Մեխանիկա

Մեխանիկա՝ Սարքաբանություն, սարքագիտություն, սարքաշինություն (հուն․՝ μηχανική մեքենաներ կառուցելու արվեստ), ֆիզիկայի բաժին, որն ուսումնասիրում է նյութական մարմինների շարժումը և փոխազդեցությունը, ընդ որում մեխանիկայում շարժում է կոչվում մարմինների փոխադարձ դիրքերի կամ նրանց մասերի փոփոխությունը ժամանակի ընթացքում տարածության մեջ^[1]։ Մեխանիկայի կողմից ուսումնասիրվող օբյեկտները կոչվում են մեխանիկական համակարգեր։ Մեխանիկան որպես գիտություն սկզբնավորվել է Հին Հունաստանում՝ Արիստոտելի ու Արքիմեդի աշխատություններով^[2]^[3]^[4]։ Վաղ մոդեռն դարաշրջանում՝ ուշ միջնադարին հաջորդող ժամանակաշրջանում, Խայամը, Գալիլեյը, Կեպլերը և Նյուտոնը դրեցին դասական մեխանիկայի հիմքերը։ Այն դասական ֆիզիկայի ճյուղ է, որը ուսումնասիրում է լույսի արագությունից էապես փոքր արագություններով շարժվող կամ դադարի վիճակում գտնվող մասնիկները։

Դասական և քվանտային մեխանիկաներ

Պատմականորեն առաջինը մշակվել է դասական մեխանիկան, մինչդեռ քվանտային մեխանիկան համեմատաբար վերջերս է հայտնագործվել։ Դասական մեխանիկան սկիզբ է առել Նյուտոնի շարժման օրենքներից, որոնք ձևակերպվել են նրա «Բնափիլիսոփայության մաթեմատիկական հիմունքները» աշխատությունում։ Քվանտային մեխանիկան հայտնաբերվել է 20-րդ դարի սկզբին։ Երկուսն էլ ներկայացնում են ֆիզիկայի բնույթի մասին գոյություն ունեցող ամենահավաստի գիտելիքը։ Հատկապես դասական մեխանիկան հաճախ դիտարկվում է որպես այսպես կոչված ճշգրիտ գիտությունների մոդել։ Այս տեսակետից էականը մաթեմատիկայի մշտական կիրառությունն է տեսություններում, ինչպես նաև փորձի վճռական դերը՝ տեսությունները կազմավորելու և ստուգելու համար։

Քվանտային մեխանիկան ավելի լայն ընդգրկում ունի, քանի որ այն ներառում է դասական մեխանիկան որպես ենթագիտակարգ, որը կիրառվում է որաշակի սահմանափակող պայմանների դեպքում։ Համաձայն համապատասխանության սկզբունքի՝ այս երկուսի միջև հակասություն չկա․ պարզապես նրանցից յուրաքանչյուրը վերաբերվում է հատուկ իրավիճակի։ Ըստ համապատասխանության սկզբունքի՝ քվանտային տեսություններով նկարագրվող համակարգի վարքը մեծ քվանտային թվերի սահմաններում տրվում է դասական մեխանիկայով։ Քվանտային մեխանիկան դուրս է մղել դասական մեխանիկան հիմնական մակարդակից և պարտադիր է մոլեկուլային, ատոմական և ներատոմական մակարդակներում ընթացքող պրոցեսների բացատրության համար։ Սակայն մակրոսկոպիկ պրոցեսների դեպքում դասական մեխանիկան ի վիճակի է լուծել այնպիսի խնդիրներ, որոնք անպատկերացնելի դժվար են քվանտային մեխանիկայով և այսպիոսվ մնում է օգտակործելու ու լավ կիրառվող։

