História da mecânica clássica - History of classical mechanics
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Este artigo trata da história da mecânica clássica .
Precursores da mecânica clássica
Antiguidade
Os antigos filósofos gregos , Aristóteles em particular, estiveram entre os primeiros a propor que princípios abstratos governam a natureza. Aristóteles argumentou, em Sobre os Céus , que os corpos terrestres sobem ou descem ao seu "lugar natural" e afirmou como uma lei a aproximação correta de que a velocidade de queda de um objeto é proporcional ao seu peso e inversamente proporcional à densidade do fluido que é caindo entre. Aristóteles acreditava na lógica e na observação, mas demoraria mais de 1.800 anos até que Francis Bacon desenvolvesse pela primeira vez o método científico de experimentação, que ele chamou de aborrecimento da natureza .
Aristóteles viu uma distinção entre "movimento natural" e "movimento forçado", e ele acreditava que "no vazio", isto é , no vácuo , um corpo em repouso permanecerá em repouso e um corpo em movimento continuará a ter o mesmo movimento. Desta forma, Aristóteles foi o primeiro a abordar algo semelhante à lei da inércia. No entanto, ele acreditava que um vácuo seria impossível porque o ar circundante correria para preenchê-lo imediatamente. Ele também acreditava que um objeto pararia de se mover em uma direção não natural assim que as forças aplicadas fossem removidas. Mais tarde, os aristotélicos desenvolveram uma explicação elaborada para o motivo pelo qual uma flecha continua a voar pelo ar depois de ter saído do arco, propondo que uma flecha cria um vácuo em seu rastro, no qual o ar corre, empurrando-o por trás. As crenças de Aristóteles foram influenciadas pelos ensinamentos de Platão sobre a perfeição dos movimentos uniformes circulares dos céus. Como resultado, ele concebeu uma ordem natural em que os movimentos dos céus eram necessariamente perfeitos, em contraste com o mundo terrestre de elementos mutáveis, onde os indivíduos passam a existir e morrem.
Há outra tradição que remonta aos gregos antigos, onde a matemática é usada para analisar a natureza; exemplos incluem Euclides ( Óptica ), Arquimedes ( No Equilíbrio de Planos , Em Corpos Flutuantes ) e Ptolomeu ( Óptica , Harmônicos ). Mais tarde, estudiosos islâmicos e bizantinos desenvolveram essas obras e, em última análise, elas foram reintroduzidas ou tornaram-se disponíveis para o Ocidente no século 12 e novamente durante a Renascença .
Pensamento medieval
O polímata islâmico persa Ibn Sīnā publicou sua teoria do movimento no Livro da Cura (1020). Ele disse que um ímpeto é dado a um projétil pelo lançador e o considerou persistente, exigindo forças externas, como a resistência do ar, para dissipá-lo. Ibn Sina fez distinção entre 'força' e 'inclinação' (chamada de "mayl"), e argumentou que um objeto ganhou mayl quando o objeto está em oposição ao seu movimento natural. Assim, ele concluiu que a continuação do movimento é atribuída à inclinação que é transferida para o objeto, e esse objeto estará em movimento até que o mayl se esgote. Ele também afirmou que o projétil no vácuo não pararia a menos que recebesse uma ação. Essa concepção de movimento é consistente com a primeira lei do movimento de Newton, a inércia. Que afirma que um objeto em movimento permanecerá em movimento a menos que seja acionado por uma força externa. Essa ideia que divergia da visão aristotélica foi mais tarde descrita como "ímpeto" por John Buridan , que foi influenciado pelo Livro de Cura de Ibn Sina .
No século 12, Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi adotou e modificou a teoria de Avicena sobre o movimento do projétil . Em seu Kitab al-Mu'tabar , Abu'l-Barakat afirmou que o motor transmite uma inclinação violenta ( mayl qasri ) ao movido e que isso diminui à medida que o objeto em movimento se distancia do motor. De acordo com Shlomo Pines , a teoria do movimento de al-Baghdaadi era "a negação mais antiga da lei dinâmica fundamental de Aristóteles [a saber, que uma força constante produz um movimento uniforme], [e é, portanto, uma] antecipação vaga do fundamental lei da mecânica clássica [a saber, que uma força aplicada continuamente produz aceleração]. " No mesmo século, Ibn Bajjah propôs que para cada força há sempre uma força de reação. Embora ele não tenha especificado que essas forças sejam iguais, ainda é uma versão inicial da terceira lei do movimento, que afirma que para cada ação há uma reação igual e oposta.
No século 14, o padre francês Jean Buridan desenvolveu a teoria do ímpeto , com possível influência de Ibn Sina. Albert , bispo de Halberstadt , desenvolveu ainda mais a teoria.
Formação da mecânica clássica
O desenvolvimento do telescópio de Galileu Galilei e suas observações desafiaram ainda mais a ideia de que os céus foram feitos de uma substância perfeita e imutável. Adotando a hipótese heliocêntrica de Copérnico , Galileu acreditava que a Terra era igual aos outros planetas. Embora a realidade do famoso experimento da Torre de Pisa seja contestada, ele realizou experimentos quantitativos rolando bolas em um plano inclinado ; sua teoria correta do movimento acelerado foi aparentemente derivada dos resultados dos experimentos. Galileu também descobriu que um corpo lançado verticalmente atinge o solo ao mesmo tempo que um corpo projetado horizontalmente, de modo que uma Terra girando uniformemente ainda terá objetos caindo ao solo sob a gravidade. Mais significativamente, afirmou que o movimento uniforme é indistinguível do repouso e, portanto, constitui a base da teoria da relatividade. Exceto no que diz respeito à aceitação da astronomia copernicana, a influência direta de Galileu na ciência no século 17 fora da Itália provavelmente não foi muito grande. Embora sua influência sobre leigos educados na Itália e no exterior fosse considerável, entre os professores universitários, exceto para alguns que eram seus próprios alunos, era insignificante.
