Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://wasp.phys.msu.ru/forum/lofiversion/index.php?t2138-0.html
Дата изменения: Unknown
Дата индексирования: Mon Apr 11 16:28:26 2016
Кодировка: Windows-1251
Студенческий форум Физфака МГУ > Законы Ньютона
Помощь - Поиск - Пользователи - Календарь
Полная версия этой страницы: Законы Ньютона
Студенческий форум Физфака МГУ > Наука физика > Интересные задачи и познавательные вопросы
Страницы: 1, 2
M_T
Предлагаю такую тему на обсуждение.

Вопрос: Как правильно относиться к законам Ньютона? Например, как рассказывать о них школьникам и первокурсникам?
Disclaimer: Сразу оговорюсь, что законы Ньютона -- попытка приблизиться к строгой теории Лагранжевой механикуи и т.д. и т.п., аргументов в эту пользу я знаю достаточно. До появления участником, с этим утверждением не согласных 15.gif, предлагаю на нем не останавливаться. Вопрос именно в том, как относиться к законам Ньютона (школьникам сразу Лагранжев формализм не расскажешь... Я пытался, но больше не хочу smile.gif )

Помню, как проф. Николаев, кажется, на дне открытых дверей, задавал вопросы "Сколько утверждений в первом законе Ньютона? во втором? в третьем?" Хочется обсудить, насколько такие вопросы имеют смысл.

Возможные крайние точки зрения:
1. Законы Ньютона -- строгий набор непротиворечивых и неизбыточных аксиом, на основе которых можно построить модель, в некотором приближении описывающую реальный мир.

2. Есть только третий закон Ньютона и формула F=ma, а все инерциальные системы отсчета -- размахивание руками, попытка придать F=ma строгости, которой там особо нет. То есть первый закон Ньютона -- ерунда. Никому он не нужен.

Предлагаю участникам обсуждения заявить о своей точке зрения, а потом доказывать ее друг другу. Если наберется достаточно народу. Затравку, надеюсь, я сделал достаточно провокационной. Сам я придерживаюсь второй точки зрения. Готов ее защищать.

Давайте обойдемся минимумом истории физики -- что в каком году считал Ньютон, кто в каком году его поправил -- а сконцентрируемся на современных представлениях.
Denis
Мое мнение, что все три закона Ньютона являются удачными и разумными. Хотя, почитав современные школьные учебники, понял, что их трактовка авторами учебников (не говоря уже о конкретных щкольных учителях) может сильно различаться. Предлагаю сначала определиться с тем, о какой версии трех законов будет идти речь. 13.gif
M_T
О любой. Какая вам кажется правильнее. Сформулируйте первый закон Ньютона. Посмотрим, а нужен ли он?

Кстати, наш учитель физики (считаю его очень хорошим) принципиально не выписывал три закона Ньютона в рамочку и не заставлял выучивать формулировки. Как раз по причине того, что строгую картину дает только принцип наименьшего действия и т.д. И математические школьники (т.е. которых уже приучили в матклассе к строгости) это могли бы заметить.
Relana
Ну зачем же опираться тока на математических школьников.. не все же в мат- и физ- классах учились. Зачем нормальным людям в школе Лагранжиан? И тем более принцип наименьшего действия...Его основную крастоту можно прочувствовать, уже познакомившась немного с интегродифференциалам и вариациями..
Вот 1-ый закон Ньютона нам формулировали так:
Существуют такие системы отсчета, относительно которых всякое изолированное тело сохраняет свое состояние покоя и равномерного прямолинейного движения.
Это после лагранжева формализма этот закон кажется очевидным следствием. На самом деле это далеко не очевидно. До Ньютона была механика Аристотеля - тоже логически завершенная система, в которой не существовало таких систем отсчета. Тело, на которое не действовала сила, возвращалось к "естественному положению" и находилось в нем в состоянии покоя. Движение, даже равномерное, было возможно только при постоянно действующей силе. Поэтому первый закон Ньютона очень важен в историческом плане. Без него никак нельзя. Здесь самое важное - это постулат о существовании инерциальных систем отсчета.
В плане педагогическом он тоже нужен. Земля не является инерциальной системой отсчета, вообще говоря. Поэтому сказать, что "и все-таки они существуют", надобно new_russian.gif
А второй закон Ньютона формулировали в виде a=F/m. Ускорение - это следсвие силы, а не наоборот. Хотя у Ньютона это пишется по-другому.
Tigran K. Kalaidjian
[quote=M_T,14 июля 2005г. - 11:42]
Вопрос: Как правильно относиться к законам Ньютона?
[/quote]

Мне больше всего нравится отношение А.Ю.Грязнова:
"Законы Ньютона - априорные принципы физической теории."
Другими словами, это принципы, с помощью которых _формируется_ отношение к опыту на основе априорных представлений.
Сам не раз убеждался в правильности этого суждения.
Подробно, если интересно, можно почитать:

1. А.Ю. Грязнов. Методология физики и априоризм Канта // Вопросы философии. 8, 2000.
2. А.Ю. Грязнов. Абсолютное пространство как идея чистого разума.
http://kalaidjian.nm.ru/gri3.rar
3. А.Ю. Грязнов. Механическая интерпретация электродинамических уравнений Максвелла
http://kalaidjian.nm.ru/gri1.rar
4. И.Кант. Критика чистого разума. (обычно это 3-й том в собраниях его сочинений)

Заранее прошу прощения у владельцев http://phys.web.ru, с которого я взял статьи, но сайт работает очень нестабильно, поэтому положил к себе blush.gif

[quote=M_T,14 июля 2005г. - 11:42]
Например, как рассказывать о них школьникам и первокурсникам?
[/quotе]
Где преподаете ? 197.gif

[quote=M_T,14 июля 2005г. - 11:42]
(школьникам сразу Лагранжев формализм не расскажешь... Я пытался, но больше не хочу smile.gif )
[/quotе]

В школе нам давали их как обобщение законов Кеплера (мне в 9-м классе лично поручили это сделать 80.gif )
Но, по-моему, очевидно, что это фигня... Еще в школе мне это пришло в голову, поэтому не знаю, стоит ли вообще так рассказывать школьникам.

[quote=M_T,14 июля 2005г. - 11:42]
Помню, как проф. Николаев, кажется, на дне открытых дверей, задавал вопросы "Сколько утверждений в первом законе Ньютона? во втором? в третьем?" Хочется обсудить, насколько такие вопросы имеют смысл.
[/quote]
Все зависит от того, что нужно от Ваших занятий. Если основательность разбора - то не помешает. Главное не доводить до абсурда. Кстати, если Вы преподаете, то думаю, Вам будут интересны Николаевские определения:
http://kalaidjian.nm.ru/chmz.htm
Благо он у меня весь 1-й курс преподавал и экзамены принимал 15.gif

[quote=M_T,14 июля 2005г. - 11:42]
То есть первый закон Ньютона -- ерунда. Никому он не нужен.
[/quote]
Однозначно не так, но не знаю, как это школьникам объяснить. Прочитайте Грязновскую статью про абсолютное пространство - может придумаете. Готов с Вами спорить.

[quote=M_T,14 июля 2005г. - 11:42]
Давайте обойдемся минимумом истории физики -- что в каком году считал Ньютон, кто в каком году его поправил -- а сконцентрируемся на современных представлениях.
[/quote]
Так нельзя. Надо учитывать, какие допущения находятся в основе теории и с какими объектами эта теория работает. А то мы будем работать с теорией, не понимая, для чего она предназначена. Для "современных" представлений существует ОТО.
Чтобы не получилось так, что мы будем сильно удивляться нарушению законов Ньютона в масштабах Вселенной, как этому удивлялся ак. Рубаков, чем сильно удивил, в свою очередь и меня 193.gif 80.gif
M_T
2 Relana Вы мне рано возражаете. Я не говорил, что I закон есть очевидное следствие откуда бы то ни было. И не буду. Вопрос в следующем: мы сидим в системе отсчета. Кидаем кирпич.
1. Он полетел не прямолинейно и равномерно, а криво. Значит ли это, что наша система неинерциальна?
2. Он полетел прямолинейно и равномерно. Значит ли это, что наша система инерциальна?
Это к вопросу о том, что инерциальные системы "существуют". Дальше вопрос: а зачем нам нужны инерциальные системы?
Все не так просто, как кажется. Я над этим вопросом сначала подумал, а потом уже на форум выложил... wink.gif Пообсуждаем еще...
Цитата(Tigran K. Kalaidjian @ 14 июля 2005г. - 21:36)
Где преподаете ?
*

В "вечерней физической школе при физфаке МГУ". Честное слово! 80.gif Но про преподавание я просто так сказал. Меня интересует вопрос, а не как обсуждать его со школьниками.
Denis
Цитата(M_T @ 14 июля 2005г. - 21:51)
Это к вопросу о том, что инерциальные системы "существуют". Дальше вопрос: а зачем нам нужны инерциальные системы?
*

Хороший вопрос. Думаю, что именно в этом месте и в этом возрасте (8-й класс, если не ошибаюсь) на замену наглядно-образному формируется абстрактное (теоретическое) мышление (в терминологии Пиаже). Это глубокая смена принципов построения логических конструкций в человеческом сознании. На этой стадии человеку уже не нужно оправдывать свои абстрактные формы эмпирическим опытом. Сразу отпадет вопрос: "Нужны ли?". Большинство теоретиков создают логические конструкции, которые весьма далеки от опыта и тем не менее, как показывает практика, такая форма мышления яляется стержнем для современного прогресса цивилизации.
Можно не учить законы Ньютона в их абстрактной формулировке (щас уже существуют такие экспериментальные программы). Более того, когда создают очередную систему экстерната, то первым делом выбрасывают именно абстрактные конструкции типа "существуют инерциальные системы отсчета". О плюсах и минусах таких систем можно спорить долго. Я знаком и со сторонниками и с противниками.
Мое мнение, что не стоит искать лишнее в том, что есть (время - лучший судья)... лучше попробуйте что-то добавить. wink.gif

А ВФШ - хорошая школа преподавателей. thumbsup.gif Древнейшая истина: многие простейшие вещи понимаешь только тогда, когда пытаешься их объяснить другим.
Kotoss
Законы Ньютона, как я понимаю, на данный момент штука более учебная, нежели научная. Попробуй сразу начать втирать школьникам про теорию относительности, и посмотри, что они тебе скажут.

А законы Ньютона и прочая ньютоновская механика - это хороший пример конструктора, на котором школьники учатся строить модели и описывать их.

Что же касается инерциальных систем, то там, все нормально: есть системы отсчета в кот. любое изолированное тело движется равномерно и прямолинейно или покоится. Изолированным наз. тело, на кот. не действуют другие тела.

