная наука имеет основания считать, что время существования Вселенной (самого крупного объекта физики) »10¹⁸ с » 10¹³ суток » 3×10¹⁰ лет,
т.е ~30 млрд. лет. Возраст Земли по радиоактивным изотопам ~3 млрд. лет.

То, что мы можем наблюдать, называется горизонтом событий и определяется из очевидного соотношения: »3×10¹⁰ [см/с]×10¹⁸ [с] ~ 10²⁸ см » 10⁴ Мпс
(Мпс – мегапарсек)

Структура наблюдаемой Вселенной

Галактики, содержащие ~10¹¹ звезд, образуют скопления галактик размерами ~10²⁶ см. Расстояния между галактиками еще в 1000 раз больше. Мы вместе с Землей находимся в Спиральной галактике: центральное ядро и система звезд. Млечный путь – часть нашей галактики. Однако на расстоянии порядка горизонта событий скопления галактик, галактики, звездные скопления и тем более звезды представляются пылинками. В этом масштабе распределение материи во Вселенной можно считать однородным и изотропным.

При соответствующем выборе масштаба можно полагать, что пространство, в котором происходит перемещение материи, является однородным и изотропным:

однородным – одинаковым во всех точках, нет точек с особыми свойствами;

изотропным – одинаковым во всех направлениях, нет направлений с особыми свойствами.

Такое представление пространства – это определенная идеализация, нужная нам для того, чтобы выделить главные свойства движения материи в пространстве. Идеализацию оправдывает только опыт.

Эксперимент свидетельствует о том, что в пределах изученной части Вселенной (меньше, много меньше горизонта событий ) течение времени происходит равномерно, без особенностей.

Рассмотрим теперь, каким образом описывается перемещение материи во времени и пространстве. В любом законе механики в явной или неявной форме содержатся пространственно-временные соотношения.

Событие

То, что происходит в данной точке пространства в данный момент времени (точнее в достаточно малом промежутке пространства и за достаточно малый интервал времени), называется событием. Любое физическое явление представляет собой последовательность событий. Следовательно, описание отдельного события служит основой для описания любого явления.

Чтобы зафиксировать событие, нужно определенным образом пометить каждую точку пространства и определенным образом отсчитывать моменты времени. Пространство однородно и изотропно: все точки пространства и все направления в нем равноправны. Речь идет о свободном пространстве, или вакууме. Несмотря на сложную физическую природу вакуума, нам достаточно полагать, что в рассматриваемой нами области пространства отсутствует вещество, обладающее массой покоя, а гравитационное и электрическое поля не чрезмерно сильны.

Разметка пространства осуществляется путем введения отсчетных тел и связанной с ними системы координат, в простейшем случае – декартовой: Ox, Oy, Oz.

Положение точки: , расстояние между точками 1 и 2:

.

РИС. 1-2

Система координат дополняется часами, по которым мы отсчитываем промежутки времени .

Координаты события: .

События происходят в различных точках пространства. Значит, в каждой точке должны находиться свои часы, синхронизованные со всеми остальными.

Замечание о синхронизации часов

Допустим, что часы находятся в одной точке пространства, а событие происходит в другой точке пространства. Расстояние между этимиточками .

РИС. 1-3

Поскольку скорость распространения сигнала (света от вспышки) конечна, то, вообще говоря, , ( - время распространения сигнала).

Оценим погрешность установки часов на Камчатке по сигналу точного времени из Москвы:

12000 км=2×10⁶ м = 12×10⁸ см; 3×10 см/с; 0.04 с.

В обычной жизни такая погрешность пренебрежимо мала. При проведении особенно точных экспериментов эту погрешность, конечно, следует учитывать.

Выводы

Если расстояния малы или если требуемая точность отсчета временипозволяет пренебрегать ошибкой порядка , то можно полагать, что скорость распространения сигнала , и можно пользоваться одними часами в данной системе координат.

Если расстояния велики и (или) высока требуемая точность отсчета времени, в каждой точке пространства должны находиться часы, а их взаимная синхронизация должна осуществляться с учетом конечной скорости распространения сигнала.

Совокупность пространственных координат и синхронизованных между собой часов образуют систему отсчета (СО). Систем отсчета, вообще говоря, множество, и они могут перемещаться друг относительно друга с мгновенной скоростью .

Опыт показывает, что пока « 1 линейные масштабы и промежутки времени не изменяются при переходе от одной системы отсчета к другой, т.е. не зависят от выбора системы отсчета.

Пространство и время – абсолютны. Механика - классическая.

Если ≤ 1, то линейные масштабы и интервалы времени зависят от выбора системы отсчета и в разных системах отсчета будут разными, т.е. пространство и время становятся относительными. Механика - релятивистская.