Чтение онлайн

В результате открытий периода «новейшей революции» в физике проявляются определенные идеологические шатания, которые приводят к созданию новой картины мира в связи с появлением теории относительности.

Важную роль в становлении теории относительности сыграли работы профессора Лейденского университета Гендрика Антона Лоренца (1853–1928). Им было найдено преобразование (так называемое преобразование Лоренца), в котором время играет роль четвертой координаты. Это преобразование позволило объяснить некоторые результаты, полученные при наблюдении оптических и электродинамических явлений. Наряду с теоретическими исследованиями Лоренца, для развития новой физики немаловажное значение имели роль опыты Альберта Майкельсона (1852–1931). Они показали, что скорость света в вакууме является универсальной постоянной. Приблизительно к этому же времени (80-е гг. ХІХ в.) относится критика Эрнестом Махом Ньютоновых понятий абсолютного пространства и абсолютного времени. Все это в совокупности, как и работы французского математика и механика Анри Пуанкаре (1854–1912), объективно послужило основой для создания новой области физики – теории относительности.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн публикует свой знаменитый труд «К электродинамике движущихся тел». Он порывает с ньютоновской концепцией абсолютного пространства и времени. В его формулировке принципы относительности и постоянства скорости света гласили:

1. Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, относятся эти изменения состояния.

2. Каждый луч света движется в покоящейся системе координат с определенной скоростью, независимо от того, испускается ли луч света покоящимся или движущимся телом.

В 1906 г. Макс Планк (1858–1947) применил принцип относительности к уравнениям динамики. Тогда же Эйнштейн опубликовал статью «Принцип сохранения движения центра тяжести и инерция энергии», в которой описал мысленный эксперимент, устанавливающий связь между энергией светового импульса и силой света. В 1908 г. Герман Минковский (1864–1909) предложил геометрическую инженерную теории относительности: мир есть многообразие всех мыслимых значений трех измерений пространства совместно с четвертым измерением – временем.

Следующим шагом в разработке теории относительности стала работа Эйнштейна «Основы общей теории относительности», в которой он сформулировал постулат относительности: законы физики должны быть составлены так, чтобы они были справедливы для произвольно движущейся системы. Общая теория относительности Эйнштейна была опубликована в 1916 г. Ее основные понятия были тесно связаны с проблемой гравитации. В сущности, Эйнштейн пришел к своей общей теории от изучения гравитации. И вот здесь оказалось, что геометрией этой теории является неевклидова геометрия, которую, как известно, первым начал разрабатывать Н. И. Лобачевский. В ее создании принимали участие не только Лобачевский, Бойяи, Бельтрами, но и другие ученые, в том числе Бернгард Риман, Уильям Клиффорд.

Следует заметить, что теория относительности не сразу получила признание. Уж слишком необычным было новое миропонимание: теория относительности заставила по-новому взглянуть на движение электронов, планет и галактик в космическом пространстве.

Начало ХХ в. характеризуется тем, что земная механика продолжает оставаться в рамках, предписанных ей Ньютоном. На протяжении всего 25-летия (1890–1915 гг.) в технике решается ряд очень сложных задач эпохального значения. Был создан двигатель Дизеля, разработана удобная в эксплуатации форма паровых турбин, сконструирован автомобиль и найден способ использования электроэнергии для нужд транспорта. Было изобретено радио, человек поднялся в воздух на аппарате тяжелее воздуха, и началось быстрое развитие авиации. Машиностроение поставляло на рынок все новые и новые модели, усовершенствовались и изобретались новые машины для обработки металлов. Все это определяло направления исследований в прикладной математике и прикладной механике.

Интересны работы в области аэромеханики Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина, которые, в частности, развили теоретическую аэродинамику, в том числе теорию профиля крыла самолета. Эти ученые работали также в областях гидродинамики и газовой динамики, в которых им удалось создать основополагающие труды. В аэродинамике существенные результаты были получены Фредериком Ланчестером (1878–1946) и Вильгельмом Кутта (1867–1944), а также Людвигом Прандтлем (1875–1953). Именно последний развил учение о турбулентном течении и теорию пограничного слоя.