Об экспериментальном определении иннерциальности системы отсчета и изолированности тела речи не идет - очевидна невозможность, но как постулат на котором строится теория, первый закон Ньютона необходим.
M_T
Ой, чувствую, меня сейчас совсем загрызут... Я не собираюсь крушить Ньютоновскую механику -- у нас не "Проверка теорий на прочность", а "Познавательные вопросы". Сейчас все объясню. 197.gif

Цитата(Tigran K. Kalaidjian @ 14 июля 2005г. - 21:36)
Надо учитывать, какие допущения находятся в основе теории
*

Допущения -- пожалуйста, а их эволюцию в сознании мыслителей древности -- увольте...
Цитата(Tigran K. Kalaidjian @ 14 июля 2005г. - 21:36)
Для "современных" представлений существует ОТО.
*

Я говорю не о современных представлениях о физике, а о современных представлениях о модели, которую задают законы Ньютона.

Наверое, чтобы вы поняли мою точку зрения (ну не такая она радикальная, честное слово! И я не против абстрактного мышления -- сам в нем по уши), наверное, стоит ее изложить. smile.gif Приступаю.

I закон говорит о существовании инерциальных систем отсчета. Их определяющее свойство --
Цитата(Relana @ 14 июля 2005г. - 18:20)
всякое изолированное тело сохраняет свое состояние покоя и равномерного прямолинейного движения.
*

Вот мы сидим в некоторй СО. Кидаем кирпич. Предположим, он полетел криво. Значит ли это, что наша система обязательно неинерциальна? Нет. Может, неинерциальна, а может, действует неизвестная нам сила. Переходим в другую СО. Кирпич всегда летит по прямой. Но, может, мы просто падаем в лифте, т.е. некотороая сила уравновешивает инерциальность? Как различить эти два случая? НИКАК. Поэтому первый закон, гласящий примерно следующее: "В некоторых СО выполняется второй закон Ньютона" не позволяет нам этот закон применить. Но применить его на самом деле можно.
А какая нам разница, что загибает кирпич -- сила или неинерциальность СО? Утверждение: никакой. Постулируем, что это делает сила F*. Померяем ее, отпуская кирпич из каждой точки пространства, используя F=ma. И будем все время дописывать ее к левой части второго закона Ньютона.
Итак, второй закон МОЖЕТ обойтись без первого. Зачем тогда нужен первый?
Существуют инерциальные СО. Прекрасно. Предлагаю Первый закон меня: существуют системы, где изолированное, изначально покоившееся тело на 57-ой секунде наблюдения подпрыгивает, описывает восьмерку и улетает. И вних можно применять Второй закон меня, ma=F+F', где F' -- очень сложная функция, которую я пока держу в секрете, но могу сообщить, что F при t<57 сек -- тожественный нуль. 80.gif И ведь это все верно -- толку-то...

А если серьезно, моя точка зрения такая -- первый закон Ньютона исторически мог быть очень важен и заявлял, что Аристотель не прав. Мне кажется, что Ньютонова механика искусственно доводится до не содержащейся в ней строгости. Что касается школьников, то, имхо, достаточно обсудить, определением чего яавляется F=ma и где же собственно закон. Наиболее точно свою мысль могу выразить так: представление, складывающееся при правильной интерпретации этой формулы, и есть Ньютонова механика.
Достаточно обсудить -- не в смысле, что школьников надо учить так. Это вообще другой вопрос. Например, среднестатистических школьников, наверное, надо учить, не заостряя тонкие места, делая вид, что все очень просто, чтобы они выучили хотя бы что-нибудь и не говорили на экзамене, что вообще все очень неопределимо и т.д. Но я говорю про физику, а не педагогику.
Цитата(Kotoss @ 15 июля 2005г. - 0:31)
Попробуй сразу начать втирать школьникам про теорию относительности
*

Специальную -- они в школе должны изучать. А если не изучают (например, нам ее в школе не рассказывали, а мои школьники -- из моей же школы), то она в Фейнмане в I томе есть, его они читали. А общую -- пробовал. Основные идеи. Типа как таскать вектора по сфере. Ничего так, вполне получилось.
M_T
Что-то все скисли...
Еще могу сказать так: если рассказывать механику Ньютона школьникам, можно начать со случая, когда на наше тело ничего не действует, т.е. F* = 0. Чтобы проще было въехать. Но, замечу, инерциальные СО -- частный случай этого случая (бывают еще падающие лифты). А, по идее, разницы между падающим лифтом и инерциальной СО не должно быть никакой -- с точки зрения механики Ньютона они эквивалентны, так зачем же одну из них выделять в отдельный класс? И зачем постулировать их существование?!
M_T
2 плазматик Я говорю о преподавании только с позиции, что "чтобы что-то понять, нужно объяснить это другому". То есть когда я говорю, лучше всего объяснить это так-то и сказать на эту тему то-то, я имею ввиду, "мне кажется, правильно думать так-то и смотреть на эту тему с такой-то позиции". Я не хочу обсуждать проблему преподавания -- для учителя правильно рассказать школьникам физику, увы, не единственная задача. Ему нужно заставить школьников выучить какие-то факты, а для этого лучше порой во всякие тонкости не углубляться. Ну разве что если ему очень повезло с учениками, тогда еще, может, можно попробовать.

Так что повторюсь: давайте обсуждать физику не с позиций педагогики, а саму по себе. Нужен ли первый закон Ньютона в стройной картине механики?
Owen
Я не хочу обсуждать проблему преподавания -- для учителя правильно рассказать школьникам физику, увы, не единственная задача. Ему нужно заставить школьников выучить какие-то факты

У тебя и у Плазматика разные задачи =)
У него уже есть студент, заинтересованный физикой... не без исключений типа Романа =)
У тебя школьник, наивно лупающий глазами. Который еще не физик ни разу.

Педагог должен еще заинтересовать предметом. И вот эта задача реально сложна. Я лично со своими студентами стараюсь тонкие места обсуждать. Если группа "тянет" учебный план, конечно...
magisterulus
Ребят, расслабьтесь. Чтобы решить все проблемы, нужно сделать из физики математическую, строго аксиоматическую теорию, в которой к тому же будет формально описана связь между реальностью и математическими формальными величинами. Люди, немного сведующие в эпистемологии, знают, что это нереально принципиально. Посему в физике, несмотря на всю ее "объективность" мы все равно имеем дело с полуинтиутивными представлениями. И как ты тут что вводишь - через законы Ньютона или лагранжианы - значения принципиального не имеет. В методологическом же плане уравнение F=ma куда проще (мягко говоря), чем уравнения Лагранжа, не говоря уже о том, что в случае вариационных принципов появляются ограничения на голономность и прочие нехорошие вещи. wink.gif

P.S. Хотя, если не интересоваться "методологическим планом", то вариационные принципы рулят. wink.gif
Guest
2 M_T
Сразу оговорюсь, что законы Ньютона -- попытка приблизиться к строгой теории Лагранжевой механикуи и т.д. и т.п.,
Вот объясните мне, что дает лагранжев формализм такого, чего не получится из законов Ньютона? Нас вот в свое время учили, что лагранжев, гамильтонов и т.п. формализмы в классической механике - это не более чем другие методы решения основной задачи механики, более удобные для решения некоторых задач, чем законы Ньютона, но не дающие ничего нового по сравнению с ними.
M_T
2 guest
Нового, безусловно, не дает ничего. Разве что красоты и возможности обобщений. Но Лагранжев подход -- аксиоматический (собственно, отчасти именно поэтому его просто обобщать). Постулируем принцип наименьшего действия и вперед. А Ньютонова механика... Я не силен в формалистике, но все-таки первый закон мне представляется или лишним, или бесполезным. Надеюсь, мне кто-нибудь все же ответит на мое рассуждение.

2 magisterulus
Современная теор. физика вполне сносно аксиоматизирована. Ну, по модулю континуального интеграла. И, кстати, Лагранжев подход совершенно не сложный. Вы лучше посмотрите, как в учебниках механики для первого курса законы сохранения выводятся из однородности/изотропности пространства и времени. И сравните с теоремой Нетер. Как с простотой? Про красоту я не говорю. Но это offtopic.
2 Owen: Мой школьник, "наивно лупающий глазами", для своего уровня физику знает хорошо, а математику -- лучше половины первого курса физфака. Это разве имеет какое-то значение?! По-моему, вообще никакого. А насчет того, что педагог должен заинтересовать -- что заинтересует школьника больше, чем обсуждение, а вдруг то, что написано в учебнике, неправда? wink.gif

Вернемся к теме! Зачем нужен первый закон Ньютона? Жалко, что у Плазматика времени мало -- остальные в оффтоп ударились... Единственное тонкое место, которое я вижу в своем рассуждении (аргументированно мне никто мне не возражает -- придется самому), это то, что F* может зависеть от времени. Это почему-либо может быть плохо. Но пока меня это не смущает -- разве сила не может зависеть от времени?

Any suggestions? Только, пожалуйста, аргументированные suggestions!
M_T
2 плазматик
(или, вернее, 2 Everybody в ответ Плазматику, раз он уезжает на конференцию)
Хорошо. Таким образом, падающий лифт и инерциальная система отсчета эквивалентны в рамках Ньютоновской механики только благодаря Эйнштейну. Снимаю этот аргумент. ("если они эквивалентны, зачем одну из них выделять в отдельный класс?")

Но насчет F*?
Понять, когда это делать, а когда нет, я без 1-ого закона не могу.
А с первым законом можете?

По-моему, без первого закона вполне все получается. Второй закон Ньютона гласит: под действием интересующей нас силы кирпич полетит не так, как без силы, а с добавочным ускорением F/m. В любой системе отсчета. В частности, "из опыта известно", что на земле кирпичи с хорошей точностью летают по параболе. Значит, изучая любую силу, достаточно смотреть на отклонение траектории от параболы. Или, что то же самое, дописывать в правую часть закона Ньютона силу mg. А "из более тонкого эксперимента" следует, например, что надо дописывать еще силу Кориолиса. То же самое можно получить теоретически, считая известным из опыта, что в системе отсчета солнца все летит по прямой (что тоже верно лишь приближенно). И т. д. Значит, в такой формулировке ("под действием силы = как без силы + ускорение") второй закон работает (только так его и применяют). Кому-то не нравится приближенность такого описания, ссылки на опыт? Этот аргумент не пройдет: инерциальность системы тоже непроверяема, так что об инерциальности той или иной системы придется судить на тех же основаниях.
Relana
Цитата(M_T @ 29 июля 2005г. - 14:58)
под действием интересующей нас силы кирпич полетит не так, как без силы
*

Тока без первого закона не совсем понятно, как же кирпич полетит без силы. То, что ускорение равно нулю, это еще ничего не значит. Может, там еще какая фигня выскочит... Сразу напрашивается мысль, что 1-ый закон играет роль некоторой калибровки.
M_T
2 плазматик
Траектория грузика может быть любой: он может покоиться, двигаться по восьмерке и вообще как угодно
Да, именно это я и имел ввиду, когда говорил, что F* может зависеть от времени. То есть померив ее в некоторый момент, мы не имеем права делать выводы о ее значении в следующий. Именно это говорит и Relana -- "непонятно, как повело бы себя тело в отсутствие силы". Но раньше меня это не очень смущало. Нужно немного подумать...
Tigran K. Kalaidjian
Что скажете на такое?: законы Ньютона являются неявными определениями входящих в них величин (массы и силы, например). На такую мысль наталкивает то, что "официальные" явные определения входящих в них величин составляют порочный круг (ну и намучился я с этим в школе 193.gif ).
Тут прослеживается аналогия с отношением аксиом к основным объектам геометрии при аксиоматическом подходе. Т.е. от основных объектов требуется лишь удовлетворение аксиомам и сами объекты никоим образом явно не определяются.
Видимо, то же самое относится и к системе уравнений Максвелла, причем в этом случае все более наглядно:
заряд определяется как "источник электромагнитного поля, связанный с материальным носителем", в то же время электромагнитное поле определятся как "особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами". Налицо замкнутый круг – заряд определяется через э-м поле, которое определяется через заряд.
Определения взяты из БСЭ.
PanOpticum
Как вам такая "формулировка" первого закона: "в ИСО единственной причиной ускорения тела может быть только сила"?
Цитата(Tigran K. Kalaidjian @ 14 июля 2005г. - 21:36)
Заранее прошу прощения у владельцев http://phys.web.ru, с которого я взял статьи, но сайт работает очень нестабильно, поэтому положил к себе*
Ссылочку только поставьте... А проблема с нестабильностью известна, осенью латать будем.
M_T
2 плазматик
Да, все правильно. Вы меня убедили. Спасибо.

