· Передмова
Можливо, ви мрієте стати фаховим юристом, економістом, чи, скажімо, вчителем історії і думаєте, що ваше майбутнє менш за все залежатиме від того, знатимете ви фізику чи ні. Вимушений вас застерегти, – ви помиляєтесь. І не тому, що в майбутньому на вас очікують випускні чи вступні іспити з фізики. Існують більш глибинні та значно важливіші причини, які спонукають і завжди будуть спонукати думаючих людей вивчати фізику. Серед різноманіття цих причин можна виділити наступні:
1.Фізика, це та фундаментальна наука, яка визначально формує науковий світогляд людини. Подивіться навколо себе і ви побачите та відчуєте безкінечно різноманітний світ, який прийнято називати Природою. При цьому те, що ви побачите і відчуєте, це лише мізерна частина того, що існує насправді і що є предметом вивченні фізики – науки, яка дозволяє пояснити практично все, що відбувалося, відбувається і буде відбуватися в цьому світі, починаючи від моменту його народження і закінчуючи моментом його майбутньої смерті, починаючи від будови атомного ядра і закінчуючи загальним устроєм Всесвіту, починаючи від властивостей елементарних частинок і закінчуючи властивостями супер складних систем, які називаються живими організмами. І якщо ви прагнете дійсно стати освіченою людиною, то в незалежності від обраного вами фаху, ви повинні мати певну систему достовірних знань, про навколишній світ. А основним джерелом цих знань є фізика – наука про Природу.
2.Фізика – це та фундаментальна наука, в процесі вивчення якої визначально формується вміння логічно та творчо мислити, тобто те вміння, яке називається інтелектом (розумом) і яке по-суті відрізняє людину від інших живих істот .
Можливо ви думаєте, що людина за своєю генетичною природою є розумною. На жаль, а можливо на щастя, це не правда. Людина не народжується розумною. Вона народжується лише такою, що здатна стати розумною. І якщо людину по праву називають Homo sapiens, що в перекладі означає “людина розумна”, то це тільки тому, що в процесі спілкування з іншими людьми і в процесі спеціального навчання, вона реалізує свою потенціальну здатність бути розумною. Якщо ж таке спілкування і таке навчання відсутнє, то інтелектуальний потенціал людини залишається не реалізованим. Бо це тільки в красивій казці, виховане у вовчій зграї немовля Мауглі, стає розумним юнаком. Насправді ж, подібного Мауглі практично не можливо навчити не те що писати, читати, чи розв’язувати задачі, а навіть говорити і самостійно одягатися. І це не домисли вчених, а достовірно встановлені факти.
Звичайно, всі ви виховувались в сім’ї, постійно спілкувалися з іншими людьми, дивились телевізор, слухали радіо, навчались в дитсадку та початковій школі. А це означає, що кожен із вас вже сьогодні є безумовно розумною людиною. І якщо сьогодні ми говоримо про роль фізики в процесі розвитку інтелектуальних здібностей людини, то маємо на увазі ту форму логічного і творчого мислення, яка дозволяє людині розумній стати творчою особистістю і без якої не буває видатних письменників, економістів, політиків, футболістів, піаністів, будівельників, тощо. Тому, якщо ви мрієте стати не просто економістом, а економістом видатним, не просто юристом, а видатним юристом, не просто істориком, а істориком видатним, то маєте усвідомити, що це стане можливим лише в тому випадку, коли ви опануєте мистецтвом логічного та творчого мислення. А на цьому шляху кращого вчителя, аніж фізика просто не існує. Адже саме фізика органічно поєднує логіку формального математичного мислення з творчою логікою практичного повсякденного життя.
3. Фізика, це та фундаментальна наука, яка є основою науково-технічного прогресу і науковою базою сучасної цивілізації.
Життя сучасної цивілізованої людини не можливо уявити без електрики, сучасних будинків, сучасних систем опалення та водопостачання, автомобільного, залізничного, повітряного та водного транспорту, радіо і телебачення, телефонного і мобільного зв’язку, комп’ютерів, пральних машин, кондиціонерів, холодильників, тобто всього того, що власне і складає матеріальну суть цивілізованого життя. А всі ці атрибути цивілізації є прямими результатами досягнень фізики та тих її розділів, які називаються технічною механікою, опором матеріалів, електротехнікою, електронікою, гідрогазодинамікою, матеріалознавством, тощо.