Այսպիսի վարքի արդի նկարագրությունները սկսվում են այնպիսի մեծությունների ստույգ սահմանումներով, ինչպիսիք են տեղափոխությունը, ժամանակը, արագությունը, արագացումը, զանգվածը, ուժը։ 400 տարի առաջ, սակայն, շարժումը բացատրվում էր շատ տարբեր տեսանկյունից։ Օրինակ՝ հետևելով հույն փիլիսոփա և գիտնական արիստոտելի գաղափարներին՝ գիտնականները եզրակացնում էին, որ գունքը ներքև է ընկնում, քանի որ դրա բնական դիրքը Երկրի վրա է․ արևը, լուսինը և աստղերը շրջանագծերով պտտվում են երկրի շուրջը, քանի որ երկնային մարմինների բնույթն է շարժվել կատարյալ շրջաններով։

Գալիլեյը, որը հաճախ համարվում է արդի գիտության հայրը, միավորեց իր ժամանակի մյուս մեծ մտածողների գաղափարները և սկսեց շարժումը վերլուծել որոշակի սկզբնական դիրքից անցած հեռավորության և դրա համար ծախսված ժամանակի տերմիններով։ Նա ցույց տվեց, որ ընկնող մարմինների արագությունը կայուն աճում է ընկնելու ժամանակահատվածում։ Այս արագացումը նույնն է թե՛ ծանր, թե՛ թեթև մարմինների համար, պայմանով որ հաշվի չի առնվում շփումը օդի հետ (օդի դիմադրությունը)։ Մաթեմատիկոս և ֆիզիկոս Իսահակ Նյուտոնը բարելավեց այս վերլուծությունը՝ սահմանելով ուժը, զանգվածը և դրանց առնչվող արագացումը։ Լույսի արագությանը մոտ արագությամբ շարժվող մարմինների համար Նյուտոնի օրենքները փոխարինվեցին Ալբերտ Այնշտայնի հարաբերականության տեսությամբ։ Ատոմային և ներատոմային համար Նյուտոնի օրենքները փոխարինվեցին քվանտային տեսությամբ։ Առօրյա իրավիճակներում, սակայն, Նյուտոնի շարժման երեք օրենքները մնում են շարժման պատճառները ուսումնասիրով դինամիկայի անկյունաքարը։

Ռելյատիվիստական և նյուտոնյան մեխանիկաներ

Քվանտային և դասական մեխանիկաների համանմանությամբ Այնշտայնի հարաբերականության ընդհանուր և հատուկ տեսությունները ընդլայնում են Նյուտոնի և Գալիլեյի մեխանիկաները։ Ռելյատիվիստական և նյուտոնյան մեխանիկաների միջև տարբերություները էական և նույնիսկ գերիշխող են դառնում, երբ զանգված ունեցող մարմնի արագությունը մոտենում է լույսի արագությանը։ Օրինակ, Նյուտոնյան մեխանիկայում Նյուտոնի շարժման օրենքներով սահմանվում է, որ $F=ma$ , մինչդեռ ռելյատիվիստական մեխանիկայում և Լորենցի ձևափոխություններով, որոնք առաջին անգամ հայտնաբերել է Հենդրիկ Լորենցը, $F=\gamma ma$ (որտեղ $\gamma$ -ն Լորենցի ֆակտորն է, որը փոքր արագությունների դեպքում հավասար է գրեթե 1-ի)։

Ընդհանուր ռելյատիվիստական և քվանտային մեխանիկաներ

Քվանտային մեխանիկայի համար նույնպես ռելյատիվիստական ուղղումների կարիք կա, չնայած նրանում ռելյատիվիստական տեսությունը ներառված չէ։ Այս երկու տեսությունները մնում են անհամատեղելի․ մի դժվարություն, որն անհրաժեշտ է հաղթահարել՝ ամեն ինչի տեսությունը ստեղծելու համար։

Պատմություն

Անտիկ շրջան

Մեխանիկայի հիմնական տեսությունն անտիկ շրջանում Արիստոտելյան մեխանիկան էր^[5]։ Այս ավանդույթի ավելի ուշ շարունակողը Հիպարքոսն էր^[6]։