2 Tigran K. Kalaidjian
Не согласен насчет неявности определений. Например, второй закон, F=ma, есть очень даже явное определение силы. Но в школе действительно есть с чем здесь помучиться, особенно если пытаться сопоставить физику с геометрией. Геометрия -- строгая аксиоматическая наука. Механика Ньютона, по крайней мере в школьном изложении -- нет. Теперь (благодаря Плазматику)я согласен, что, возможно, ее можно было бы такой сделать и первый закон Ньютона все-таки необходим. Непонятно лишь, зачем ее делать строгой -- ведь есть Лагранжев формализм, который уже исходно строгий (и красивый).
Ну разве что для экзамена у Николаева...

2 PanOpticum
Я вашу мысль не понял. Что эта формулировка меняет? Вы используете термин ИСО, значит, должны сначала постулировать ее существование. А если вы это сделаете, то зачем что-то говорить дальше? Это ведь уже и есть первый закон.
А сделать вашу формулировку определяющим свойством ИСО и постулировать ее существование уже в таком определении, боюсь, не получится. Ведь вы используете термин "сила", а он только во втором законе и определяется. Да, собственно, второй закон и говорит то, что сказали вы -- если в ИСО есть ускорение, значит, есть сила. Или ваш вариант -- альтернатива совокупности сразу дыух законов Ньютона? Поясните, пожалуйста.
Tigran K. Kalaidjian
Цитата
Например, второй закон, F=ma, есть очень даже явное определение силы.


Не согласен с Вами. По-Вашему, мы просто вводим новую абстрактную величину "силу", как произведение "массы" на "ускорение", ничего не говоря о причинности этого ускорения, коей является сила(это заключение содержится в I-м законе), а это не позволяет ввести эталон силы и способ сравнения с эталоном.
Хорошо, если угодно, можем оставить вопрос с силой в стороне - он сложный, но что же делать с массой, если F=ma "по определению"? happydance.gif Попробуйте определить массу и Вы получите порочный круг. А вслед за этим порочный круг для прочих величин.

Цитата
Непонятно лишь, зачем ее делать строгой -- ведь есть Лагранжев формализм, который уже исходно строгий (и красивый).

А это бывает полезно для общего развития. Потом, это вылезает при изучении системы уравнений Максвелла. Я когда дошел до мысли о неявном определении - сразу стало проще жить. Черт возьми, до чего я дошел - видать, неуклонно превращаюсь в теоретика

Цитата
Ну разве что для экзамена у Николаева...


Ну, и для этого, в частности. Для нашей группы это злободневный вопрос 198.gif
M_T
...он сложный
Ну и что, что сложный. Зато полезный. Для общего развития.
Повторюсь: строгость придать, наверное, можно, но я не хотел в это лезть.
Слава богу, для меня это -- не злободневный вопрос. Обсудил это раза три со школьниками на экзамене и уже надоело. Ну да ладно.

II закон -- не формула F=ma. Эта формула -- определение буквы F. А закон в том, что это определение, записанное в векторной форме, корректно. То есть, скажем, растянутой на 1 см пружинке присуща некое свойство -- способность тянуть с некоторой фиксированной силой. И действуя ею на тела разной массы, мы получим разные ускорения в согласии с формулой. Кроме того, силы складываются как векторы. Что в общем-то неверно, правда ведь? Не все уравнения линейны. Так что никакого объекта "сила" на самом-то деле не существует, его можно определить только в рамках данной модели и именно абстрактно. Не понимаю, чем вам это не нравится. Вы видели силу? Живьем?

А масса определяется с помощью динамометра. smile.gif То есть той самой эталонной пружинки, которая дает отношение масс. Ну и надо еще ввести эталон массы. Где порочный круг?

Насчет уравнений Максвелла -- в чем проблема? Аксиома: есть заряды, они создают поле. Дальше пишем уравнения. Если чего не нравится в роторах и дивергенциях, пишем dF=0, d*F=j и радуемся красоте и строгости.
PanOpticum
Цитата(M_T @ 24 августа 2005г. - 10:31)
второй закон и говорит то, что сказали вы -- если в ИСО есть ускорение, значит, есть сила
*
2 закон -- это три утверждения: , сиречь: ускорение прямо пропорционально чему? обратно пропорционально чему? направлено как? "Причины" -- справа от знака равенства, "следствие" -- слева. Чувствуете разницу?
M_T
Разницу чувствую. А я привык писать II закон Ньютона как F=ma. Где тут право, где лево? А понимаю я это равенство так, как описал выше (*).
А если второй закон говорит именно "ускорение прямо пропорционально силе, обратно пропорционально массе и направлено вдоль линии действия силы", то, простите, что такое сила? Если отвлечься от того, что сила есть мера количественного взаимодействия или как там еще. wink.gif Потому что, согласитесь, с точки зрения аксиоматики количественная мера взаимодействия есть примерно то же, что "прямая есть длина без ширины" у Евклида.
Можно, в принципе, ответить, ссылаясь на ту самую эталонную пружинку, о которой я уже говорил -- дескать она действует все время с одной и той же силой, а под ее действием возникает ускорение, которое пропорционально, обратно пропорционально и направлено. Но все равно надо сказать про векторные свойства силы. А в таком случае, в чем разница между тем, что мы с вами говорим?
M_T
Не согласен. Сила -- не объективная физическая реальность, а элемент Ньютонова формализма. И проблем с ее определением быть не должно.
Цитата(плазматик @ 25 августа 2005г. - 12:19)
На мой взгляд, сведение II закона Ньютона к определению силы F=ma ошибочно. Второй закон устнавливает связь между ускорением и силой, которые вводятся независимо. Именно это и позволяет, зная силы как функции времени, координат и скорости, определять ускорение и интегрировать уравнения движения.
*

А что, так, как я предлагаю, не позволяет? Почему?
Tigran K. Kalaidjian
Цитата(M_T @ 24 августа 2005г. - 19:28)
То есть, скажем, растянутой на 1 см пружинке присуща некое свойство -- способность тянуть с некоторой фиксированной силой. И действуя ею на тела разной массы, мы получим разные ускорения в согласии с формулой.
...
А масса определяется с помощью динамометра.  smile.gif То есть той самой эталонной пружинки, которая дает отношение масс. Ну и надо еще ввести эталон массы.
...
Где порочный круг?


Вы измеряете массу с помощью пружинки, которую градуируете с помощью масс wink.gif - вот где круг... Он разрывается введением эталона. Согласен. А где же указание на эталон в законах Ньютона? Суть не в том, как подобрать объекты, удовлетворяющие законам, а вопрос в том, можно ли дать явное определение понятиям, входящим в эти законы... Мое мнение - нет. Можно лишь - неявное определение.

Цитата(M_T @ 24 августа 2005г. - 19:28)
Так что никакого объекта "сила" на самом-то деле не существует, его можно определить только в рамках данной модели и именно абстрактно. Не понимаю, чем вам это не нравится.


Ну, так мы говорим об одном и том же... pardon.gif Нельзя дать исчерпывающего определения понятию сила\масса и т.д., но можно ПОДОБРАТЬ эти величины для каждой конкретной модели с тем условием, чтобы они удовлетворяли 3-м законам. Вы это имели ввиду? Если да, то в чем проблема?

Цитата(M_T @ 24 августа 2005г. - 19:28)
Насчет уравнений Максвелла -- в чем проблема? Аксиома: есть заряды, они создают поле.

А что тогда такое поле? 197.gif
Теоретик
Дать определение всему невозможно. Должен быть некий набор базовых, фундаментальных понятий, осознаваемых на интуитивно-феноменологическом уровне, но не вводимых через другие понятия.
Считайте базовым понятием поля, вводите через него заряд. Хотите - наоборот. "Замкнутые круги" - очевидная неизбежность, если пытаться дать определение всему.
Tigran K. Kalaidjian
Цитата(Теоретик @ 26 августа 2005г. - 21:50)
Дать определение всему невозможно. Должен быть некий набор базовых, фундаментальных понятий, осознаваемых на интуитивно-феноменологическом уровне, но не вводимых через другие понятия.
"Замкнутые круги" - очевидная неизбежность, если пытаться дать определение всему.
*

Оно-то и понятно. Но с появлением "неинтуитивных" теорий, думаю, интуитивно понятные объекты несколько устарели umnik.gif
Поэтому я предлагаю выделить ряд неопределяемых явно первичных понятий, от которых требуется лишь удовлетворение аксиомам (з-нам Ньютона/Максвелла).
Такой подход к физическим теориям в целом, как мне кажется, должен решить ряд методологических проблем при построении новых более общих "фундаментальных" теорий и не допустить ряда ошибок в области основ (из которых потом получаются яркие науч.-поп. статьи 80.gif ).
В математике (до Гильберта) тоже самое происходило с определением объектов "точка", "прямая", "плоскость" и пр. и отношений между ними - т.е. считалось, что они самоочевидны и интуитивно понятны, до тех пор, пока не появились неевклидовы геометрии. Решение поблемы Гильбертом известно, почему бы не испробовать это на физике? (а так же на развивающихся областях, где полно фактического материала, но нет основ - типа биологии).
M_T
Цитата(плазматик @ 29 августа 2005г. - 11:13)
Какой-то здравый смысл в нем есть, если смотреть из глубин квантовой теории.
*

Ну зачем обязательно квантовой теории? Сила -- понятие существенно линейное. Складывается обязательно как векторы. А не все уравнения линейны. Скажем, меркурий к солнцу вроде притягивается так, как обещают уравнения ОТО -- существенно нелинейные. И силы уже нет.