Entre a época de Galileu e Newton, Christiaan Huygens foi o mais importante matemático e físico da Europa Ocidental. Ele formulou a lei de conservação para colisões elásticas, produziu os primeiros teoremas da força centrípeta e desenvolveu a teoria dinâmica dos sistemas oscilantes. Ele também fez melhorias no telescópio, descobriu a lua de Saturno, Titã, e inventou o relógio de pêndulo. Sua teoria ondulatória da luz, publicada no Traite de la Lumiere , foi posteriormente adotada por Fresnel na forma do princípio de Huygens-Fresnel .
Sir Isaac Newton foi o primeiro a unificar as três leis do movimento (a lei da inércia, sua segunda lei mencionada acima e a lei da ação e reação) e a provar que essas leis governam os objetos terrestres e celestes. Newton e a maioria de seus contemporâneos esperavam que a mecânica clássica fosse capaz de explicar todas as entidades, incluindo (na forma de óptica geométrica) a luz. A própria explicação de Newton sobre os anéis de Newton evitou os princípios das ondas e supôs que as partículas de luz foram alteradas ou excitadas pelo vidro e ressoaram.
Newton também desenvolveu o cálculo necessário para realizar os cálculos matemáticos envolvidos na mecânica clássica. No entanto, foi Gottfried Leibniz quem, independentemente de Newton, desenvolveu um cálculo com a notação da derivada e da integral que são usados até hoje. A mecânica clássica mantém a notação de ponto de Newton para derivadas de tempo.
Leonhard Euler estendeu as leis de movimento de Newton de partículas para corpos rígidos com duas leis adicionais . Trabalhar com materiais sólidos sob forças leva a deformações que podem ser quantificadas. A ideia foi articulada por Euler (1727), e em 1782 Giordano Riccati começou a determinar a elasticidade de alguns materiais, seguido por Thomas Young . Simeon Poisson expandiu o estudo para a terceira dimensão com o coeficiente de Poisson . Gabriel Lamé baseou-se no estudo para garantir a estabilidade das estruturas e introduziu os parâmetros Lamé . Esses coeficientes estabeleceram a teoria da elasticidade linear e deram início ao campo da mecânica do contínuo .
Depois de Newton, as reformulações permitiram progressivamente soluções para um número muito maior de problemas. O primeiro foi construído em 1788 por Joseph Louis Lagrange , um matemático italiano - francês . Na mecânica Lagrangiana, a solução usa o caminho de menor ação e segue o cálculo das variações . William Rowan Hamilton reformulou a mecânica Lagrangiana em 1833. A vantagem da mecânica hamiltoniana era que sua estrutura permitia um exame mais aprofundado dos princípios subjacentes. A maior parte da estrutura da mecânica hamiltoniana pode ser vista na mecânica quântica, no entanto, os significados exatos dos termos diferem devido aos efeitos quânticos.
Embora a mecânica clássica seja amplamente compatível com outras teorias da " física clássica ", como a eletrodinâmica clássica e a termodinâmica , algumas dificuldades foram descobertas no final do século 19 que só poderiam ser resolvidas por uma física mais moderna. Quando combinada com a termodinâmica clássica, a mecânica clássica leva ao paradoxo de Gibbs em que a entropia não é uma quantidade bem definida. Quando os experimentos alcançaram o nível atômico, a mecânica clássica falhou em explicar, mesmo aproximadamente, coisas básicas como os níveis de energia e os tamanhos dos átomos. O esforço para resolver esses problemas levou ao desenvolvimento da mecânica quântica. Da mesma forma, o comportamento diferente do eletromagnetismo clássico e da mecânica clássica sob transformações de velocidade levou à teoria da relatividade .
Mecânica clássica na era contemporânea
No final do século 20, a mecânica clássica da física não era mais uma teoria independente. Junto com o eletromagnetismo clássico , ele se tornou parte da mecânica quântica relativística ou da teoria quântica de campos . Ele define o limite da mecânica não relativística e não quântica para partículas massivas.
A mecânica clássica também foi uma fonte de inspiração para os matemáticos. A compreensão de que o espaço de fase na mecânica clássica admite uma descrição natural como uma variedade simplética (na verdade, um feixe cotangente na maioria dos casos de interesse físico) e topologia simplética , que pode ser pensada como o estudo de questões globais da mecânica hamiltoniana, tem sido uma área fértil de pesquisa matemática desde os anos 1980.
Veja também
Notas
Referências
- Truesdell, C. (1968). Ensaios de História da Mecânica . Berlim, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg . ISBN 9783642866470.
- Maddox, René Dugas; prefácio de Louis de Broglie; traduzido para o inglês por JR (1988). Uma história da mecânica (Dover ed.). Nova York: Dover Publications . ISBN 0-486-65632-2.
- Buchwald, Jed Z .; Fox, Robert, eds. (2013). The Oxford handbook of the history of physics (First ed.). Oxford: Oxford University Press . pp. 358–405. ISBN 9780199696253.