Միջին դարեր

Միջին դարերում Արիստոտելի տեսությունը քննադատվեց ու ձևափոխվեց մի շարք անձանց կողմից՝ սկսած Հովհաննես Ֆիլոպոնեսից 6-րդ դարում։ Գլխավոր խնդիրը նետված մարմինների շարժումն էր, որը քննարկում էին Հիպարքոսն ու Ֆիլոպոնեսը։ Սա հանգեցրեց իմպետուսի տեսության ստեղծմանը 14-րդ դարի ֆրանսիացի վանական Ժան Բուրիդանի կողմից, այնուհետև այն մշակվեց՝ վերածվելով իներցիայի, արագության, արագացման և իմպուլսի տեսություների։ Այս և մյուս աշխատանքներ 14-րդ դարում ԱՆգլիայում մշակվեցին օքսֆորդցի կալկուլյատորների կողմից, որոնցից էր Թոմաս Բրադվարդինը, ով ուսումնասիրեց և ձևակերպեց ընկնող մարմիններին վերաբերող տարբեր օրենքներ։

Մարմնի վրա ազդող հաստատուն ուժի կապակցությամբ 12-րդ դարի հրեա-արաբ գիտնական Հիբատ Ալլահ Աբուլ Բարաքաթ ալ Բաղդադին պնդում էր, որ հաստատուն ուժը առաջ է բերում հաստատուն արագացում, իսկ համասեռ արագացող շարժման հիմնական հատկությունները մշակել են օքսֆորդցի կալկուլյատորները։

Վաղ մոդեռն դարաշրջան

Վաղ մոդեռն դարաշրջանի երկու կենտրոնական կերպարները Գալիլեո Գալիլեյն ու Իսահակ Նյուտոնն են։ Գալիլեյն իր մեխանիկայի վերջնական դրույթները ձևակերպել է իր «Երկու նոր գիտություններ» աշխատությունում (1638)։ Նյուտոնի 1687 թվականի «Բնափիլիսոփայության մաթեմատիկական հիմունքները աշխատությունում» տրվում է մեխանիկայի մանրամասն մաթեմատիկական նկարագրությունը՝ կիրառելով նոր մշակած մաթեմատիկական տեսությունը և դնելով Նյուտոնյան մեխանիկայի հիմքը^[6]։

Մոդեռն դարաշրջան

Արդի դարաշրջանում մշակված երկու հիմնական մեխանիկաները Այնշտայնի հարաբերականության ընդհանուր տեսությունն են և քվանտային մեխանիկան, որոնք երկուսն էլ մշակվել են 20-րդ դարում 19-րդ դարի գաղափարների հիման վրա։ Արդի ամբողջական մեխանիկայի ստեղծումը, մասնավորապես առաձգականության, պլաստիկության, հեղուկների դինամիկայի, էլեկտրադինամիկայի և թերմոդինամիկայի բնագավառներում սկսվել է 20-րդ դարի երկրորդ կեսին։

Մեխանիկայի ճյուղերը

Դասական մեխանիկա

Դասական մեխանիկան ընդգրկում է հետևյալ գիտակարգերը

Նյուտոնյան մեխանիկա՝ շարժման և ուժերի (դինամիկա (կինեմատիկա) տեսությունները
Անալիտիկ մեխանիկա, որը նյուտոնյան մեխանիկայի վերաձևակերպումն է համակարգի էներգիայի (ոչ թե ուժերի) տերմիններով։ Անալիտիկ մեխանիկան երկու հիմնական ճյուղերի է բաժանվում․
- Համիլտոնյան մեխանիկա՝ էներգիայի պահպանման սկզբունքի վրա հիմնված տեսական ֆորմալիզմ,
- Լագրանժյան մեխանիկա՝ փոքրագույն գործողության սկզբունքի վրա հիմնված տեսական ֆորմալիզմ
Դասական վիճակագրական մեխանիկա, որն ընդհանրացնում է սովորական դասական մեխանիկան՝ քննելով անհայտ վիճակում գտնվող համակարգերը․ սովորաբար կիրառվում է՝ արտածելու համար թերմոդինամիկական հատկությունները
Երկնային մեխանիկա՝ մոլորակների, գիսաստղերի, աստղերի, գալակտիկաների և այլ մարմինների շարժումը տիեզերքում
Աստղադինամիկա՝ տիեզերանավերի նավիգացիա և այլն
Պինդ մարմնի մեխանիկա, առաձգականություն, դեֆորմացվող մարմինների հատկություններ
Պինդ մարմինների քայքայման մեխանիկա
Ակուստիկա՝ ձայնը հեղուկներում, գազերում և պինդ մարմիններում
Ստատիկա՝ մեխանիկական հավասարակշռություն
Հեղուկների մեխանիկա՝ հեղուկների շարժումներ
Գրունտների մեխանիկա
Հոծ միջավայրի մեխանիկա
Հիդրավլիկա՝ հեղուկների մեխանիկական հատկությունները
Հեղուկների ստատիկա՝ հավասարակշռության վիճակում գտնվող հեղուկներ
Կիրառական մեխանիկա
Բիոմեխանիկա
Բիոֆիզիկա՝ ֆիզիկական պրոցեսներն ապրող օրգանիզմում
Ռելյատիվիստական կամ այնշտայնյան մեխանիկա

