กลไกคลาสสิกคืออะไร?

นักวิทยาศาสตร์สามารถอธิบายการเคลื่อนที่ของลูกบอลที่บินผ่านอากาศและดึงแม่เหล็กและพยากรณ์บดของดวงจันทร์ การศึกษาทางคณิตศาสตร์ของการเคลื่อนที่ของวัตถุในชีวิตประจำวันและแรงที่ส่งผลกระทบต่อพวกเขาเรียกว่ากลไกคลาสสิก กลไกคลาสสิกมักเรียกว่ากลไกของนิวตันเพราะการศึกษาเกือบทั้งหมดสร้างขึ้นจากการทำงานของIsaac Newton- กฎหมายและหลักการทางคณิตศาสตร์บางอย่างที่แกนกลางของกลไกคลาสสิกรวมถึงสิ่งต่อไปนี้:

• กฎข้อแรกของนิวตัน: ร่างกายที่เหลือจะยังคงพักอยู่และร่างกายที่เคลื่อนไหวจะยังคงเคลื่อนไหวเว้นแต่ว่ามันจะดำเนินการโดยแรงภายนอก
• กฎข้อที่สองของนิวตัน: แรงสุทธิที่ทำหน้าที่ในวัตถุเท่ากับมวลของวัตถุนั้นเวลาเร่งความเร็ว
• กฎการเคลื่อนไหวที่สามของนิวตัน: สำหรับทุกการกระทำมีปฏิกิริยาที่เท่าเทียมกันและตรงกันข้าม
• กฎของความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน: การดึงแรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุสองชิ้นจะเป็นสัดส่วนกับมวลของวัตถุและสัดส่วนผกผันกับสี่เหลี่ยมของระยะห่างระหว่างศูนย์กลางของมวล
• กฎการอนุรักษ์พลังงาน: พลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้และเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปอีกรูปแบบหนึ่ง ตัวอย่างเช่นพลังงานเชิงกลเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน
• กฎการอนุรักษ์โมเมนตัม: ในกรณีที่ไม่มีแรงภายนอกเช่นแรงเสียดทานเมื่อวัตถุชนกันโมเมนตัมทั้งหมดก่อนการชนจะเหมือนกับโมเมนตัมทั้งหมดหลังจากการชน
• หลักการของ Bernoulli: ภายในความคล่องตัวของการไหลของของไหลอย่างต่อเนื่องความดันไฮโดรสแตติกของของเหลวจะสมดุลในทางตรงกันข้ามกับความเร็วและระดับความสูง

กลไกคลาสสิกอธิบายพฤติกรรมของวัตถุ "ปกติ" ได้อย่างถูกต้อง ตาม "หนังสืออิเล็กทรอนิกส์เคมีแบบไดนามิก"จากมหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียภาควิชาเคมีของเดวิสเพื่อพิจารณา" ปกติ "วัตถุควรมีขนาดใหญ่กว่าโมเลกุลและเล็กกว่าดาวเคราะห์" ใกล้กับอุณหภูมิห้องและไปที่ความเร็วช้ากว่าความเร็วแสงอย่างมีนัยสำคัญ

วิทยาศาสตร์เก่าที่มีชื่อใหม่

แม้ว่ามันจะเป็นสาขาฟิสิกส์ที่เก่าแก่ที่สุด แต่คำว่า "กลไกคลาสสิก" นั้นค่อนข้างใหม่ ไม่นานหลังจากปี 1900 ชุดของการปฏิวัติในการคิดทางคณิตศาสตร์ทำให้เกิดในสาขาใหม่ของการสอบถาม:เกี่ยวกับความสัมพันธ์กลไกสำหรับปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับความรวดเร็วมากและควอนตัมกลไกสำหรับปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับขนาดเล็กมาก

สมการที่พัฒนาขึ้นก่อนปี 1900 ยังคงเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการอธิบายวัตถุที่มีขนาดและความเร็วทุกวัน อย่างไรก็ตามเนื่องจากฟิสิกส์สาขาเก่านี้มีอยู่ข้างสองสาขาใหม่จึงต้องการชื่อใหม่ คำว่า "กลไกคลาสสิก" ได้รับการประกาศเกียรติคุณเพื่อติดฉลากชุดสมการที่อธิบายถึงความเป็นจริงในระดับที่ผลกระทบควอนตัมและความสัมพันธ์มีความสำคัญเล็กน้อย