Цитата(плазматик @ 29 августа 2005г. - 11:13)
О силе: ...
*

Согласен. Но, по-моему, все-таки иначе действительно можно. Так как я писал выше, то есть сказав, что II закон заключается в корректности такого определения силы. По вашему выражению, определяя сразу два понятия. Я порочного круга не нашел.
M_T
Да, действительно, про ОТО я с вами согласен. Я снова привожу в пример гравитационную силу, которая с точки зрения ОТО имеет совершенно другую природу. Я на самом деле имел ввиду другой факт, и неправильно подобрал пример (нелинейные уравнения ОТО). В Лагранжевом формализме сила есть . По идее Лагранжиан может оказаться таким "нелинейным", что силы векторно складываться не будут. То есть я не вижу пока очевидных причин, почему сила есть вектор -- ведь в Лагранжевом формализме разделение уравнения движения на две Ньютоновские части (сила и изменение импульса) делается руками, искусственно. Может, это я сказал ерунду -- нужно немного подумать, найти пример или согласиться с вами.

А вот насчет второго закона я все-таки не так уверен. Закон Кулона, силу Лоренца и т. д. мы получим из опыта и такого определения силы. Подносим пробный заряд к неподвижному заряду q, меряем ускорение (или используем динамометр) -- так ведь? И мы получим, с какой силой это q действует на наш пробный заряд -- по определению, а раз оно корректно (II закон), мы а)получили бы тот же результат любым способом и б) можем быть уверены, что взаимодействие с этим телом всегда будет описываться именно этой силой, даже в присутствие других источников. То есть утверждение, что такое определение корректно (II закон в предлагаемой мною трактовке) позволяет сначала измерить эту силу, а затем всегда считать ее такой и векторно складывать действия различных "источников взаимодействия".
PanOpticum
Цитата(M_T @ 31 августа 2005г. - 12:22)
векторно складывать действия различных "источников взаимодействия"
*
Принцип суперпозиции (фактически здесь использующийся) имеет границы применимости, не совпадающие с границами применимости второго закона Ньютона.
M_T
Не стал отвечать сразу, решил хорошенько продумать, какие тезисы я отстаиваю и с какими не согласен. Вот, что получилось.
1. Про принцип суперпозиции.
Признаю свое заблуждение – я почему-то не отделял принцип суперпозиции от II закона Ньютона. Это действительно разные вещи, спасибо, что вы мне на это указали. Однако, подумав, я понял исток этого заблуждения. Формулируя II закон как «ускорение пропорционально полной силе, действующей на тело, обратно пропорционально … и направлено…», мы скажем нечто содержательное только при наличии правила, по которому полная сила получается из «составляющих», т. е. суммарное взаимодействие складывается из взаимодействий с каждой частью системы. В механике Ньютона это принцип суперпозиции, векторного сложения сил. Таким образом, II закон не содержит принципа суперпозиции в себе, но неотделим от него. Замечу, что и плазматик говорит о необходимости «длинных рассуждений про то, как силы складываются».
Я был не прав в том, что векторность силы пытался проверить, интересуясь, складываются ли они как векторы в Лагранжевом формализме:
а) Лагранжев формализм знает только полную силу
б) свойство «векторности» силы проявляется в другом. Сила есть градиент скаляра (потенциальной энергии или же функции Лагранжа) и потому есть вектор. Векторное сложение здесь ни при чем. Интересен, кстати, другой вопрос [не вопрос к вам, а просто интересный вопрос, скажем, для обсуждения со школьниками]: как это мы в законе Ньютона приравниваем силу (градиент скаляра а вектор) и ускорение (производная вектора а не вектор)? Наводит на дифференциально геометрические размышления о том, что же такое ускорение…
2. Про силу. Здесь есть два связанных вопроса, а именно:
Первично ли в физике понятие силы, как, например, точки в геометрии, или оно поддается определению? (Tigran Kalaidjan);
Если поддается определению, то можно ли определить независимо от ускорения или только через него (второй закон Ньютона) (плазматик)?
Про первый вопрос: я считаю, как уже говорил выше, что сила есть элемент формализма, а не реального мира («объективной реальности») и потому должна быть определима. Мне кажется, что сила чем-то похожа на поле, в том виде, как его сначала вводят (до э-м волн), а именно: заряд действует на заряд, но мы введем посредника – поле. Это удобно потому, что … . Здесь аналогично: взаимодействие с другим телом приводит к возникновению ускорения (его мы видим, в отличие от силы!) Но мы введем посредника – силу, и это окажется удобным потому, что для сил окажется верным принцип суперпозиции. Это рассуждение нестрого, я привожу его не как аргумент, а только как мотивацию своего утверждения. Предвижу возражение – я сравниваю силу с полем, а ведь поле-то как раз есть физическая реальность! Сразу отвечу: поле приобрело такой статус только после открытия э-м волн. Если бы смысл поля был только в вышеизложенном удобстве описания взаимодействия зарядов, оно так и осталось бы просто элементом формализма.
Теперь про второй, самы интересный, вопрос. Насколько я понял, вы, Плазматик, считаете, что силу можно определить, причем независимо от ускорения. Я не согласен именно с этим. В самом деле: перед введением любого закона (Кулона, Лоренца) нужно понятие силы определить. Мы хотим сделать это количественно. Делая это напрямую, мы для некоторой ситуации (у вас – грузик на пружинке) строим соответствие между величиной взаимодействия и действительными числами. Но это и есть закон, определяющий величину силы, создаваемой источником (у вас – пружинкой) в зависимости от параметра (у вас – удлинение). Но, как мы выяснили только что, закон не может быть установлен, пока у нас нет независимого определения силы. Противоречие. Нам остается только постулировать верность этого закона (у вас – мерять силу в сантиметрах). Но в таком случае во всей механике Ньютона точно выполняться будет только этот закон, а не второй закон Ньютона. В предлагаемом вами способе, например, судьба ньютоновской механики зависит от того, насколько хорошо для взятой вами пружинки выполняется закон Гука. А насколько точно он выполняется, вы померить не сможете, поскольку фактически постулируете его верность по определению силы.
Просьба – если это рассуждение получилось туманным, скажите, я попробую объяснить по-другому. Это тот редкий случай, когда я четко понимаю, что хотел сказать. wink.gif
Это я указал на тонкое место в вашем способе. Теперь предлагаю свой – определяя силу по вызываемому ею ускорению для разных тел (разная масса для пружинки, разные масса и заряд для сил Кулона, еще и разная скорость для сил Лоренца), мы, обобщая опытные данные, установим законы для этих сил. Пользуясь принципом суперпозиции и неизменностью законов взаимодействия от времени, мы сможем решить любую задачу механики.
Спасибо, что прочитали мой довольно длинный пост до конца.
M_T
2 плазматик:
Подумал еще немного. И понял, как спасти ваше предложение. Нужно все-таки мерять силу не в сантиметрах, а в единицах, а именно, брать много одинаковых пружинок, растянутых одинаково. Дробные значения силы можно получить, складывая пружинки "углом". Победа!

А в своем способе я в итоге запутался, когда попробовал все проговорить заново. Может, как-нибудь потом, на свежую голову, попробую еще раз. А пока -- соглашусь с вами. Спасибо, очень конструктивное получилось обсуждение. И полезное.

Сейчас учу квантовую механику. Эх, насколько все-таки неинтуитвные теории менее коварны! wink.gif Ни за что не предположишь чего-то, интуитивно, казалось бы, верного, но ниоткуда на самом деле не следующего! Чистая математика. Теперь я, может, когда квантмех выучу, соглашусь с теми теоретиками, кто считает его проще законов Ньютона!.. (я одного такого знаю) smile.gif
kertis
Цитата(плазматик @ 2 сентября 2005г. - 14:00)
Очень спорная точка зрения! Кстати вопрос: В отличие от классической механики, где Лагранжев и Гамильтонов подходы примерно равно употребимы, в квантовой теории много чаще используется именно Гамильтонов формализм. С чего бы это?
*

потому что функция Гамильтона имеет четкий смысл(точнее матричный элемент оператора)
а функция Лагранжа более употребительна в теории поля из-за Лоренц-инвариантности.Но это еще ни о чем не говорит.
Цитата(M_T @ 2 сентября 2005г. - 13:28)
Эх, насколько все-таки неинтуитвные теории менее коварны! wink.gif Ни за что не предположишь чего-то, интуитивно, казалось бы, верного, но ниоткуда на самом деле не следующего! Чистая математика. Теперь я, может, когда квантмех выучу, соглашусь с теми теоретиками, кто считает его проще законов Ньютона!
*

казалось бы квантовая теория создавалась и понималась отцами-основателями
как раз на интуитивном уровне.А математическое основание пришло позже.
Более того, понять квантовую механику "на пальцах" на много проще чем влезать в математические дебри типа теорем о спектральном разложении
и области определения тех или иных опрераторов.
Строгим обоснованием математики занимались очень долго(да и сейчас вроде тоже)и эта "чистая математика" не так уж и проста.
kertis
Цитата(плазматик @ 29 июля 2005г. - 13:09)
Дальше: среди всех сил есть одна, а именно гравитационная, которая резко выделяется. Ну как же: у разных тел (по массе) она вызывает одно и то же ускорение. (Это наверное Галиллей первым заметил). Можно этому особого значения и не придавать: ну, случайно получилось, что масса как мера инертности, и масса как гравитационный заряд, совпали. А можно, вслед за Эйнштейном, все переосмыслить: силы инерции и гравитация - одно и то же. И тогда картина, действительно, меняется. Гравитация, как и силы инерции, выступают как геометрический фактор, на смену равномерному и прямолинейному движению приходит движение по геодезической, а силовые поля (негравитационные) приводят к отклонению от движения по геодезическим. В этом смысле в рамках ОТО 1-ый закон оказывается лишним. Решаем уравнения Эйнштейна, описывающие движение материи в перестраиваемой этой же материей метрике пространства-времени, и, при должном уровне абстрактного мышления, нет проблем.

*

1.ОТО воспроизводит законы Ньютона.Можно сказать,что это следствие того,что наш мир плоский.и уж тем более не отменяет их.
2."Силовой" и "Полевой" подходы эквивалентны.
В качестве примера:
искривление пространства-времени можно трактовать как "плоский" мир в котором действует сила(гравитационная).


Цитата(PanOpticum @ 24 августа 2005г. - 19:34)
2 закон -- это три утверждения: \vec{a}={F}\cdot{{1}\over{m}}\cdot{{\vec{F}}\over{F}}, сиречь: ускорение прямо пропорционально чему? обратно пропорционально чему? направлено как? "Причины" -- справа от знака равенства, "следствие" -- слева.
*

Именно.Плюс можно вспомнить, что ускорение это величина кинематическая
а второй закон Ньютона это динамика.
M_T
2 плазматик
Ну почему же нельзя под углом? Принцип суперпозиции все равно придется постулировать, так почему бы им не воспользоваться?