Звичайно, якщо ви мрієте про кар’єру економіста, юриста чи історика, то вам не обов’язково знати всі нюанси будови та принципу дії телевізора, комп’ютера, чи, скажімо синхрофазотрона. Але мати бодай елементарні уявлення про суть механічних, теплових, електромагнітних та інших явищ і про те, як ці явища застосовуються на практиці, зобов’язана кожна освічена людина. А джерелом цих знань є фізика.
4. Фізика, це та фундаментальна наука, яка є теоретичною основою всіх інших природничих наук.
Вивчаючи фізику, ви по суті вивчаєте і хімію, і біологію, і географію, і астрономію, і технічну механіку, і електротехніку, і взагалі все різноманіття тих наук, які називаються природничими. І навпаки – вивчаючи все різноманіття природничих наук, ви фактично, вивчаєте певні фрагменти головної науки про Природу – фізики. При цьому лише в фізиці, всі ці фрагменти стають єдиним цілим і отримують своє узагальнено філософське пояснення. До речі, підкреслюючи фундаментально-філософське значення фізики, в часи Ньютона цю науку називали натуральною, тобто природничою, філософією.
5. Фізика, це не тільки фундаментальна наука, яка формує світогляд сучасної людини, яка навчає її логічно і творчо мислити, яка є основою науково-технічного прогресу і всіх природничих наук, а ще й наука надзвичайно цікава.
Коли і як виник Всесвіт? Що було до того і що буде після? Як та чому виникло життя на Землі? Що з’явилося раніше “яйце” чи “курка”? Чи одинакові ми у Всесвіті і чи варто вірити байкам про НЛО? Що таке світло і чому навколишній світ різнобарвний? Як народжуються, живуть і помирають зірки? На ці та сотні і тисячі їм подібних запитань дає відповідь наука, яка називається фізикою. Але для того, щоб ці відповіді були зрозумілими і такими яким можна вірити, необхідно пройти певний, нелегкий шлях пізнання навколишнього світу. Адже це тільки шарлатани від так званих “нетрадиційних наук”, пояснюють все і відразу. Біда лише в тому, що за багатовікову історію людства, жодне із цих пояснень не виявилось правильним і таким, що дозволило б створити не те що автомобіль, телевізор чи комп’ютер, а бодай найпростіший гвіздок чи сірник. Тому, якщо ви прагнете стати освіченою людиною, то не поспішайте вірити різнобарвним астрологам, уфологам, магам, контактерам, віщунам, екстрасенсам та іншим традиційним та не традиційним шарлатанам, а вчіть фізику – і навколишній світ постане перед вами прекрасним, зрозумілим та прогнозованим.
Все вище сказане означає, що в незалежності від наших уподобань, фізика була, є і буде тією фундаментальною наукою, яка визначально формує освічену та творчу особистість. І, якщо ви дійсно прагнете стати такою особистістю, то в незалежності від ваших планів на майбутнє, поставтесь до вивчення фізики з максимально можливою відповідальністю. При цьому я маю надію, що в процесі вивчення фізики, ви не лише отримаєте глибокі знання, а й щиро полюбите цю найвеличнішу і найпрекраснішу з наук.
Зміст.
Розділ 1. Механіка.
§1. Про фізичний метод досліджень, або про те, як відрізняють
правильні теорії від неправильних.
§2. Загальні відомості про механіку.
Тема 1.1. Кінематика.
§3. Кінематика. Основні поняття кінематики.
§4. Просторово-часові параметри поступального руху.
§5. Швидкість. Середня швидкість.
§6. Загальні відомості про прискорення.
§7. Рівняння руху – основний закон кінематики.
§8. Графічний метод розв’язування задач кінематики.
§9. Вільне падіння тіл. Рух тіла кинутого вертикально.
§10. Рух тіла кинутого горизонтально та під кутом до горизонту.
§11. Рух матеріальної точки по колу. Доцентрове прискорення.
§12. Основні поняття, величини та закони кінематики обертального руху.
§13. Розв’язування задач. Тема: Кінематика обертального руху.