Քվանտային մեխանիկա

Քվանտային մեխանիկայի ճյուղերն են՝

Շրյոդինգերի ալիքային մեխանիկա, կիրառվում է մեկ մասնիկի ալիքային ֆունկցիայի շարժումը նկարագրելու համար
Մատրիցային մեխանիկա՝ քվանտային մեխանիկայի այլընտրանքային ձևակերպում, որը թույլ է տալիս համակարգերը դիտարկել վերջավոր չափականությամբ վիճակի տարածությունում
Քվանտային վիճակագրական մեխանիկա, որն ընդհանրացնում է սովորական քվանտային մեխանիկան՝ դիտարկելու համար անհայտ վիճակում գտնվող համակարգերը, հաճախ կիրառվում է թերմոդինամիկական հատկություններ արտածելու համար
Տարրական մասնիկների ֆիզիկա՝ մասնիկների շարժումը, կառուցվածքը, փոխազդեցությունները
Միջուկային ֆիզիկա՝ միջուկների շարժումը, կառուցվածքը, փոխազդեցությունները
Կոնդենսացված նյութի ֆիզիկա՝ քվանտային գազեր, պինդ մարմիններ, հեղուկներ

Ծանոթագրություններ

↑ Механика Հոդվածը Ֆիզիկայի հանրագիտարանում(ռուս.)
↑ Dugas, Rene. A History of Classical Mechanics. New York, NY: Dover Publications Inc, 1988, pg 19.
↑ Rana, N.C., and Joag, P.S. Classical Mechanics. West Petal Nagar, New Delhi. Tata McGraw-Hill, 1991, pg 6.
↑ Renn, J., Damerow, P., and McLaughlin, P. Aristotle, Archimedes, Euclid, and the Origin of Mechanics: The Perspective of Historical Epistemology. Berlin: Max Planck Institute for the History of Science, 2010, pg 1-2.
↑ Մեխանիկայի պատմություն{[ref-en]}. René Dugas (1988). p.19. ISBN 0-486-65632-2
↑ ^6,0 ^6,1 "A Tiny Taste of the History of Mechanics". The University of Texas at Austin.

[1] Механика Հոդվածը Ֆիզիկայի հանրագիտարանում(ռուս.)

[2] Dugas, Rene. A History of Classical Mechanics. New York, NY: Dover Publications Inc, 1988, pg 19.

[3] Rana, N.C., and Joag, P.S. Classical Mechanics. West Petal Nagar, New Delhi. Tata McGraw-Hill, 1991, pg 6.

[4] Renn, J., Damerow, P., and McLaughlin, P. Aristotle, Archimedes, Euclid, and the Origin of Mechanics: The Perspective of Historical Epistemology. Berlin: Max Planck Institute for the History of Science, 2010, pg 1-2.

[5] Մեխանիկայի պատմություն{[ref-en]}. René Dugas (1988). p.19. ISBN 0-486-65632-2

[mechanics-6] 6,0 ^6,1 "A Tiny Taste of the History of Mechanics". The University of Texas at Austin.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]