Про квантовую механику я сказал просто так. Я хотел подчеркнуть, что в интуитивных вещах часто кроются "подводные камни", и попытался проиллюстрировать этот факт (который уже и так проиллюстрирован этим обсуждением smile.gif) сравнением с "неитуитивной" квантовой механикой. О простоте квантовой механики я, естественно, судить пока не могу -- для этого требуется более глубокое знакомство с ней, чем у меня пока имеется (у меня оно пока в объеме половины III тома Ландавшица, трети "Принципов" Дирака и полутора курсов о QM, на которых я мало чего понял в силу их глубокой математизированности -- курсы читались в НМУ).

А насчет Лагранжева и Гамильтонова подхода... Меня этот вопрос волнует давно, но применительно именно к классической механике. Из чтения книг, в частности Арнольда, "Мат. методы классической механики", а также из общения с разными людьми я вынес представление, что Гамильтонов формализм глубже и богаче идеями/обобщениями, нежели Лагранжев (про теорию поля я не говорю, изучал я ее только в Лагранжевом виде и даже не знаю, бывает ли там Гамильтонов). Четких доводов в пользу этого утвержддения у меня почти нет. Ну разве что размахивания руками, вроде:
-- Гамильтонов подход, в отличие от Лагранжева, не требует задания метрики на конфигурационном многообразии, так как q и p спариваются каноническим образом. То есть Гамильтонов подход в некотором смысле "топологический" (чем это хорошо, я не знаю, а хотелось бы узнать).
-- Теорема Нетер в Гамильтоновом подходе становится банальностью.
-- В гамильтоновом подходе можно изучать всевозможные свойства гамильтоновых потоков на фазовом многообразии, их связь с симметриями и инвариантами, которые вряд ли случайны, а наверняка имеют глубокий фундамент/смысл
-- Глубокая связь гам. формализма с калибровочными теориями, позволяющими изучать механику на фактор-пространствах -- именно в гамильтоновых формулировках
Прошу прощения за расплывчатость, а возможно, и некорректность этих утверждений -- я про них только слышал, некоторые мне давали "пощупать" на примерах, но я этого всего на самом деле не знаю (ну, кроме первого пункта). Да, еще: вроде, гамильтонова механика обобщается непосредственным образом куда-то дальше, в отличие от лагранжевой.
Я это все к чему: не посоветуете ли каких нибудь книжек об этом всем? Арнольда мне не хватило, там все сжато, про калибровочные теории ни слова и практически без отсылок к физике. Все про какие-то симплектические структуры, проку от которых я не увидел. Если книги сильно математические, тем даже лучше -- попробую разобраться.
vilfred
Цитата(M_T @ 14 июля 2005г. - 10:42)
Законы Ньютона, как к ним относиться?
*


нормально...
Теоретик
Цитата(M_T @ 2 сентября 2005г. - 14:28)
Эх, насколько все-таки неинтуитвные теории менее коварны! wink.gif Ни за что не предположишь чего-то, интуитивно, казалось бы, верного, но ниоткуда на самом деле не следующего! Чистая математика.
*

На самом деле, будет еще хуже. Пойми: из чистой математики зачастую вытекают "лишние корни", не имеющие к физике никакого отношения.
Интуитивно верные вещи могут быть верны, но с некоторой точностью, а ложные корни - не верны вообще!
kertis
Цитата(M_T @ 3 сентября 2005г. - 17:48)
Я это все к чему: не посоветуете ли каких нибудь книжек об этом всем? Арнольда мне не хватило, там все сжато, про калибровочные теории ни слова и практически без отсылок к физике.
*

относительно простая книжка - Медведев "теоретическая физика" (или что-то в таком духе).Там есть чуть-чуть механики, гравитации и квантов.
Калибровочные поля - ну например Рубаков "классические калибровочные поля".
что-то можно посмотретьв учебнике по ктп Пескин,Шредер.
Guest
Законы Ньютона, казалось бы, тема давно исчерпаная. Тем не менее, как это ни странно, существуют некоторые интересные нюансы, которые упущены из рассмотрения по крайней мере в тех учебниках, которые довелось читать мне.

Вы никогда не обращали внимание на то, что у инерциальной системы отсчета имеется также и чисто кинематический смысл? Это система, в которой ускорение любой материальной точки стремится к нулю при удалении на бесконечность всех остальных материальных точек.
Кинематический смысл есть также и у ускорения a(ik), которое получает точка i под действием точки k: это предел, к которому стремится ускорение точки i при удалении на бесконечность всех остальных точек, кроме точки k, в системе отсчета, в которой ускорение любой точки стремится к нулю при удалении на бесконечность всех остальных точек.

Кроме того, в указанной системе отсчета любые три точки i,k,n движутся, подчиняясь следующей кинематический закономерности
a(ik)a(kn)a(ni)=a(ki)a(nk)a(in) (скалярное равенство)

Доказательство простое:
a(ik)a(kn)a(ni)=[F(ik)/m(i)][F(kn)/m(k)][F(ni)/m(n)]=[F(ki)/m(i)][F(nk)/m(k)][F(in)/m(n)]=[a(ki)m(k)/m(i)][a(nk)m(n)/m(k)][a(in)m(i)/m(n)]=a(ki)a(nk)a(in)
parfenov
Написано уже много, поэтому не буду обсуждать, а просто расскажу о том, что (с моей точки зрения) надо попытаться объяснить школьникам.
1. ЛЮБАЯ физическая теория развивается по схеме: сбор и анализ экспериментального материала в некоторой области реальности - выработка основных понятий, в терминах которых его можно осмыслить - подбор математического аппарата и введение строгих определений вместо понятий - формулировка системы аксиом и построение теории - проверка ее предсказаний и придание ей статуса "верной" в случае успеха - обнаружение новых данных, противоречачих предсказаниям теории и установление границ ее применимости - переход к началу на следующем уровне.
(Это значит, что законы Ньютона уже всегда будут "верны" - для ньютоновской механики известно, когда она работает, а когда может и подвести. В последнем случае ею просто не надо пользоваться.)
2. В физике, как и в любой эмпирической науке, ОПРЕДЕЛИТЬ что-либо - значит либо указать способ его измерения (основные величины), либо выразить через уже определенные измеряемые величины (производные).
Чаще всего измерение величин осуществляется путем сравнения с эталонами.
3. Проблемы понимания часто идут из-за того, что при обсуждении з.Н. не обращают внимание на "предшествующие" шаги: ведь эти законы и есть часть системы аксиом ньютоновской механики. Ни одна из аксиом НЕ ИМЕЕТ СМЫСЛА без остальных элементов системы. Так что без 1-го закона 2-й и 3-й - просто бессвязное бормотание. Другое дело, что система аксиом должна бы быть сформулирована построже. Например, 1-й закон на самом деле должен быть сформулирован примерно так:
"Существуют однородное изотропное безграничное бесконечное евклидово трехмерное пространство, заполненное материальными телами и безграничное бесконечное изотропное однородное одномерное время, с течением которого тела изменяют свое положение в пространстве. С помощью эталонов длины и временного интервала можно построить измерительные шкалы и определить в пространстве-времени системы отсчета, среди которых существуют такие (называемые инерциальными), в которых ...(далее - например, по Мякишеву)".
Тогда второй должен содержать слова:
"Существует скалярная характеристика каждого тела, описывающая его свойство сохранять состояние своего движения по отношению к инерциальной системе отсчетам - масса. Изменение состояния движения тел (т.е. скоростей) происходит вследствие их взаимодействия, которое можно описать с помощью векторной характеристики - силы. Масса и сила есть аддитивные наблюдаемые, процедура измерения которых определяется таким образом, чтобы ускорение любого тела, вызываемое действующей на него силой, было ..."
и так далее. Неразрывность системы аксиом видна хотя бы из того, что в каждой из них присутствуют объекты, определяемые в других. Можно модернизировать систему аксиом (не меняя основных идей теории) и расширять таким образом область ее применимости. Например, в исходной формулировке 3-го закона явно содержится утверждение о том, что взаимодействия тел носят ПАРНЫЙ характер (сила, действующая на любое тело, есть сумма сил, действующих на него со стороны каждого из остальных). Поэтому ньютоновская механика не рассматривает тройных, четверных и т.д. взаимодействий. Ясно, что ее можно подправить и включить такие взаимодействия в сферу рассмотрения, но гораздо удобнее делать это в рамках лагранжевой или гамильтоновой механики.
Думаю, что почти всем ясно, что приведенные выше формулировки сыроваты и их еще надо "причесать", но после доведения их до идеала они станут бесполезны для преподавания, ибо включать такие в школьный учебник - безумие. Смысл происходящего надо аккуратно и не слишком коротко объяснять наиболее развитым школьникам, терпеливо дожидаясь, пока о некоторых вещах они не спросят сами. Иначе смысл будет потерян - такие формулировки НЕЛЬЗЯ заучивать, их можно только понимать.
parfenov
Прошу прощения за многословность, но не могу удержаться от еще одного замечания:
Поскольку опредения наблюдаемых связаны с процедурой их измерения, то необходимо при сопоставлении теории с жизнью помнить о конечной точности любого измерения. Система отсчета, в которой брошенный кирпич в отсутсвие внешних сил движется равномерно-прямолинейно - инерциальна С ТОЙ ЖЕ ТОЧНОСТЬЮ, с которой мы призводили измерение его координат в пространстве и времени. И т.д. и т.п.
Теоретик
Цитата(parfenov @ 17 сентября 2005г. - 14:52)
изотропное однородное одномерное время
*

А разве оно изотропно??? Как же стрела времени и необратимые процессы (хотя, это уже не ньютонова механика).
parfenov
Цитата(Теоретик @ 17 сентября 2005г. - 15:22)
А разве оно изотропно??? Как же стрела времени и необратимые процессы (хотя, это уже не ньютонова механика).
*

Действительно. В Ньютоновской механике - время очевидно субстанциально, изотропно и однородно. Хотя никто не мешает построить механику в мире с другим временем. Если еще ввести в картину взаимодействия, нарушающие Т-симметричность теории, будет настоящая "механическая стрела времени". Другой вопрос - какое отношение этот мир будет иметь к нашему, где нарушение Т-симметричности в фундаментальных процессах обнаруживается только на микроскопическом (т.е. по принятой градации - на квантовом релятивистском) уровне. Или на уровне макросистем, в которых стрела времени возникает из-за того, что они обладают чрезвычайно большим числом элементарных вариантов развития, из которых в каждый момент времени выбирается один под действием слабоконтролируюмых факторов.
Guest
Законы Ньютона как математические тождества
http://www.geocities.com/knyshus/
Tigran K. Kalaidjian
Выкладываю статью А.Ю.Грязнова по просьбе PanOpticum. Авторские отступы утеряны.

АПРИОРНОСТЬ ЗАКОНОВ НЬЮТОНА*

Законы Ньютона и опыт
Известно, что попытки индуктивного обоснования фундаментальных законов физики наталкиваются на существенные методологические трудности. Дело не только в том, что всякая индукция неполна. Это, собственно говоря, вообще не трудность, если считать, что физическое знание не имеет абсолютного характера, уточняется и углубляется по мере расширения опыта. Современный физик психологически готов к тому, что новый опыт может внести существенные коррективы в самые фундаментальные физические представления. Поэтому основная методологическая проблема, на которую обращают внимание физики, связана с тем, что физическое знание - это не просто "выжимка" опыта, но всегда определенный "сплав" опыта и его истолкования.
В качестве примера возьмем утверждение о существовании инерциальных систем отсчета (ИСО). Можно ли его обосновать экспериментально? "Введение инерциальной системы отсчета основано на использовании представления о свободном теле. Но как можно убедиться в том, что тело действительно свободно, то есть не взаимодействует ни с какими другими телами? …Условия свободного движения могут выполняться лишь приближенно, с большей или меньшей точностью. Отсюда ясно, что невозможно осуществить такой опыт, который можно было бы считать строгим доказательством существования инерциальных систем отсчета" [1]. Я бы сказал даже более категорично: в реальном эксперименте мы заранее не знаем, насколько точно выполнены условия свободного движения. В известном опыте с телом на воздушной подушке, в котором оно с черепашьей скоростью равномерно движется по горизонтали, трение сведено к минимуму, но все равно неизвестно, скомпенсированы приложенные к телу силы или нет. На самом деле они не скомпенсированы, т.к. Земля вращается, и тело - вместе с ней. Скомпенсированы сила тяжести и сила реакции воздуха. Но в силу тяжести наряду с гравитационной входит и инерционная составляющая (центробежная сила инерции). Ясно, однако, что сделать такой вывод можно только на основе всех трех законов Ньютона. Выходит, утверждение о существовании систем отсчета, в которых справедлив закон инерции, - это не эмпирический факт, а принцип, который предписывается опыту. Иными словами, при построении науки о движении эмпирические факты упорядочиваются так, чтобы существовала (с максимально возможной точностью) хотя бы одна инерциальная система. Исторически в качестве первой ИСО была принята гелиоцентрическая система отсчета (в которой под "абсолютным" вращением тел понималось изменение ориентации относительно "неподвижных" звезд).
Ни один человек не видел, как Земля обращается вокруг Солнца. Но мы считаем, что реальность не совпадает с непосредственной чувственной данностью. Все наблюдаемые движения небесных светил (да и земных тел) мы вслед за Ньютоном упорядочиваем так, чтобы выполнялись аксиомы движения. Мы верим в законы Ньютона, поэтому Земля, как мы думаем, на самом деле движется вокруг Солнца (а не наоборот), несмотря на то, что с точки зрения кинематики все системы отсчета равноправны.
Надо добавить, что в определении ИСО фигурируют "приложенные к телу силы" (иногда говорят о "действии других тел"), но методологически строго понятие силы раскрывается с помощью всех трех законов Ньютона (см. ниже). Попытка же обойтись при определении ИСО без упоминания сил путем мысленного помещения пробного тела достаточно далеко от всех других тел с очевидностью уводит нас от эмпирической реальности; это похоже, скорее, на некое априорное представление.
И все же уже более ста лет в учебниках физики законы Ньютона пытаются обосновать экспериментально. Такой подход, по моему мнению, методологически ошибочен. Если так, то возникает естественный вопрос: раз законы Ньютона нельзя строго вывести из опыта, то не означает ли это, что они представляют собой относительно произвольные положения, которые могут быть лишь верифицированы, но не доказаны? На мой взгляд, есть все основания полагать, что законы Ньютона не являются произвольными положениями, но представляют собой своего рода теоремы, для обоснования которых вообще не нужно обращаться к опыту. Иными словами, они представляют собой априорные принципы науки о движении. Попытаюсь обосновать этот тезис.

Априорное обоснование законов динамики
В механике Ньютона предметом познания является движение тел. Но что есть движение как предмет мышления, а не чувств? Ведь одно дело наблюдать движение и совсем другое его мыслить, т.е. привести наблюдаемое в соответствие с логикой. Иммануил Кант разъяснил, что для этого нужно сделать. У него уже был перед глазами хороший пример мышления о движении - "Начала" Ньютона, в которых великий английский физик сформулировал свои "законы или аксиомы" движения [2]. Кант был убежден, что законы Ньютона, необходимые для понимания движения, не являются продуктом чистого опыта. Никакой чувственный опыт не поможет нам теоретически мыслить движение, если мы сами не создадим движение как предмет мысли. Как это сделать?
Мы априори располагаем некоторыми понятиями (категориями), которые позволяют нам мыслить предмет всякого возможного опыта. В частности, этот предмет схватывается рассудком только тогда, когда задано состояние материальной системы, выраженное через его параметры. Кант выражал эту мысль, используя категории "субстанция" и "акциденции" [3, 4]. Что есть субстанция движения и что представляют собой его акциденции?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо определить что движется и что означает, что это нечто движется. В механике Ньютона движется "масса", понимаемая как "количество материи" (количество составляющих тело первичных неделимых корпускул). Движение тела понимается как производная его пространственных координат по времени (скорость). Значит, масса и скорость суть акциденции субстанции движения, количество которой (количество движения) пропорционально и массе, и скорости, т. е. пропорционально их произведению. Поэтому первый априорный закон движения, соответствующий априорному принципу сохранения количества субстанции (в данном случае субстанции движения), можно сформулировать так: общее количество движения изолированной системы тел сохраняется.
Всякое изменение состояния движения происходит по закону связи причины и ее действия (априорный закон причинности), причем причина количественно равна своему действию. Для простоты будем рассматривать тело неизменной массы (состоящее из постоянного набора корпускул). Назовем причину изменения количества движения тела за некоторое конечное время средним импульсом силы . Мгновенный импульс силы - причина изменения количества движения тела за бесконечно малый промежуток времени. Спрашивается: можно ли отождествить импульс силы с изменением количества движения? Ответ нельзя. Изменение количества движения тела это действие импульса силы, сам же импульс силы причина этого изменения. Причина и действие это различные, хотя и соотносительные, понятия. Второй закон движения устанавливает пропорциональность между импульсом силы и изменением количества движения как векторными величинами.
Для изменения количества движения тела требуется существование как минимум еще одного тела, количество движения которого изменяется противоположным образом, иначе общее количество движения не сохранится. Если изменение количества движения тела есть действие приложенного к нему импульса силы, то этот импульс силы как причина не может быть изменением количества движения другого тела, потому что всякое изменение количества движения тела есть действие, а не причина. К другому телу, количество движения которого изменяется, также должен быть приложен импульс силы. Между этими телами осуществляется мгновенное взаимодействие, называемое силовым. Здесь надо сказать, что же такое импульс силы сам по себе, безотносительно к его действию?
Причина изменения состояния движения производит действие в течение некоторого времени (хотя бы бесконечно малого). Поэтому логично полагать, что импульс силы пропорционален времени его действия. Также он должен быть пропорционален интенсивности, с которой производится действие. Эта интенсивность называется силой. Таким образом, импульс силы пропорционален произведению силы и времени его действия. При силовом взаимодействии двух тел сила, действующая на одно тело, равна и противоположна силе, действующей на другое (иначе нарушатся и принцип постоянства субстанции, и принцип причинности).
Теперь можно несколько иначе подойти к аксиоматике динамики, используя понятие силы. В механике Ньютона о силе как таковой говорится в трех отношениях.

1. Сила есть единственная причина ускорения (первая аксиома динамики - принцип инерции);

2. Мерой силы является произведение массы тела на сообщаемое этой силой ускорение (вторая аксиома динамики - принцип меры силы);

3. Источником силы, приложенной к одному телу, всегда является другое тело, причем действие равно и противоположно противодействию (третья аксиома динамики - принцип взаимодействия).

Ускорение, о котором идет речь, рассматривается относительно абсолютного пространства - чистого теоретического понятия, никоим образом не данного в эмпирической реальности. Однако все наблюдаемые в опыте движения тел интерпретируются так, как если бы существовало абсолютное пространство (и абсолютное время). Для тел Солнечной системы, барицентрическая система отсчета такова, что ее можно считать покоящейся в абсолютном пространстве.
Что касается массы, то в небесной механике Ньютона масса тела, с одной стороны, выступает как акциденция субстанции движения, а с другой, как причиняющее начало, как источник силы. Иными словами, уже в самой априорной основе ньютоновской динамики заложено неразрывное единство двух ипостасей массы: массы как количества материи и массы как источника силовых (у Ньютона гравитационных) ее свойств.
Давно ведется спор о том, чем является второй закон Ньютона: определением силы или законом природы? Я утверждаю, что это априорный принцип. Хотя кажется, будто бы, с одной стороны, из невозможности корректного индуктивного вывода второго закона следует его "априорность" в смысле произвольного определения, а, с другой стороны, за успешным применением этого закона в опыте вроде бы просматривается его индуктивная сущность. Но ни то, ни другое неверно. Дело в том, что априорный принцип, являясь законом физики, может казаться индуктивно полученным законом именно потому, что необходимым образом создается теоретическим разумом исключительно для применения в опыте в качестве правила, посредством которого добывается информация о причинах явлений. Когда сила во втором законе Ньютона приравнивается к произведению массы на ускорение, в этом нет никакого произвола, если следовать представлению об абсолютном пространстве и абсолютном времени, принципу достаточного основания, принципам постоянства субстанции, причинности и взаимодействия. По сути, это теорема. Не математическая, а физическая, потому что в математике причинность вообще не рассматривается.
Замечу, что второй закон сам по себе не позволяет экспериментально определить массу. Только используя все три закона движения и опытный факт одинаковости для всех тел ускорения свободного падения, можно дать ее операциональное определение (установить операцию взвешивания).
Три закона Ньютона это три момента единого закона движения, ни один из них не выводится из других, но каждый предполагает два остальных. Законы Ньютоны позволяют мыслить движение, а не просто представлять его. В них заключено понятие движения. Если их отменить, то придется отменить наше понимание того, что такое движение как предмет науки о природе.
Законы Ньютона это только формальные правила игры, позволяющие обрабатывать эмпирические данные и получить содержательное (апостериорное) знание о внешнем мире. Но эти правила вовсе не коренятся в человеческом разуме сами по себе. Они могут быть получены по принципам разума, но в самом разуме их нет, как нет в самом разуме теоремы Пифагора (ведь когда-то люди ее не знали).

Знал ли Аристотель принцип инерции?
Вот что по поводу закона инерции писал Анри Пуанкаре: "Есть ли эта истина, присущая a priori нашему разуму? Если бы это было так, то как же не знали ее греки? Как могли они думать, что движение прекращается, как только перестает действовать вызывавшая его причина, или что всякое тело, не встречающее никаких препятствий со стороны, принимает круговое движение, как наиболее совершенное из всех движений?
Говорят, что скорость тела не может измениться, раз нет основания для ее изменения; но не можем ли мы с таким же правом утверждать, что не может измениться положение тела или кривизна его траектории, раз внешняя причина не вызывает их изменения?
Если принцип инерции не принадлежит к числу априорных истин, то не значит ли это, что мы имеем в нем экспериментальный факт? <...> Закон инерции не присущ нам а priori; другие законы были бы столь же хорошо, как и он, совместимы с принципом достаточного основания. Когда на тело не действует никакая сила, то мы могли бы вообразить, что неизменным является не скорость его, а его положение или ускорение" [5].
Нелегко распутать этот клубок.
Греки (в лице Аристотеля, например) не думали так, как о них пишет Пуанкаре. Мы сейчас сравним аристотелевское учение о движении с законами Ньютона. Это поможет лучше разобраться в их сути.
Аристотель, исследуя вопрос о первых причинах движения, приходит к выводу о первичности движений, происходящих по природе, движений "естественных". Из этого вытекает мысль о невозможности существования пустоты. Аристотель доказывал, что "или ни один предмет никуда не перемещается по природе, или, если это происходит, нет пустоты" [6, с.139]. Естественные движения, по мысли философа, не могут осуществляться в пустоте. Почему? Проследим за одним из важнейших рассуждений в "Физике" Аристотеля.
Опыт показывает, что из двух тел при прочих равных условиях быстрее падает в некоторой среде (например, в воде) то, которое тяжелее. Это происходит от того, объясняет философ, что более тяжелое тело, имея такой же внешний вид, как и менее тяжелое, способно своей большей тяжестью быстрее разделять ту среду, в которой оно движется. Если нет среды, то нет и причины, приводящей к различным временам падения этих тел. Следовательно, делает вывод Аристотель, в пустоте, если бы она существовала, все тела падали бы одинаково. Но это невозможно, потому что в пустом пространстве тела вообще не могли бы сдвинуться с места. В самом деле, в пустоте, окружающей тело, нет ни верха, ни низа, в ней все направления равноправны, и нет никакого основания для предпочтения одного из них. Стагирит рассуждает здраво: "Если имеется что-нибудь вроде места, лишенного тела, раз существует пустота, куда будет двигаться введенное в него тело? Ведь, конечно, не во всех направлениях" [6, с.138]. Как же тогда тело сможет начать падать, ведь через пустоту не может просочиться никакая информация о том, в какой стороне находится Земля?
Мы говорим сегодня, что на тело действует сила притяжения со стороны земного шара, которая и заставляет его падать. Тогда падение тел - совершенно чудесное явление, ведь получается, что Земля оказывает на тело влияние через пустое пространство (в том месте, где ее самой нет). Если признать, что на тело действует существующее вокруг Земли гравитационное поле, понимаемое как физическая реальность, то это означает, что между Землей и телом находится не та пустота, которую имеет в виду Аристотель.
Однако из того умозрительного факта, что в пустом пространстве первоначально покоящееся тело не может прийти в движение, не следует, что тело в пустоте вообще не сможет двигаться, если его, скажем, толкнуть. Рассматривая мысленно движение тела в пустоте, если бы она существовала, Аристотель пишет: "Никто не сможет сказать, почему тело, приведенное в движение, где-нибудь остановится, ибо почему оно скорее остановится здесь, а не там? Следовательно, ему необходимо или покоиться, или бесконечно двигаться, если только не помешает что-нибудь более сильное" [6, с.139]. Современному читателю может показаться, что такую мысль могли высказать только ученые Нового времени.
Однако было бы неверно утверждать, что уже в IV веке до нашей эры Аристотель выдвинул принцип инерции в ньютоновском его понимании. Принцип инерции "изымает" из тел причину изменения их состояния покоя (или движения), лишает тела способности самостоятельно начать движение, делает их инертными. Это чуждо Аристотелю. Как же тогда понимать приведенную цитату из аристотелевской "Физики" о непрекращающемся движении тела в пустом пространстве? Просто как применение к данным условиям принципа достаточного основания: может происходить только то, что чем-то выделяется из всех остальных вариантов, чему нет тождественной альтернативы. Если тело при движении остается самим собой, т.е. при толкании к нему не добавляется ничего телесного, количество чего уменьшалось бы при движении, то нет никакого основания полагать, что одна точка траектории тела в пустом пространстве предпочтительнее другой, в которой оно могло бы остановиться. Следовательно, тело, приведенное в пустоте в движение, никогда не остановится. Причем не имеет значения, какое тело имеется в виду: инертное или неинертное. Движение неинертного "аристотелевского" тела в пустом абсолютном пространстве и в абсолютном времени не может быть ускоренным по той же причине, что и движение инертного "ньютоновского" тела. В самом деле, почему тело (инертное или неинертное - неважно) начнет ускоряться "сюда", а не "туда", и именно в "этот" момент времени, а не в "тот"?
Однако это еще не принцип инерции. В самом деле, главное содержание первого закона движения, сформулированного Ньютоном в "Началах", заключается в том, что, как уже было сказано, единственной причиной абсолютного ускорения тела является внешняя (приложенная к нему) сила, понимаемая как взаимодействие тел. В частности, отсюда следует, что свободное тело движется не ускоренно. Правда, если пространство и время обладают свойствами симметрии (изотропностью и однородностью), или если тело "безразлично" к возможной асимметрии пространства и времени.
Аристотель доверял опыту, который показывал, что камни падают сами собой, "по природе". Он попытался вскрыть эту природу с помощью представления и всеобщем стремлении элементов вещей к их естественному месту. Так ли уж наивны его взгляды?
Если углубиться в аристотелевскую физику, то выявится любопытная деталь, проливающая новый свет на предыдущие рассуждения. Дело в том, что, по Аристотелю, место, которое занимает тело, тоже не лишено "силы" [7]: "Перемещения простых физических тел, например, огня, земли и подобных им, показывают не только, что место есть нечто, но также, что оно имеет и какую-то силу. Ведь каждое из них, если ему не препятствовать, несется в свое собственное место - одно вверх, другое вниз… Если дело обстоит таким образом, то сила места будет поистине удивительной и первой из всех прочих сил, ибо то, без чего не существует ничего другого, а оно без другого существует, необходимо должно быть первым: ведь место не исчезает, когда находящиеся в нем вещи гибнут" [6, с. 123-124]. "Именно благодаря “силе” места существует… “естественное” движение, то есть движение тел на свое исконное место: легких - вверх, тяжелых - вниз" [7]. Разделение всех движений на естественные и насильственные помогло Аристотелю последовательно провести тезис о том, что всякое движение предполагает движимое и движущее. В насильственных движениях движущим является всегда какое-то другое тело, а в естественных движущим является само место (не другое тело) [7].
Но каким образом место может двигать находящееся в нем тело? Это возможно в том случае, если пространство не обладает изотропностью. По Аристотелю, всякое место имеет верх и низ. Эта анизотропия выступает в качестве основания движения тяжелых тел вниз, а легких вверх. Но наличие основания еще не означает, что тела им воспользуются. Для этого необходимо, чтобы они "чувствовали" эту анизотропию, были "небезразличны" к ней. Иными словами, в самих телах должен быть некий стимул, некая тенденция, некое стремление двигаться в выделенном направлении. Если этого нет, то даже наличие анизотропии пространства не сдвинет тело с места. Поэтому у Аристотеля тела принципиально неинертны. Причина начала их естественного движения находится в них самих. Правда, для того, чтобы эта причина включилась, необходима анизотропия внешних условий, что и обеспечивается в аристотелевской физике абсолютностью верха и низа. А в пустом пространстве и инертное, и неинертное тело в отсутствие других тел будут вести себя совершенно одинаково: причина самодвижения неинертного тела просто не сможет сработать - нет основания.
Здесь напрашивается аналогия с поведением электрического заряда в электростатическом поле. Можно сказать, что, по Аристотелю, во Вселенной существует некое статическое поле, а тяжелые и легкие тела обладают зарядами разного знака. Поле задает анизотропию, а заряд - способность ее чувствовать. Незаряженное тело будет вести себя одинаково как в изотропном, так и в анизотропном пространстве.
Итак, нас не должна удивлять вышеприведенная "ньютоновская" цитата из Аристотеля, она на поверку оказывается не специфически ньютоновской, а "общечеловеческой". Пуанкаре же, мне кажется, все перепутал. Его, правда, можно понять: уж очень запутанным оказался вопрос.

Ошибочность индуктивного вывода законов Ньютона
Я разделяю мнение, согласно которому все попытки вывести законы Ньютона из опыта или содержат логический круг, или относятся только к одному из возможных типов движений (и не относятся, как показывает другой опыт, к иным движениям). В качестве примера рассмотрим два таких "вывода".

а) Алюминиевый и железный цилиндры с отверстиями вдоль осей связаны нитью и надеты на гладкий горизонтальный стержень, который приводится во вращение вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр. Опыт показывает, что величина, равная произведению массы на ускорение (здесь центростремительное), для обоих цилиндров имеет одно и то же значение. Силы же, действующие на них, также имеют одно и то же значение, т.к. создаются одной и той же нитью. Следовательно, можно считать, что в данном опыте сила пропорциональна произведению массы на ускорение.
Однако возникает следующая трудность: почему мы вообще полагаем, что на движущееся по окружности тело действует сила? Потому что натянута нить! Значит, мы исходим из предположения, что к телу приложена сила, если прикрепленная к нему упругая нить растянута. Причем, поскольку второй закон Ньютона, который якобы бы получается из этого опыта, должен носить всеобщий характер (к чему мы, собственно, стремимся), постольку он должен быть справедлив и во всяком другом случае. Но ведь тело, подвешенное на той же самой нити (нить натянута!), покоится. Следовательно, опыт показывает, что наш закон справедлив только для частного случая. А это уже не отвечает требованию всеобщности. Причем не той, нарушение которой в принципе возможно из-за неполноты всякой индукции, а всеобщности, взятой по отношению всего к двум конкретным случаям. Разумеется, ссылка на силу тяжести незаконна, потому что между Землей и телом нет никакой натянутой нити.
Если мы скажем, что на тело действует сила потому, что оно движется ускоренно, то используем первый закон Ньютона, что в данном рассуждении в принципе не запрещено. Только тогда нужно отдавать себе отчет в том, что закон инерции здесь принимается априори. Это - во-первых. Во-вторых, ускорение (как и скорость) эмпирически данных тел понятие относительное. Поэтому возникает вопрос: почему мы отдаем предпочтение системе отсчета, связанной с Землей, а не со стержнем, относительно которого цилиндры покоятся? Или, нужно полагать, что в системе "Земля" на цилиндры действует сила, а в системе "Стержень" не действует? Абсурдность этой ситуации очевидна. Теперь обратимся к операциональному определению массы.
В действительности на весах непосредственно определяется не масса, а "тяжесть" тела весьма туманное понятие. Это даже не вес в смысле ньютоновской силы. Весом эта "тяжесть" станет только после применения к ней априорных законов движения. Ньютон экспериментально установил пропорциональность массы весу путем применения своих аксиом движения к опытным данным (колебаниям маятников).
Если же буквально считать массой ту величину, которую показывают весы, то мы будем вынуждены констатировать отсутствие у тела массы в падающем лифте, когда наступает состояние невесомости. Точно также космонавт на борту орбитальной станции установит равенство нулю масс всех находящихся на станции тел, если он будет строго придерживаться такого способа определения массы. Можно, конечно, в этом определении оговорить, что весы должны в принципе что-то показывать, иначе оно не годится. Космонавту придется тогда вернуться на Землю или включить двигатели космического корабля, для того чтобы нарушить состояние невесомости.
Что касается нахождения масс элементарных частиц, то при таком определении массы об этом можно вообще забыть, потому что не существует весов, на которых можно было бы взвесить электрон или протон.
В операциональном определении массы фигурируют рычажные весы, пружинные не подходят: их показания зависят от высоты и географической широты. Но, вообще говоря, определение фундаментальной физической величины не обязано быть исключительно операциональным. Однако отсюда не следует, что из методологически корректного определения нельзя вывести способ экспериментального нахождения данной величины.
Обычно массу определяют как "меру инертности". Но при таком понимании массы она не означает ничего, кроме коэффициента пропорциональности между силой и ускорением, что относится ко второму закону (а значит, и к двум другим, т.к. три закона Ньютона представляют собой три стороны единого закона движения). Таким образом, в этом случае, для того чтобы "вывести" из опыта второй закон Ньютона, нужно воспользоваться им самим для нахождения масс взаимодействующих тел. Возникает порочный круг. Да и сам второй закон превращается в определение массы. Тогда возникает вопрос, как ввести силу так, чтобы не возвращаться к определению массы из формулы . Попытки использования эталонных пружин несостоятельны, т.к. силы в этом случае сводятся только к силам упругости, и переход к силам другого рода логически некорректен. Рассмотрим это подробнее.

б) Вводится эталон силы сила упругости данной пружины, растянутой на определенную длину. Если имеется много таких одинаковых пружин, то можно варьировать величину прикладываемой к телу силы и установить прямую пропорциональность между силой и ускорением (например, экспериментируя с бруском на гладкой горизонтальной поверхности), после чего до второго закона Ньютона уже "рукой подать". Но если мы опять-таки подвесим тело на пружине, то никакого ускорения наблюдаться не будет, и установленный на опыте закон придется отнести только к случаю горизонтальных движений. Ссылка на то, что во втором опыте силу упругости пружины уравновешивает сила тяжести, незаконна, т.к. мы ничего о силе тяжести без второго закона Ньютона не знаем, а если бы даже каким-то образом и догадались о ее существовании, то не смогли бы судить (конечно, если неявно не пользоваться законами Ньютона) о скомпенсированности этих сил.

Поможет ли электродинамика?
В 1904 г. Поль Ланжевен представил конгрессу в Сент-Луисе обстоятельный и глубокий доклад "Физика электронов", в котором он заявил: "Я настаиваю теперь на возможности постижения этих понятий (силовых характеристик электрического и магнитного полей А.Г.), так же как и связанного с ними понятия электрического заряда, независимо от какой бы то ни было динамики; я хочу сказать, что достигнуть этого возможно при помощи соображений, ни в малейшей степени не требующих знания законов движения обычной материи" [8]. Почему? Ланжевен разъясняет: "Оба поля имеют то свойство, что их дивергенция (расходимость) являются абсолютно нулевой в любой точке эфира… В действительности только материя, в обычном смысле этого слова, является тем, что содержит и может поставлять электрические заряды, вокруг которых существует дивергенция электрического поля…" [там же]. Французский физик рассматривает такие явления, в которых электромагнитные взаимодействия играют преобладающую роль (движение заряженных частиц в электромагнитных полях) и исходит из того, что он уже располагает теорией электричества и магнетизма. В этом случае можно определить массу как отношение силы к ускорению (т.е. как "меру инертности"), а саму силу считать заданной формулой Лорентца . Тогда можно опытным путем исследовать это отношение. Например, можно установить зависимость массы, определенной таким способом, от скорости, как это впервые сделал В. Кауфман (1902). Рассмотрим схематический пример, иллюстрирующий этот подход.
Если частица, имеющая инертную массу , несет на себе электрический заряд , тогда в электрическом поле с напряженностью на нее будет действовать сила (полевой способ введения силы) и возникает возможность определить инертную массу частицы так:
, где модуль ускорения частицы.
Еще раз отмечу, что напряженность поля и заряд в этом случае должны определяться в обход второго закона Ньютона по формулам электродинамики. Но возможно ли построить электродинамику без динамических законов движения, причем так, чтобы можно было применять ее в опыте? Ланжевен, видимо, полагал, что возможно. Однако это надо продемонстрировать, чего, насколько мне известно, он не сделал. Я думаю, Ланжевен ошибся. Да, действительно в теории можно мыслить векторные поля электрической напряженности и магнитной индукции, опираясь на четыре уравнения электродинамики, в которые входят роторы и дивергенции (обычно именно их называют уравнениями Максвелла). Но этих уравнений недостаточно для выхода на эмпирию: как только дело доходит до лабораторных измерений, без динамики не обойтись. Например, какой-нибудь вольтметр (скажем, магнитоэлектрической системы) работает по динамическим принципам. Да и в теории четыре уравнения Максвелла позволяют (в принципе) определить характеристики электрического и магнитного полей по заданным плотностям заряда и тока, а также должны быть известны диэлектрическая и магнитная проницаемости среды. Но спрашивается: что такое заряд и что такое проницаемости среды? Вряд ли можно ответить на эти вопросы без динамических представлений. Ну а на практике заряд опять-таки проявляется в том или ином силовом взаимодействии, т.е. динамически.
Но оставим в стороне проблематичность построения электродинамики в отрыве от механики и вспомним, что уже Ньютон задумывался над структурой силы самой по себе: чему равна сила как причина ? Можно ли что-нибудь сказать о силе помимо того, что мы узнаем о ней из аксиом движения? В Ньютоновых "Началах" встречаются такие понятия, как "ускоряющая величина силы", "абсолютная величина силы" и "движущая сила". "Ньютон, в сущности, рассматривает силовое поле, создаваемое некоторым центром сил. Ускоряющая величина центростремительной силы соответствует напряжению (т.е. напряженности А.Г.) поля в данном месте, движущая величина это сила, приложенная к телу (точке), находящемуся в силовом поле, абсолютная величина та же центростремительная сила как характеристика того, что создает поле. Тонкость этих различий, видимо, не была оценена современниками и не повлияла на дальнейшее развитие. Впрочем, сам Ньютон содействовал этому, подчеркивая в “Pricipia”, что он рассматривает эти “силы не физически, а математически”" [9]. Таким образом, в формуле соответствует Ньютоновой "движущей силе", а напряженность - "ускоряющей силе" (напряженности поля тяготения). Кстати, Максвелл называл электродвижущей силой, понимая под этим способность электрического поля двигать электрические заряды.


Литература

1. Бутиков Е. И., Кондратьев А.С. Физика: Учеб. пособие: В 3 кн. Кн.1. Механика. М., 2000. С. 85.

2. Ньютон И. Математические начала натуральной философии. М., 1989. С. 41-42.

3. Кант И. Критика чистого разума. Соч. в 6-и тт. Т.3. М., 1964.

4. Кант И. Пролегомены ко всякой будущей метафизике, могущей появиться как наука. Соч. в 6-и тт. Т.4, ч.1. М., 1965.

5. Пуанкаре А. О науке. М., 1990. С. 80-82.

6. Аристотель. Физика. Соч. в 4 х тт. Том 3, М., 1981.

7. Гайденко П.П. Категория "места" в физике Аристотеля // Природа №2 (1983). С. 81.

8. Ланжевен П. Избранные произведения. Статьи и речи по общим вопросам науки. М., 1949. С. 61.

9. История механики. С древнейших времен до конца XVIII века. Под общ. Ред. А.Т. Григорьяна, И.Б. Погребысского. М., 1971. С. 117.


Старший преподаватель
кабинета истории и методологии физики
кафедры общей физики
А.Ю. Грязнов

Примечания:

* Переработанный и дополненный текст одноименной статьи, опубликованной в материалах IV Международной конференции “Проблемы истории физико-математических наук", посвященной 100-летию со дня рождения д.ф.-м.н., профессора П.С. Кудрявцева (Тамбов, 14-18 июня 2004 г.). Изд-во Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина. Тамбов, 2004. С. 76-82.

1. В старых книгах эту величину называли натиском силы, что, на мой взгляд, лучше передает ее смысл.

2. Здесь действием и противодействием называются сами силы, а не соответствующие им . Надо еще добавить, что действие и противодействие лежат на одной прямой и являются силами одинаковой природы.

3. Начало координат помещается в центр масс Солнечной системы (практически совпадающий с центром Солнца), а оси направляются на подходящие звезды.

4. Массу мы определим как величину, измеряемую на рычажных весах, т.е. дадим операциональное определение массы.

5. - векторное произведение скорости заряда и магнитной индукции.

6. В действительности в опытах Кауфмана определяется зависимость удельного заряда () от скорости. Если допустить, что заряд от скорости не зависит, то можно говорить о зависимости от скорости массы.

7. Кстати, в микроскопической электродинамике формула для силы Лорентца входит в фундаментальную систему уравнений. Но откуда эта формула берется? Из опыта? Но этот опыт основан на динамике Ньютона. Если из теории, то также придется опираться на динамические принципы. В макроскопической теории вместо формулы Лорентца используют законом Ома. И снова возникает методологический вопрос "Откуда?".
PanOpticum
Цитата
Выкладываю статью А.Ю.Грязнова по просьбе PanOpticum. *
Строго говоря, по просьбе А.Ю. Грязнова
ACH
Достаточно интересно написано по поводу з-в Ньютона у М.Н. Полозова:
http://polozov.n1.by/GLAVA_1.pdf
Интересно, кто что скажет по поводу этой ссылки.
ЛИС
Как относится к практикуму в 1 семестре, тема которого "Проверка законов Ньютона"? Я сдавал его Васильеву Ю.В., и он сразу мне сказал, что такая постановка темы - Чушь, т.к. аксиомы проверить невозможно, а законы Ньютона по его представления именно аксиомами и являются.
Для просмотра полной версии этой страницы, пожалуйста, пройдите по ссылке.
Русская версия IP.Board © 2001-2016 IPS, Inc.