ในปี 1687 นิวตันตีพิมพ์ "นักปรัชญาหลักการทางคณิตศาสตร์ตามธรรมชาติ-หลักการทางคณิตศาสตร์ของปรัชญาธรรมชาติ) ซึ่งอธิบายว่าร่างกายเคลื่อนไหวอย่างไรภายใต้อิทธิพลของกองกำลังภายนอก งานนี้ใช้เหตุผลทางคณิตศาสตร์แบบครบวงจรด้วยแนวคิดที่ค่อนข้างใหม่เกี่ยวกับการเคลื่อนไหวที่นี่บนพื้นผิวโลกและที่เก่าแก่ที่สุดของการสอบถามทางวิทยาศาสตร์ทั้งหมด: ดาราศาสตร์

โบราณผ่านยุคกลาง

อารยธรรมโบราณของเมโสโปเตเมีย-อียิปต์และหุบเขาสินธุทั้งหมดแสดงให้เห็นถึงความเข้าใจในการเคลื่อนไหวของดวงอาทิตย์ดวงจันทร์และดวงดาว; พวกเขาสามารถทำนายวันที่ของสุริยุปราคาได้ในศตวรรษที่ 18 ก่อนคริสต์ศักราชตามที่ EC Krupp อธิบายไว้ในหนังสือของเขา "เสียงสะท้อนของท้องฟ้าโบราณ"(Dover, 2003)" ดวงดาวและดาวเคราะห์มักเป็นเป้าหมายของการนมัสการซึ่งเชื่อว่าเป็นตัวแทนของเทพเจ้าของพวกเขา "คำอธิบายเหนือธรรมชาติโดยนิยามไม่มีหลักฐาน แต่บันทึกของการสังเกตวางรากฐานสำหรับผู้สังเกตการณ์รุ่นกลไกท้องฟ้าดังนั้นจึงกลายเป็นการศึกษาว่าสิ่งต่าง ๆ เคลื่อนไหวเกี่ยวกับสวรรค์ได้อย่างไร

ชาวกรีกโบราณเป็นคนแรกที่แสวงหาคำอธิบายตามธรรมชาติ (ตรงข้ามกับสิ่งเหนือธรรมชาติ) อย่างสม่ำเสมอ ดังที่ Charles Singer เขียนไว้ในหนังสือของเขา "ประวัติศาสตร์สั้น ๆ ของวิทยาศาสตร์จนถึงศตวรรษที่สิบเก้า"(Dover, 2011)," นักปรัชญาเช่น Thales (624-545 BC) ปฏิเสธคำอธิบายที่ไม่ใช่ธรรมชาติสำหรับปรากฏการณ์ธรรมชาติและประกาศว่าทุกเหตุการณ์มีสาเหตุตามธรรมชาติ "คำอธิบายมากมายที่เกี่ยวข้อง ในการทำงานของอริสโตเติล (384-322 ปีก่อนคริสตกาล)กลไกภาคพื้นดินดังนั้นจึงกลายเป็นการศึกษาว่าสิ่งต่าง ๆ เคลื่อนไหวและโต้ตอบบนพื้นผิวโลกได้อย่างไร

ยุคฟื้นฟูศิลปวิทยา

ในศตวรรษที่ 16 นักวิชาการเริ่มสังเกตเห็นว่าทฤษฎีของแรงผลักดันนั้นไม่เหมาะสมสำหรับการอธิบายปรากฏการณ์มากมาย - โดยเฉพาะอย่างยิ่งขีปนาวุธพุ่งออกมาจาก catapults และปืนใหญ่ ตามทฤษฎีแล้วกระสุนปืนควรบินผ่านอากาศจนกว่ามันจะหมดแรงผลักดันมันควรจะตกตรงพื้น ในความเป็นจริงเส้นทางของกระสุนปืนเป็นเส้นโค้งที่เฉพาะเจาะจงมาก เพื่อทำความเข้าใจกับการสังเกตเหล่านี้ตามเบอร์นาร์ดโคเฮนใน "การกำเนิดของฟิสิกส์ใหม่"(Norton, 1985) นักวิทยาศาสตร์เริ่มคิดถึงแรงโน้มถ่วงดึงวัตถุที่มีการเร่งความเร็วสม่ำเสมอในสิ่งพิมพ์ 1638 ของเขา"บทสนทนาเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ใหม่สองเรื่อง-กาลิเลโอกาลิลี(1564-1642) เผยแพร่คณิตศาสตร์แรกการพิสูจน์การเร่งความเร็วที่สม่ำเสมอนั้นจะทำให้ขีปนาวุธเคลื่อนที่ในวิถีพาราโบลาที่ตรงกับการสังเกตดังนั้นแสดงให้เห็นว่ากลไกภาคพื้นดินถูกควบคุมโดยคณิตศาสตร์