§14. Кінематика. Узагальнююче повторення.
Тема 1.2. Статика.
§15. Статика. Основні поняття, величини та закони статики.
§16. Чи завжди 2+2=4? Або, про додавання векторних величин.
§17. Сила тяжіння. Реакція опори. Загальні відомості щодо
розв’язування задач статики.
§18. Сила тертя.
§19. Розв’язування задач. Тема: Силовий метод розв’язування задач статики.
§20. Сила інерції.
§21. Розв’язування задач. Тема: Силовий метод розв’язування задач динаміки.
§22. Про вагу, невагомість та силу Архімеда. Або про те,
що важче кілограм заліза чи кілограм вати?
§23. Закон всесвітнього тяжіння. Про силу гравітаційну та силу тяжіння.
§24. Механіка Сонячної системи. Штучні супутники Землі.
§25. Механічні деформації. Сила пружності. Механічна напруга. Закон Гука.
§26. Пара сил. Момент сили. Важелі.
§27. Механічні блоки та їх системи.
§28. Розв’язування задач. Тема: Рівновага тіла під дією довільної
системи сил.
§29. Центр тяжіння та центр мас тіла. Розв’язування задач.
§30. Про види механічної рівноваги тіла та про ступінь механічної
стійкості тіл.
§31. Статика. Узагальнююче повторення.
Тема 1.3. Динаміка.
§32. Принцип відносності – базовий закон сучасної науки.
§33. Закони Ньютона – теоретична основа механіки.
§34. Імпульс. Закон збереження імпульсу. Реактивний рух.
§35. Розв’язування задач. Тема: Закон збереження імпульсу.
§36. Енергія. Кінетична та потенціальна енергія.
§37. Закон збереження енергії.
§38. Розв’язування задач. Тема: Імпульсно-енергетичний метод
розв’язування задач динаміки.
§39. Робота. Механічна робота.
§40. Потужність. Коефіцієнт корисної дії.
§41. Момент інерції – міра інерціальних властивостей тіла при його
обертальному русі.
§42. Кінетична енергія тіла що обертається.
§43. Момент імпульсу. Закон збереження моменту імпульсу.
§44. Закони Ньютона в механіці обертального руху.
Тема 1.4. Механіка коливань та хвиль.
§46. Загальні відомості про коливання.
§47. Періодичні коливання та їх характеристики. Рівняння гармонічного коливання.
§48. Фізичний, математичний та пружинний маятники.
§49. Розв’язування задач. Тема: механічні коливання.
§50. Автоколивання.
§51. Вимушені коливання. Резонанс.
§52. Загальні відомості про хвилі.
§53. Звукові хвилі. Інфразвукові та ультразвукові хвилі.
§54. Ефект Доплера.
Тема 1.5. Механіка рідин та газів.
§55. Тиск. Закон Паскаля. Закон Архімеда.
§56. Розв’язування задач. Тема: Механіка рідин та газів.
§57. Загальні відомості про гідродинаміку.
§58. Закон Бернуллі – основний закон механіки рідин та газів.
§59. Практичне застосування закону Бернуллі. Піднімальна сила крила. Ефект Магнуса.
§60. Механічна картина Всесвіту.
Розділ 1. Механіка.
§1. Про фізичний метод досліджень, або про те, як відрізняють правильні теорії від неправильних.
Сучасна фізика представляє собою цілісну систему достовірних знань, яка може пояснити практично все, що відбувалось, відбувається і буде відбуватись у Всесвіті, починаючи від моменту його народження і закінчуючи моментом майбутньої смерті. Основою цих знань є наукові теорії. Наукова (фізична) теорія – це система достовірних знань, яка на основі певних базових тверджень, кількісно описує і пояснює певну групу споріднених явищ, та дозволяє робити точні кількісні передбачення. Відразу ж зауважимо, що в науковій практиці ще не підтверджені теорії називають гіпотезами. Зауважимо також, що ми говоримо про наукові теорії та наукові гіпотези, а не про ту маячню яку вигадують інтелектуальні дикуни, що називають себе дослідниками паранормальних явищ, екстрасенсами, контактерами, докторами та академіками нетрадиційних «наук», тощо.
Ви можете запитати: а яким чином вчені отримують достовірні знання про навколишній світ та представляють їх у вигляді відповідних систем знань і чому вони впевнені в тому, що ці знання є безумовно правильними? Відповідь на це слушне та непросте запитання потребує екскурсу в історію еволюційного розвитку науки.
Напевно жоден вчений минулого не мав такого тривалого і глибокого впливу на розвиток науки, як давньогрецький філософ Аристотель (385–322 р. до н.е.). Достатньо сказати, що протягом майже двох тисячоліть, погляди Аристотеля на Природу, вважались за істину в останній інстанції.
Аристотель безумовно був видатним вченим. Він не лише зібрав та творчо опрацював величезну купу знань, а й розробив інструмент, який дозволяв отримувати нові знання. Сьогодні цей інструмент називають дедуктивним методом досліджень. Дедуктивний метод досліджень – це такий метод отримання нових знань, при якому на базі певних припущень та на основі логічно очевидних міркувань, робиться певний узагальнюючий висновок. Класичним прикладом успішного застосування дедуктивного методу на практиці є геометрія. В ній, на базі очевидно правильних тверджень, які називаються аксіомами, і на основі дедуктивного методу, пояснюється все різноманіття геометричних властивостей тіл.
Сама по собі дедуктивна система отримання теоретичних знань, була видатним відкриттям. Але вона мала і має один недолік: зроблені на основі цієї системи висновки, будуть правильними лише в тому випадку, якщо базові припущення є правильними. А ось тут-то і була «ахілесова п’ята» в системі знань Аристотеля. Аристотель створив багато теорій (точніше гіпотез), але майже ніколи не перевіряв їх на практиці. І ось результат, майже всі його теорії виявились хибними.
Сьогодні важко сказати, в результаті якої послідовності міркувань, Аристотель дійшов висновку: важкі тіла падають і мають падати швидше за легкі. Можливо, він думав: «хіба камінь падає швидше за пір’їну не тому що він важчий?» Та як би там не було, але замість того, щоб спостерігати за падінням важких і легких камінців, Аристотель почав доводити, що швидкість падіння тіла залежить від його маси, і що тому двох кілограмова гиря повинна падати швидше за кілограмову.
В це важко повірити, але протягом вісімнадцяти століть!!!, жодна людина не спростувала це очевидно не правильне твердження. Лише на при кінці шістнадцятого століття, молодий італійський вчений Галілео Галілей (1564–1642) кардинально змінив хід історії. Саме Галілей заклав основи сучасної науки, яка за неповні чотириста років докорінно змінила обличчя людської цивілізації.
Проводячи досліди Галілей з’ясував, що легка мушкетна куля і важке гарматне ядро падають однаково швидко. Це означало, що експериментальні факти явно суперечили теорії Аристотеля, і що тому ця теорія є хибною. Сьогодні правильність такого висновку є очевидною. Але те, що здається очевидним сьогодні, було зовсім не очевидним 400 років тому. Неочевидним по-перше тому, що в тогочасній науці правильним вважалось лише те, що було логічно доведеним. А по-друге, важкі ядра, кулі і камінці дійсно падають швидше за легкі пір’їнки, пушинки та сніжинки. А це означало, що деякі експериментальні факти підтверджували теорію Аристотеля, а деякі – суперечили їй.
Мал.1. Якщо експериментальні факти суперечать передбаченням теорії – значить теорія хибна (Галілей).
Оскільки в часи Галілея вчені довіряли логіці дедуктивного методу більше, аніж власним очам, то Галілею потрібно було не просто навести експериментальні докази того, що теорія Аристотеля хибна, а й довести цю хибність дедуктивним методом. Молодий вчений блискуче виконав і це завдання. Переконливість його логічних міркувань була очевидною. Дійсно. В теорії Аристотеля стверджується, що двох кілограмова гиря падає швидше за кілограмову. А що коли ці гирі зв’язати? Тоді з одного боку, ця трьох кілограмова система повинна падати швидше за двокілограмову гирю, а з іншого – повільніше за неї, адже легка гиря неминуче повинна гальмувати рух важкої. Висновок: теорія Аристотеля дає взаємовиключаючі передбачення. А це означає, що вона логічно суперечлива і тому неправильна. Натомість твердження про те, що важкі і легкі предмети падають однаково швидко є логічно несуперечливим та дедуктивно бездоганним. Адже, якщо одно і двох кілограмові гирі падають однаково швидко, то з такою ж швидкістю має падати і їх трьох кілограмова система.
Таким чином, спираючись на дедуктивний метод, Галілей довів, що гіпотеза Аристотеля логічно суперечлива і тому неправильна. Натомість його власна гіпотеза – логічно несуперечлива і тому правильна. Якщо ж говорити про той беззаперечний факт, що важкий камінь падає швидше за легку пір’їну, то Галілей абсолютно обгрунтовано стверджував, це відбувається тому, що навколишнє повітря гальмує рух об’ємної та легкої пір’їни значно сильніше, аніж важкого та густого каменя. Переконатись в достовірності такого твердження не важко. Для цього потрібно взяти простий прилад, який називається «вакуумна трубка» (мал.2). Видаливши із цієї трубки повітря ви неодмінно з’ясуєте: в безповітряному просторі легка пір’їнка і важка свинцева куля, падають однаково швидко.
Мал.2. В безповітряному просторі (вакуумі) легка пір’їнка і важка свинцева куля падають однаково швидко.
Геніальність Галілея полягає не в тому, що він першим почав експериментально перевіряти сумнівні теорії, а в тому, що саме він запропонував і почав застосовувати на практиці такий метод дослідження Природи, який дозволяв отримувати гарантовано достовірні результати. Цей метод називають фізичним методом досліджень. Фізичний метод досліджень – це такий метод отримання достовірних знань, при якому вибір правильних теорій здійснюється на основі експериментальної перевірки тих передбачень, які випливають із цих теорій. Це означає, що для перевірки правильності тієї чи іншої теорії (точніше гіпотези), необхідно на основі цієї теорії та дедуктивного методу, зробити логічно обгрунтовані передбачення і перевірити їх на практиці. При цьому, якщо передбачення справджуються, значить теорія правильна, а якщо не справджуються – неправильна.
Сьогодні кожен вчений знає, якщо результати експериментів не співпадають з передбаченнями теорії, значить теорія хибна. При цьому немає значення, хто автор теорії. Наскільки він відомий, розумний чи авторитетний. Немає значення, подобається вам ця теорія чи не подобається, розумієте ви її чи не розумієте. Якщо результати експериментів не співпадають з передбаченнями теорії, значить теорія неправильна (хибна). От і все.
Звичайно, експерименти мають бути достовірними і такими, що враховують всі суттєві обставини. Адже якщо наприклад, на основі факту того, що важкий камінь падає швидше за легку пір’їну, ви почнете заперечувати те, що всі тіла падають однаково швидко, то у своїх запереченнях будете спиратись на результати неправильно поставленого експерименту. Неправильного в тому сенсі, що при його проведенні ви не врахували суттєво важливу обставину – гальмуючу дію навколишнього повітря.
Ось так, з часів Галілея і крутиться колесо пізнання: експеримент – встановлює факт існування того явища яке потребує наукового пояснення; розум (теорія) – висуває логічно обгрунтовані версії можливих теоретичних пояснень відповідних експериментальних фактів; експеримент є єдиним об’єктивним суддею в утвердженні істини. Іншими словами, процес наукового пізнання Природи можна представити у вигляді формули:
експеримент + теорія + експеримент = істина.
Власне запроваджений Галілеєм фізичний метод досліджень і дозволив створити сучасну фізику – науку про Природу. Якщо ж говорити про достовірність того, що стверджує фізика, то вона з усією очевидністю випливає з самої суті фізичного методу досліджень. Адже у відповідності з цим методом, для спростування будь якої наукової теорії чи будь якого закону, достатньо привести один єдиний експериментальний факт, який суперечить відповідній теорії чи закону. Скажімо, наука наводить тисячі, мільйони, мільярди доказів того, що закон збереження енергії працює. А хтось заявляє: «А я не вірю!!!». «Нема проблем, – каже наука. Наведіть бодай один експериментальний факт який суперечить даному закону і я визнаю, що закон збереження енергії хибний. Ні…, ні…, не треба розказувати про паралельні світи, про тахіонні потоки, про секретну та надсекретну інформацію… Один єдиний експериментальний факт. От і все. Що, нема?! Ну, тоді звиняйте. Можете скільки завгодно не вірити. Але від цього реальність не стане іншою, а закон збереження енергії не стане менш достовірним.»
По суті, говорячи про достовірність наукової теорії, мають на увазі виконання наступної сукупності вимог:
1.Ті базові твердження які лежать в основі теорії є такими, що надійно та безумовно, експериментально підтвердженні.
2. Нема жодного, підкреслюю жодного, експериментально підтвердженого факту який би суперечив даній теорії.
3. Значна кількість передбачень даної теорії мають достовірне експериментальне підтвердження.
Інша справа, що будь-яка із до сих пір відомих наукових теорій пояснює не все різноманіття відомих фізичних явищ, а лише певну їх частину. Наприклад ньютонівська механіка, пояснює механічну поведінку макротіл в ситуаціях, коли швидкість руху цих тіл значно менша за швидкість світла. Молекулярно-кінетична теорія, пояснює загальні властивості твердих рідких і газоподібних речовин та ті теплові процеси які відбуваються з ними. Електродинаміка – пояснює все різноманіття електричних, магнітних та електромагнітних явищ.
Загалом же в сучасній фізиці є дві базові теорії на основі яких можна пояснити практично все різноманіття відомих фізичних явищ. Цими теоріями є квантова механіка та теорія відносності. Але фізична і математична суть цих теорій стає зрозумілою лише після того, як пройдено певний еволюційний шлях інтелектуального розвитку та з’ясована суть тих, менш загальних теорій, які були історичними попередниками теорії відносності і квантової механіки. А це означає, що в межах загальноосвітньої школи, фізику вивчають і, напевно завжди будуть вивчати, як сукупність окремих розділів, в кожному з яких пояснюється певна група споріднених явищ. До числа таких розділів відносяться:
1.Ньютонівська механіка;
2. Молекулярна фізика;
3. Термодинаміка;
4. Електродинаміка;
5. Оптика;
6. Фізика атома і атомного ядра;
7. Квантова механіка;
8. Теорія відносності;
9. Космологія.
На завершення додамо, що історія розвитку наукових методів пізнання Всесвіту, може слугувати яскравим прикладом тієї ролі, яку відіграють в процесі еволюційного розвитку людства певні особистості. Ви тільки подумайте. У своєму науковому розвитку, цивілізоване людство дві тисячі років йшло шляхом, який здавався логічно обгрунтованим та єдино правильним. От тільки результат цього походу був майже нульовим. І от питання: а скільки ще продовжувався б цей похід, якби 400 років тому не знайшлась людина, яка усвідомивши хибність наявного шляху, не запропонувала новий шлях еволюційного розвитку науки, а відповідно і людства?
Контрольні запитання.
1.Що називають науковою теорією?
2. Чим наукова гіпотеза відрізняється від наукової теорії?
3. В чому суть дедуктивного методу досліджень?
4. Який головний недолік дедуктивного методу досліджень?
5. Застосовуючи дедуктивний метод доведіть, що твердження «важкі тіла мають падати швидше за легкі», є логічно суперечливим.
6. В чому суть фізичного методу досліджень?
7. Чому в реальних умовах пір’їна падає повільніше аніж камінь?
8. Чому ми стверджуємо, що фізичний метод досліджень є гарантом достовірності фізичних теорій?
9. Що мають на увазі, коли говорять про достовірність наукової теорії?
§2. Загальні відомості про механіку.
Спираючись на науковий спадок Галілея та реалізуючи на практиці фізичний метод наукових досліджень, видатний англійський фізик Ісаак Ньютон (1642–1727) створив першу наукову теорію, яку прийнято називати механікою, або ньютонівською механікою (від грецького mechanike – наука про машини). Механіка – це розділ фізики, в якому вивчають параметри, закономірності та причини механічного руху тіл в усіх його проявах. Іншими словами, механіка – це наука про механічний рух.
Коли ми говоримо про механічний рух, то маємо на увазі такий процес (рух) при якому тіло, як єдине ціле, або певні цілісні фрагменти цього тіла, переміщуються відносно інших тіл. Човен пливе, автомобіль іде, вода тече, Земля обертається, колесо крутиться, газ розширюється, яблуко падає, собака біжить, дерево хитається, м’яч стрибає, стержень деформується – все це конкретні приклади механічного руху тих чи інших фізичних об’єктів (тіл). При цьому, однією з різновидностей механічного руху є такий рух, швидкість якого дорівнює нулю (v=0). Цю різновидність руху називають механічним спокоєм. Крім цього, різновидністю механічного руху тіла є його механічна деформація, тобто та чи інша зміна форми (розмірів) тіла, що відбувається під дією певної деформуючої сили. А це означає, що в механіці вивчають не лише параметри, закономірності та причини власне самого механічного руху (спокою) тіла, а й параметри, закономірності та причини всіх видів його механічної деформації.
Коли ми говоримо про тіла, то маємо на увазі такі фізичні об’єкти, механічна поведінка яких практично не залежить від руху молекул навколишнього середовища. Дрібна пісчинка і масивний камінь, вода в склянці і сама склянка, і стіл на якому вона стоїть і будинок, в якому вони знаходяться, і планета, на якій ми всі живемо, все це приклади конкретних фізичних тіл.
Як правило, в механіці не вивчається глибинна суть тих процесів, результатом яких є механічний рух тіла. Наприклад вивчаючи механіку, ми не будемо цікавитись тим, чому деформована пружина штовхає тіло? Чому повітряно-бензинова суміш в процесі згорання штовхає поршень двигуна? В чому причина появи сили тертя, сили опору повітря, сили пружності, сили тяги автомобіля, м’язової сили людини, тощо. В механіці просто констатується той факт, що причиною зміни швидкості руху тіла та причиною його механічної деформації є певна дія на це тіло іншого фізичного об’єкту, і що мірою цієї дії є фізична величина, яка називається силою.
Теоретичну основу механіки складають принцип відносності, три закони Ньютона та закон всесвітнього тяжіння. Це означає, що на базі цих законів, можна кількісно пояснити практично все різноманіття механічних явищ. Але це не означає, що в механіці не діють і не мають широкого застосування інші закони. Просто ці закони, як-то закон збереження механічної енергії, закон збереження імпульсу, умова механічної та динамічної рівноваги тіла, рівняння руху, закон Бернуллі, тощо, так чи інакше випливають із законів Ньютона та визначальних рівнянь відповідних фізичних величин. Щоправда, в механіці вивчають та застосовують і такі закони, які не є прямими наслідками її базових законів. Скажімо, закон Гука не є похідним ані від законів Ньютона, ані від закону всесвітнього тяжіння.
Сучасна ньютонівська механіка дозволяє пояснити надзвичайно широкий спектр явищ і не лише механічних. Наприклад, на її основі можна пояснити теплові і звукові явища, різноманітні властивості твердих, рідких і газоподібних тіл. Ця механіка дозволяє точно передбачити механічну поведінку як простих тіл, так і їх складних систем, починаючи від дрібної пісчинка і закінчуючи гігантськими зірковими системами, починаючи від хокейних шайб та футбольних м’ячів і закінчуючи автомобілями, підводними човнами та космічними кораблями.
Але ньютонівська механіка не є тією теорією, яка дозволяє пояснити все. Наприклад, вона не може пояснити електричні, магнітні, оптичні та ядерні явища. Пояснити хімічні властивості речовин, будову атомів і молекул, властивості елементарних частинок, тощо. Іншими словами, ньютонівська механіка має певні межі свого застосування і певні межі своєї достовірності. При цьому, ці межі визначаються не лише рамками визначення «механіка – це наука про механічний рух тіл», а й тим, що параметри цього руху, параметри простору, часу та самих тіл, певним чином залежать від багатьох факторів, зокрема від швидкості руху тієї системи відліку в якій описується відповідний рух. Скажімо при швидкостях близьких до швидкості світла (300 000 км/с), закони ньютонівської механіки, а разом з ними і наші уявлення про навколишній світ, потребують певного суттєвого уточнення.
Та як би там не було, а ньютонівська механіка була і залишається однією з основ сучасної науки. І якщо сьогодні ми говоримо про існування нових, більш точних наукових теорій, зокрема квантової механіки і теорії відносності, то ви маєте знати, що ці нові теорії не відміняють і не заперечують ньютонівську механіку, а лише доповнюють та уточнюють її.
Якщо ж говорити про методичну (технологічну) основу механіки і фізики загалом, тобто про ту послідовність дій яка забезпечує ефективне вивчення фізики, то вона полягає в наступному. Складні процеси (явища) розкладаються на гранично прості складові. Ці прості складові досліджуються та пояснюються, а потім, на основі отриманих знань, пояснюється все різноманіття більш складних процесів. Наприклад те, що в науці називають механічним рухом (механічними явищами), характеризується величезним різноманіттям проявів. Адже мова йде не лише про різноманіття механічних переміщень великих та малих тіл і не лише про різноманіття обертальних рухів цих тіл, а й про різноманіття механічних коливань та механічних хвиль, різноманіття механічних деформацій та можливих комбінацій всього вище згаданого.
Здається неймовірним, що все різноманіття проявів механічного руху можна пояснити на основі певних базових, по суті елементарно простих тверджень. І тим не менше, такі пояснення існують. І вони грунтуються на факті того, що все різноманіття механічних рухів можна представити як певну комбінацію двох простих складових: рух поступальний та рух обертальний. Власне в межах програми загальноосвітньої школи вивчення механіки зводиться до вивчення загальних параметрів та закономірностей поступального і обертального руху. При цьому, в межах програми для сьомого класу, ми по суті вивчали основи механіки матеріальної точки, тобто тієї частини механіки яка вивчає параметри та закономірності поступального руху тіла. В дев’ятому класі, ми стисло повторимо раніше вивчене та доповнимо його новими знаннями які стосуються як механіки поступального руху, так і механіки руху обертального.
На завершення додамо, що намагаючись певним чином систематизувати процес вивчення механіки ми умовно розділимо її на п’ять базових теми:
1.Кінематика
2. Статика
3. Динаміка
4. Механіка коливань та хвиль
5. Механіка рідин та газів.
Контрольні запитання.
1.Що є предметом вивчення механіки?
2. Що називають механічним рухом?
3. Чи є механічний спокій різновидністю механічного руху?
4. Чи є механічна деформація тіла, механічним рухом цього тіла?
5. Які фізичні об’єкти називають тілами?
6. Що є теоретичною основою ньютонівської механіки?
7. Що може і чого не може пояснити ньютонівська механіка?
8. Що є методичною (технологічною) основою механіки?
9. На які прості складові можна розкласти будь який механічний рух?
10. Чим програма вивчення механіки в дев’ятому класі буде відрізнятись від програми вивчення механіки в сьомому класі?
Загальний коментар.
Напевно, всі більш-менш фахові вчителі та викладачі нашої країни знають: сучасні вітчизняні підручники з фізики, мають до цієї самої фізики, м’яко кажучи дуже опосередковане відношення, (читайте статтю “Фізика-як віддзеркалення стану української освіти та про закони Ньютона, як об’єктивну міру цього стану”).Зважаючи на ці обставини практично кожен з нас створює свій, власний підручник, посібник, конспект лекцій, тощо. Не оминула сія доля і мене.
Нема жодних сумнівів втому, що написаний мною підручник не є ідеальним. Напевно, в ньому віднайдуться недоліки, огріхи, недоречності. Однак в ньому є головне – цілісність та системність знань. Як на мене, він є тим підручником, в якому кожний параграф, кожна тема, кожний розділ і вся сукупність цих розділів утворюють цілісну систему взаємопов’язаних та взаємодоповнюючих знань. Підручником, який вчить не зазубрювати формули, а творчо і логічно мислити. Підручником, в якому визначення кожного терміну, формулювання кожного закону, пояснення кожного явища, підпорядковані певній уніфікованій та логічно обгрунтованій схемі..
На жаль, ні в Міністерстві освіти, ні в Інституті інноваційних технологій і змісту освіти, ні в Інституті педагогіки НАПН України не знайшлось жодної не байдужої та фахової людини, яка б дійсно переймалась проблемами сучасної української освіти загалом і фізики зокрема. Тому на всі звернення до цих поважних інституцій я отримав лише нікчемні відписки байдужих та зазвичай шкурно зацікавлених чинуш.