Одним из направлений научной деятельности Н.Е.Жуковского была механика машин, где его теорема о жестком рычаге является одним из самых элегантных методов кинетостатики. Ученик Жуковского – Н. И. Мерцалов (1866–1948) написал курс прикладной механики, в котором впервые с исчерпывающей полнотой были освещены вопросы динамики машин. Курс этот был издан в 1904 г. и переиздан 1914–1916 гг.

Основы динамики тела переменной массы заложил чешский ученый Георг фон Бюкуа еще в 1812–1814 гг. Однако в то время исследования его не получили дальнейшего развития. Позже некоторые задачи в этом направлении были решены английскими учеными Кэйли, Раусом и др.

Существенный вклад в развитие теории механики тела с переменной массой сделали русские ученые К. Э. Циолковский и И. В. Мещерский. Мещерским и коллективом преподавателей механики Петербургского политехнического института был написан «Задачник по курсу теоретической механики», который был переведен на несколько языков и который использовался вплоть до настоящего времени. Этот задачник считается лучшим пособием в мировой учебной литературе и механике.

Период, охватывающий начало ХХ в., оказался чрезвычайно плодотворным в истории теоретической и прикладной механики. Именно в эти годы были высказаны многие идеи, развитые впоследствии в целые научные направления. Некоторые из этих идей и открытий не укладывались в рамки классической науки и стали теми «катализаторами», с которых началась коренная перестройка в естествознании.

Для механики первых двух десятилетий ХХ в. характерен повышенный интерес к сравнительно небольшому числу проблем: аэродинамике, гидродинамике, теории рабочих машин, неголономной механике. Объясняется это, особенно для России, тем, что было необходимо быстрое решение технических проблем, прикладная же наука требовала капиталовложений, которые были весьма ограничены, а вот теоретическая наука могла развиваться и при минимальных затратах. Между тем большинство направлений механики в первой половине ХХ в. уже достигло в своем развитии такого состояния, когда нужны были не только идеи, но и материальная база для их претворения. В частности, так обстояло дело с авиацией, на которую не жалели средств, ибо польза от такого капиталовложения была очевидной.

Исследованиями в области аэродинамики занимались многие ученые. Во Франции был организован институт механики, директор которого Анри Вилла, поставил и решил ряд задач современной аэродинамики. Работы французских ученых в этом направлении были подготовлены трудами Буссинеска, Пуанкаре, Адамара. Буссинеск изучал вопросы гидродинамики в самом широком диапазоне: течение жидкости в открытых и закрытых каналах, движение подземных вод, давление в жидкости и др. Жак Адамар (1865–1963) занимался проблемой распространения волн и развил ее математический аппарат – теорию уравнений в частных производных.

Возрождение интереса к механике машин приблизительно в эти же годы происходит в Германии. После выхода в свет монографии Виттенбауэра «Графическая динамика» (1923 г.) основным исследовательским направлением становится синтез механизмов по Бурместеру. На основе работ Бурместера, Грюбрела и Миллера профессор Дрезденской высшей технической школы Г. Альт развивает геометрический метод синтеза плоских механизмов. Синтез механизмов – способы создания новых механизмов для воспроизведения требуемых законов движения – становится одной из важнейших задач механики машин. Делается попытка разработать такой метод синтеза, который можно было бы выполнить путем ряда проб (эмпирический метод Рау, развитый немецкими учеными). Сочетая методы Ассура и Бурместера, в СССР машиноведы начинают вести поиски новых способов анализа и синтеза механизмов. В середине 1930-х годов Н. Н. Артоболевский (1905–1977) создает научную школу в области теории механизмов и машин. Впервые на рубеже механики и теоретических основ машиностроения возникло новое научное направление, использующее в равной степени теорию и эксперимент, а также классическое наследие Эйлера, Карно, Д’Ламбера и Монжа.