ในทำนองเดียวกันและในศตวรรษที่ 16 กลไกท้องฟ้าแสดงให้เห็นว่ามีความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งอย่างมากกับคณิตศาสตร์ ตามที่ David S. Landes ใน "การปฏิวัติในเวลา"(Belknap, 1983),,Tycho Brahe(1546-1601) เป็นหนึ่งในนักดาราศาสตร์คนแรกที่ใช้นาฬิกาที่มีความสามารถในการนับนาทีและวินาทีพร้อมกับ quadrants และ sextants เพื่อติดตามการเคลื่อนไหวของวัตถุท้องฟ้า(กล้องโทรทรรศน์ยังไม่ได้รับการดัดแปลงมาจากกองทัพเรือ Spyglass)John Kepler(1571-1630) ตามกฎสามประการของการเคลื่อนไหวของดาวเคราะห์บนข้อมูลของ Brahe สำหรับการเคลื่อนที่ของดาวอังคาร กฎหมายฉบับแรกที่ตีพิมพ์ในงาน 1609 ของเขา "ดาราศาสตร์ใหม่"แสดงให้เห็นว่าดาวเคราะห์เคลื่อนที่ในเส้นทางรูปไข่รอบดวงอาทิตย์

การรวมกันที่ยิ่งใหญ่

เจ็ดสิบปีต่อมานิวตันสร้างขึ้นจากการทำงานของกาลิเลโอและเคปเลอร์เพื่อแสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนไหวรูปไข่ของอาณาจักรท้องฟ้าและการเคลื่อนไหวพาราโบลาของอาณาจักรภาคพื้นดินสามารถอธิบายได้ด้วยกฎหมายคณิตศาสตร์ที่สง่างามหนึ่งกฎหมาย นอกจากนี้เขายังเป็นทางการกฎของการเคลื่อนไหวโดยอธิบายพวกเขาในภาษาของคณิตศาสตร์

นักวิทยาศาสตร์สามารถจัดการกับคณิตศาสตร์สัญลักษณ์ด้วยพีชคณิตและแคลคูลัส (ยังร่วมคิดค้นโดยนิวตัน) เพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับปรากฏการณ์ที่ยังไม่ได้สังเกต กลไกคลาสสิกเติบโตขึ้นตลอดศตวรรษที่ 18 และ 19 เพื่ออธิบายทุกอย่างตั้งแต่เลนส์ของเหลวและความร้อนจนถึงความดันไฟฟ้าและแม่เหล็ก

Robert Coolman เป็นนักวิจัยระดับบัณฑิตศึกษาที่ University of Wisconsin-Madison จบปริญญาเอก ในสาขาวิศวกรรมเคมี เขาเขียนเกี่ยวกับคณิตศาสตร์วิทยาศาสตร์และวิธีที่พวกเขาโต้ตอบกับประวัติศาสตร์ ติดตาม Robert@primeviridian- ติดตามเรา@livescience-Facebook-Google+-

ทรัพยากรเพิ่มเติม

• เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวกองกำลังและพลังงานที่ห้องเรียนฟิสิกส์-
• ฟิสิกส์เชิงปฏิบัติจัดหาบทเรียนและทรัพยากรการสอนและกิจกรรมสำหรับห้องเรียน
• Chemwiki: e-textbook เคมีแบบไดนามิกเป็นโครงการความร่วมมือโดยภาควิชาเคมีที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเดวิส