.                        Передмова.

Не буде перебільшенням сказати, що в системі наукових знань про Природу не було, нема і не буде більш важливої, значимої та всеосяжної навчальної дисципліни ніж фізика. Бо фізика, це і про Всесвіт, і про галактики, і про зірки, і про планети, і про життя, і про людину, і про клітину, і про молекули, і про атоми, і про елементарні частинки та  поля, і про все різноманіття властивостей твердих, рідких та газоподібних речовин, і про все різноманіття існуючих та ще не існуючих машин, механізмів та приладів, і про теперішнє, минуле та майбутнє, і взагалі про все що було, є і буде.

Бо вивчаючи фізику, ви по суті вивчаєте і хімію, і біологію, 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 у фізиці, всі ці фрагменти стають єдиним цілим і отримують своє узагальнено цілісне пояснення.

Фізика настільки всеосяжна, що її вивчають у два етапи. На першому, ознайомчому етапі, ви  ознайомилися з загальними основами фізики, а точніше з основами тих її розділів, які називаються ньютонівською механікою, молекулярною фізикою, електродинамікою, оптикою та фізикою атома і атомного ядра. На цьому етані ви отримали певні базові знання з відповідних розділів і тем. Отримали певні навички розв’язування задач, а по суті навички застосування теоретичних знань на практиці. Отримали певні навички проведення лабораторних робіт, а по суті, проведення тих експериментальних досліджень, які перевіряють достовірність отриманих теоретичних знань.

На разі ж ми починаємо другий етап вивчення фізики. На цьому етапі ми будемо стисло повторювати раніше вивчене, доповнювати це вивчене новими знаннями, поглиблювати, систематизувати і узагальнювати ці знання, та представляти їх у вигляді цілісної системи знань, яка і називається фізикою – наукою про Природу.

І почнемо другий етап вивчення фізики з вже вам знайомого розділу «Механіка». А варто зауважити, що в межах навчальної програми для 7-го класу, ви ознайомилися лише з основами тієї частини механіки, яка називається механікою матеріальної точки, а по суті – механікою поступального руху. В реальності ж механіка вивчає параметри, закономірності та причини не лише поступального руху, а й руху обертального. Крім цього, важливими складовими механіки є механіка рідин та газів, механіка коливань та хвиль, тощо.

Загалом же механіка, це надзвичайно важливий розділ фізики. Важливий по перше тому, що ті знання які ви отримуєте в процесі вивчення механіки, так чи інакше застосовуються і в молекулярній фізиці, і в електродинаміці, і в оптиці, і в фізиці атома та атомного ядра, і в теорії відносності, і в космології. А по друге, визначальна важливість і складність механіки полягає в тому, що саме в механіці учні вчаться розв’язувати задачі, а по суті вчаться застосовувати теоретичні знання на практиці. А таке навчання не є і не може бути швидким. Тому до вивчення механіки ви маєте поставитися з належною відповідальністю.

.

Зміст.

Розділ 1. Механіка.

§1. Про фізичний метод досліджень, або про те, як відрізняють правильні теорії від неправильних.

§2. Загальні відомості про наукові теорії загалом та ньютонівську механіку зокрема.

Тема 1.1. Кінематика.

§3. Кінематика. Основні поняття кінематики.

§4. Основні фізичні величини кінематики поступального руху.

§5. Загальні відомості щодо методики розв’язування задач фізики. Розв’язування задач. Тема: Визначення середньої швидкості руху тіла.

§6. Рівняння руху – основний закон кінематики.

§7. Графічний метод розв’язування задач кінематики.

§8. Вільне падіння тіл. Рух тіла кинутого вертикально.

§9. Рух тіла кинутого горизонтально та під кутом до горизонту.

§10. Рух матеріальної точки по колу. Доцентрове прискорення.

§11. Основні поняття, величини та закони кінематики обертального руху.

§12. Рівняння обертального руху. Про співвідношення між лінійними та кутовими параметрами обертального руху.

§13. Розв’язування задач. Тема: Кінематика обертального руху.

Тема 1.2. Статика.

§14. Статика. Основні поняття, величини та закони статики.

§15. Про додавання векторних величин, або про те, чи завжди 2 + 2 = 4?

§16. Сила тяжіння. Реакція опори. Загальні відомості щодо розв’язування задач статики.

§17. Сила тертя.

§18. Розв’язування задач. Тема: Силовий метод розв’язування задач статики.

§19. Сила інерції.

§20. Розв’язування задач. Тема: Силовий метод розв’язування задач динаміки.

§21. Про вагу та невагомість.

§22. Про силу Архімеда, або про те, що важче кілограм заліза чи кілограм пір’я?

§23. Закон всесвітнього тяжіння. Про силу гравітаційну та силу тяжіння.

§24. Розв’язування задач. Тема: Закон всесвітнього тяжіння.

§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.

Тема 1.3. Динаміка.

§31. Принцип відносності, інерціальні та неінерціальні системи відліку.

§32. Закони Ньютона – теоретична основа механіки.

§33. Імпульс. Закон збереження імпульсу. Реактивний рух.

§34. Розв’язування задач. Тема: Закон збереження імпульсу.

§35. Енергія. Кінетична та потенціальна енергія.

§36. Закон збереження енергії.

§37. Розв’язування задач. Тема: Імпульсно-енергетичний метод розв’язування задач динаміки.

§38. Робота. Механічна робота.

§39. Потужність. Коефіцієнт корисної дії.

§40. Момент інерції – міра інерціальних властивостей тіла при його обертальному русі.

§41. Момент імпульсу. Закон збереження моменту імпульсу.

§42. Кінетична енергія тіла що обертається.

§43. Закони Ньютона в механіці обертального руху.

Тема 1.4. Механіка коливань та хвиль. 

§44. Загальні відомості про коливання.

§45. Періодичні коливання та їх характеристики. Рівняння гармонічного коливання.

§46. Фізичний, математичний та пружинний маятники.

§47. Крутильний маятник. Маятник Максвела.

§48. Розв’язування задач. Тема: Механічні коливання.

§49. Автоколивання.

§50. Вимушені коливання. Резонанс.

§51. Загальні відомості про хвилі.

§52. Звукові хвилі.

Тема 1.5. Механіка рідин та газів.

§53. Тиск. Закон Паскаля. Закон Архімеда.

§54. Розв’язування задач. Тема: Механіка рідин та газів.

§55. Загальні відомості про гідродинаміку.

§56. Закон Бернуллі – основний закон механіки рідин та газів.

§57. Практичне застосування закону Бернуллі. Піднімальна сила крила. Ефект Магнуса.

§58. Механічна картина світу.

.

Розділ 1. Механіка.

.

§1. Про фізичний метод досліджень, або про те, як відрізняють правильні теорії від неправильних.

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, вважалися науковою істинною в останній інстанції.

Аристотель безумовно був видатним вченим. Він не лише зібрав, творчо опрацював і систематизував 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 геометрії, 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, але майже ніколи не перевіряв їх на практиці. І ось результат, майже всі його теорії виявилися хибними.

Показовим прикладом логічно обгрунтованої, але в реальності хибної теорії, є погляди Аристотеля про закономірності падіння тіл. Сьогодні важко сказати в результаті якої послідовності міркувань, Аристотель дійшов висновку, що 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 має падати швидше за кілограмову.

Мал.1. Аристотель: оскільки важкий камінь падає швидше за легку пір’їну, то швидкість падіння тіла залежить від його маси.

В це важко повірити, але протягом вісімнадцяти століть!!!, жоден вчений не спростував це очевидно не правильне твердження. Адже люди не могли не помічати факту того, що легкий камінчик і важкий камінь падають однаково швидко, точніше – з однаковим прискоренням. І тим не менше, сліпо довіряючи авторитету Аристотеля та дедуктивному методу доведення істин, тогочасні вчені були схильні вважати, що в науці критерієм істини є не експеримент, а логічність пояснень. Прямим наслідком такого підходу до вирішення наукових проблем став факт того, що за ті вісімнадцять століть які минули після Аристотеля, наука не мала суттєвих досягнень.

Лише в 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 експериментальні дослідження, 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. Адже сьогодні кожен знає: якщо експериментальні факти суперечать передбаченням теорії, значить теорія хибна. Але те, що здається очевидним сьогодні, було зовсім не очевидним 400 років тому. Неочевидним по-перше тому, що в тогочасній науці правильним вважалося 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.2. Галілей: Якщо експериментальні факти суперечать передбаченням теорії – значить теорія хибна.

Оскільки в часи Галілея логіці дедуктивного методу вчені довіряли більше, ніж власним очам, то Галілею потрібно було не просто навести експериментальні докази того, що теорія Аристотеля є хибною, 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 очевидний: 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, ніж важкого та щільного каменю. Переконатись в достовірності такого твердження не важко. Для  цього потрібно взяти простий прилад, який називається «вакуумна трубка» (мал.3). Видаливши із цієї трубки повітря ви неодмінно з’ясуєте, що в безповітряному просторі легка пір’їнка і важка свинцева куля, падають однаково швидко.

Мал.3. В безповітряному просторі (вакуумі) легка пір’їнка і важка свинцева куля падають однаково швидко.

Геніальність Галілея полягає не лише в тому, що він першим почав експериментально перевіряти сумнівні теорії, а й 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 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 під дією сили тяжіння всі тіла падають однаково швидко (з однаковим прискоренням), 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.

Історія розвитку наукових методів пізнання Природи, може слугувати яскравим прикладом тієї ролі, яку відіграють в процесі еволюційного розвитку людства певні особистості. Ви тільки подумайте. У своєму   науковому розвитку, цивілізоване людство майже дві тисячі років йшло шляхом, який здавався логічно обгрунтованим та єдино правильним. От тільки результат цього походу був практично нульовим. І от питання: а скільки б ще продовжувався 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?

Завершуючи розмову про роль експерименту в процесі наукового пізнання Природи, наголосимо на тому, що при вивченні фізики, кожна демонстрація, кожен експеримент, кожна лабораторна робота, мають підпорядковуватися основній меті – підтвердженню правильності того чи іншого фрагменту теорії.

Звісно, говорячи про експериментальну перевірку правильності теорії, маємо на увазі не перевірку якихось глобальних теоретичних передбачень, а експериментальну перевірку того чи іншого конкретного твердження, яке явно чи опосередковано формулювалося в процесі вивчення фізики. Наприклад демонструючи факт того, що важке і легке тіло падають однаково швидко (з однаковим прискоренням), ви наводите експериментальний доказ правильності відповідного наукового твердження. Навіть факт того, що олівець падає швидше за аркуш паперу, потрібно розглядати як можливість довести, що на швидкість падіння розгорнутого аркушу суттєво впливає опір повітря, і що величину цього опору можна зменшити шляхом зминання аркушу.

Контрольні запитання.

1. В чому суть дедуктивного методу досліджень?
2. Який головний недолік дедуктивного методу досліджень?
3. Застосовуючи дедуктивний метод доведіть, що твердження «важкі тіла мають падати швидше за легкі», є логічно суперечливим.
4. В чому суть фізичного методу досліджень?
5. Чому в реальних умовах пір’їна падає повільніше аніж камінь?
6. Чому ми стверджуємо, що фізичний метод досліджень є гарантом достовірності фізичних теорій?
7. Поясніть суть формули експеримент + теорія + експеримент = істина.

.

§2. Загальні відомості про наукові теорії загалом та ньютонівську механіку зокрема.

Не буде перебільшенням сказати, що процес вивчення фізики є свідомим і ефективним лише  тому, що основою цього процесу є певна система достовірних знань, яку називають науковою теорією. Без теорії фізика неминуче перетворилась би на купу обособлених експериментальних фактів, розібратися в різноманітті яких практично не можливо.  І не тому, що ці факти є надто складними, а тому, що їх надто багато. Виходячи з цього фізика вивчається і має вивчатися не як певна сукупність окремих фактів та законів, а як певна система знань, в якій наукова теорія посідає провідне місце.

Перша наукова система достовірних знань була створена видатним англійським фізиком Ісаком Ньютон (1642–1727). В кінці 17-го століття,  спираючись на науковий спадок Галілея та реалізуючи на практиці фізичний метод наукових досліджень, Ньютон на основі декількох базових тверджень, зокрема закону всесвітнього тяжіння та трьох законів Ньютона, створив першу систему достовірних знань (наукову теорію), яку прийнято називати механікою (від грецького mechanike – наука про машини), ньютонівською механікою, або просто – теорією Ньютона.

Мал.4. В кінці 17-го століття Ньютон створив першу наукову систему знань – ньютонівську механіку.

Що ж представляє собою наукова теорія загалом і ньютонівська механіка зокрема? Перш за все зауважимо, що ми говоримо про наукові теорії, а не про ту маячню, яка не має жодного відношення ні до науки ні до реальності, і яку різноманітні «дослідники» паранормальних явищ, доктори і академіки нетрадиційних «наук», називають «теоріями». Ми навіть не говоримо про ті умовно наукові, значною мірою суб’єктивні судження, які стосуються питань політики, історії, соціології, психології, тощо і які також називають теоріями.

В безумовно ж науковому сенсі, наукова 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. Аналізуючи дане  визначення можна сказати наступне.

1. Теорія – це система знань. Це означає, що теорія на основі певних базових тверджень, системно пояснює широке коло споріднених явищ. Наприклад ньютонівська механіка, на основі тих базових тверджень які називаються законом всесвітнього тяжіння і законами Ньютона пояснює механічну поведінку незліченної кількості об’єктів та їх систем, починаючи від піщинок, камінців та м’ячів, і закінчуючи планетами, кометами, астероїдами, зірками і галактиками. Починаючи від простих механізмів як то важелі, шківи та похилі площини, і закінчуючи механікою автомобілів, літаків та океанських лайнерів. Більше того, на основі ньютонівської механіки пояснюються не лише сугубо механічні явища, а й явища теплові, звукові, сейсмічні, тощо. І все це різноманіття пояснюється на основі декількох простих базових тверджень: трьох законів Ньютона та закону всесвітнього тяжіння.
2. Теорія – це система достовірних знань. Говорячи про достовірність наукової теорії, мають на увазі виконання сукупності трьох 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 суперечить даній теорії;  3) значна частина передбачень даної теорії має достовірне експериментальне підтвердження. Варто зауважити, що ті науково обгрунтовані теорії які ще не отримали експериментального підтвердження, прийнято називати науковими гіпотезами.

Вище сказане по суті означає, що для спростування будь якої наукової теорії чи будь якого наукового закону, достатньо навести бодай один експериментальний факт, який суперечить цьому закону чи цій теорії. 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».

Інша справа, що будь яка з до сих пір відомих наукових теорій, має певні межі своєї достовірності. Наприклад ньютонівська механіка не може пояснити електричні, магнітні, оптичні та ядерні явища. Пояснити хімічні властивості речовин, 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.

3. Теорія – це така система знань, яка не лише пояснює відомі явища та минулі події, а й дозволяє кількісно передбачити хід майбутніх подій, передбачити існування нових об’єктів і явищ. Скажімо, ньютонівська механіка не лише пояснює рух планет Сонячної системи, а й дозволяє гарантовано точно передбачати їх майбутню механічну поведінку. Передбачати майбутні сонячні та місячні затемнення, паради планет, час і місце появи комет, тощо. Дозволяє на основі аналізу поведінки відомих космічних об’єктів, визначати параметри інших об’єктів, відкривати до того невідомі об’єкти. Наприклад на основі аналізу поведінки планети Уран, було теоретично передбачено існування восьмої планети Сонячної системи (планета Нептун). І ця планета виявилася саме в тому місці на яке вказувала теорія Ньютона.

Про важливість прогнозуючих властивостей теорії говорить і те, що теорія, яка не вміє робити точних передбачень, принципово не може стати науковою теорією. Адже в науці єдиним способом перевірки достовірності теорії, є  перевірка достовірності її передбачень. При цьому, якщо бодай одне з цих передбачень не справджується, то це означає що відповідна теорія  хибна.

Втім, наука влаштована таким чином, що в ній кожна нова теорія є еволюційним продовженням попередньої. І це закономірно, адже будь яка наукова теорія спирається на непохитний фундамент тих експериментальних фактів які підтверджують достовірність цієї теорії. І заперечувати достовірність відповідної теорії, це ніби заперечувати достовірність тих експериментальних фактів які цю теорію підтверджують. Тому в науці будь яка нова наукова теорія є певним уточненим варіантом попередньої теорії. Наприклад, коли на початку двадцятого століття на зміну ньютонівській механіці прийшла теорія відносності, то вона не «відмінила» теорію Ньютона, а стала її діалектичним продовженням, її якісно новим станом.

Характеризуючи процес розвитку науки, видатний французький вчений Анрі Пуанкаре (1854–1912) писав: «Розвиток науки потрібно порівнювати не з перебудовою міста, де старі будинки безжально руйнуються і на їх місці з’являються нові, а з еволюційним розвитком зоологічних видів».

4. Теорія – це система знань, яка пояснює певну групу споріднених явищ. Це означає, 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. Молекулярна фізика – 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 і теорія відносності. Але фізична і математична суть цих теорій по перше досить складна, а по друге, стає зрозумілою лише після вивчення 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 на основі відповідних наукових теорій 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) теорія відносності;

8) космологія.

Оскільки в межах даного навчального року, ми будемо поглиблено вивчати основи ньютонівської механіки, то буде логічним, якщо це вивчення почнемо з загальної характеристики саме цього розділу фізики.

Механіка (ньютонівська механіка) – це розділ фізики, в якому вивчаються параметри, закономірності та причини механічного руху тіл в усіх його проявах, за умови що  швидкість цього руху значно менша за швидкість світла (300 000 км/год). Предметом вивчення  механіки є механічні рухи та механічні взаємодії тіл.

Механічними рухами називають такі  процеси (рухи) при яких тіло як єдине ціле (або певні цілісні фрагменти тіла) переміщується відносно інших тіл. При цьому однією з різновидностей механічного руху є такий рух, швидкість якого дорівнює нулю. Цю різновидність руху називають механічним спокоєм. Крім цього, різновидністю механічного руху тіла є його механічна деформація, тобто та чи інша зміна форми або розмірів тіла, що відбувається під дією певної сили.

Механічними рухами є і ті коливання пружного середовища, які прийнято називати хвилями. Наприклад хвилі на поверхні води та ті хвилі які називаються звуком, є певними різновидностями механічного руху. 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, та всі види механічних коливань середовища (хвиль).

Механічними взаємодіями називають ті матеріальні контакти (взаємодії), які виникають між тілами і результатом яких є зміна швидкості руху тіл (частин тіла) або їх деформація. Кількісною мірою взаємодії тіл є фізична величина яка називається силою.

В механіці говорячи про тіла, мають 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 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 цікавитися тим, чому деформована пружина штовхає тіло? Чому повітряно-бензинова суміш в процесі згорання штовхає поршень двигуна? Яка причина появи сили тертя, сили опору повітря, сили пружності, сили тяги автомобіля, м’язової сили людини, тощо. В механіці просто констатується факт того, що причиною зміни швидкості руху тіла і причиною його пружної деформації є певна механічна дія на це тіло іншого фізичного об’єкту, і що мірою цієї дії є фізична величина, яка називається силою.

Теоретичною основою механіки є три закони Ньютона та закон всесвітнього тяжіння. Це означає, що на базі цих законів, можна кількісно пояснити практично все різноманіття механічних явищ. Однак 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.

Якщо ж говорити про ту технологію яка дозволяє системно вивчити і пояснити неймовірне різноманіття тих об’єктів і процесів які є предметом вивчення фізики загалом і механіки зокрема, то суть цієї технології полягає в наступному. Складні об’єкти і 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 об’єктів і явищ.

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. І все це різноманіття можна представити як певну комбінацію двох простих складових: рух поступальний та рух обертальний.

З іншого боку, поступальний рух тіла може мати надзвичайно складну траєкторію. Але якою б складною не була ця траєкторія, її завжди можна розкласти на прямолінійні відрізки. А це означає, що вивчивши параметри та закономірності прямолінійного руху тіла, можна описати і будь який криволінійний рух. Або наприклад, будь яку криволінійну траєкторію, можна представити як певну сукупність фрагментів кіл. А це означає, що вивчивши параметри та закономірності руху тіла по колу, можна описати і рух тіла по будь якій криволінійній траєкторії.

Вище сказане означає, що знаючи параметри і закономірності прямолінійного руху тіла, та його руху по колу, можна описати практично будь який механічний рух тіла. Власне тому в межах програми загальноосвітньої школи вивчення механіки по суті зводиться до вивчення загальних параметрів та закономірностей прямолінійного руху тіла, та його руху по колу.

На завершення додамо, що прагнучи певним чином систематизувати процес вивчення механіки, її умовно розділяють на п’ять базових теми:

1. Кінематика
2. Статика
3. Динаміка
4. Механіка коливань.
5. Механіка рідин та газів.

Контрольні запитання.

1. Що називають науковою теорією?
2. Чим наукова теорія відрізняється від наукової гіпотези?
3. Що означає твердження: теорія – це система знань?
4. Що означає твердження: теорія – це система достовірних знань?
5. Що означає твердження: теорія має певні межі своєї достовірності?
6. В чому важливість прогнозуючих властивостей теорії?
7. Що означає твердження: кожна нова наукова теорія є еволюційним продовженням попередньої теорії?
8. Що є предметом вивчення механіки?
9. Що називають механічним рухом?
10. Чи є механічна деформація тіла, механічним рухом цього тіла?
11. Чи є звук різновидністю механічного руху?
12. Які фізичні об’єкти називають тілами?