الميكانيكا الكلاسيكية

ما هي الميكانيكا الكلاسيكية؟

تتعامل الميكانيكا الكلاسيكية مع حركة الأجسام تحت تأثير القوى أو مع توازن الأجسام، عندما تكون جميع القوى متوازنة، إذ قد يُنظر إلى هذا الموضوع على أنه وضع وتطبيق للمسلمات الأساسية التي أعلنها أولاً إسحاق نيوتن في كتابه (Philosophiae Naturalis Principia) ):Mathematica)، المعروف باسم (Principia).

هذه الافتراضات التي تسمى قوانين نيوتن للحركة، حيث يمكن استخدامها للتنبؤ بدقة كبيرة بمجموعة واسعة من الظواهر التي تتراوح من حركة الجسيمات الفردية إلى تفاعلات الأنظمة شديدة التعقيد.

في إطار الفيزياء الحديثة يمكن فهم الميكانيكا الكلاسيكية على أنها تقريب ناشئ عن قوانين أكثر عمقًا لميكانيكا الكم ونظرية النسبية ومع ذلك، فإن وجهة النظر هذه حول مكان الموضوع تقلل إلى حد كبير من أهميتها في تكوين سياق ولغة وحدس العلم والعلماء الحديثين.

إن نظرتنا الحالية إلى العالم ومكان الإنسان فيه متجذرة بقوة في الميكانيكا الكلاسيكية، علاوة على ذلك تبقى العديد من أفكار ونتائج الميكانيكا الكلاسيكية وتلعب دورًا مهمًا في الفيزياء الجديدة.

مفاهيم الميكانيكا الكلاسيكية:

المفاهيم المركزية في الميكانيكا الكلاسيكية هي القوة والكتلة والحركة، إذ لم يتم تحديد القوة ولا الكتلة بوضوح شديد من قبل نيوتن، وكلاهما كان موضوع تكهنات فلسفية كثيرة منذ نيوتن، وكلاهما معروف بآثارهما.

الكتلة هي مقياس لميل الجسم لمقاومة التغيرات في حالة حركته، من ناحية أخرى تعمل القوى على تسريع الأجسام؛ أي أنها تغير حالة حركة الأجسام التي يتم تطبيقها عليها، إذ تفاعل هذه التأثيرات هو الموضوع الرئيسي للميكانيكا الكلاسيكية.

على الرغم من أن قوانين نيوتن تركز الانتباه على القوة والكتلة إلا أن ثلاث كميات أخرى لها أهمية خاصة؛ لأن مقدارها الإجمالي لا يتغير أبدًا، وهذه الكميات الثلاث هي الطاقة والزخم (الخطي) والزخم الزاوي، إذ يمكن لأي واحد من هؤلاء أن ينتقل من جسم أو نظام أجساد إلى آخر.

بالإضافة إلى ذلك قد يتغير شكل الطاقة أثناء ارتباطها بنظام واحد فقد تظهر كطاقة حركية، طاقة الحركة، الطاقة الكامنة، طاقة الموقع، الحرارة، الطاقة الداخلية، المرتبطة بالحركات العشوائية للذرات أو الجزيئات المكونة لأي جسم حقيقي أو أي مجموعة من الثلاثة.

ومع ذلك فإن إجمالي الطاقة والزخم والزخم الزاوي في الكون لا يتغير أبدًا، حيث يتم التعبير عن هذه الحقيقة في الفيزياء بالقول إنه يتم الحفاظ على الطاقة والزخم والزخم الزاوي، كما تنشأ قوانين الحفظ الثلاثة هذه من قوانين نيوتن لكن نيوتن نفسه لم يعبر عنها، فكان لا بد من اكتشافها لاحقًا، حيث إنها حقيقة رائعة على الرغم من أن قوانين نيوتن لم تعد أساسية ولا حتى صحيحة تمامًا، إلا أن قوانين الحفظ الثلاثة المشتقة من قوانين نيوتن؛ الحفاظ على الطاقة والزخم والزخم الزاوي، حيث إنها تظل صحيحة تمامًا حتى في ميكانيكا الكم والنسبية.

في الواقع في الفيزياء الحديثة لم تعد القوة مفهومًا مركزيًا، والكتلة ليست سوى واحدة من عدد من سمات المادة ومع ذلك، لا تزال الطاقة والزخم والزخم الزاوي يحتلان مركز الصدارة بقوة، حيث قد تساعد الأهمية المستمرة لهذه الأفكار الموروثة من الميكانيكا الكلاسيكية في تفسير سبب احتفاظ هذا الموضوع بهذه الأهمية الكبيرة في العلم اليوم.

تاريخ الميكانيكا الكلاسيكية:

أصبح اكتشاف الميكانيكا الكلاسيكية ضروريًا من خلال نشر كتاب (Revolutionibus) في عام 1543 (“ستة كتب تتعلق بثورات الأجرام السماوية”) بواسطة عالم الفلك البولندي نيكولاس كوبرنيكوس، حيث كان الكتاب يدور حول الثورات ثورات حقيقية في السماء، وقد أشعل شرارة الثورة العلمية المسماة مجازًا والتي بلغت ذروتها في كتاب مبادئ نيوتن بعد حوالي 150 عامًا، إذ ستغير الثورة العلمية إلى الأبد كيف يفكر الناس في الكون.

قدم منهج الفيزياء الميكانيكا الكلاسيكية تاريخيًا، حيث تم إدخال مجموعة من المفاهيم الأساسية كالمكان والزمان، الكتلة، القوة، الزخم، العزم، الزخم الزاوي في الميكانيكا الكلاسيكية؛ من أجل حل أشهر مشكلة فيزيائية وهي حركة الكواكب.

وصفت مبادئ الميكانيكا بنجاح العديد من الظواهر الأخرى التي تمت مواجهتها في العالم، بحيث قدمت قوانين الحفظ التي تنطوي على الطاقة والزخم والزخم الزاوي طريقة موازية ثانية لحل العديد من نفس المشاكل في كلا النهجين: قوانين القوة والحفظ.

الهدف هو تطوير فهم مفاهيمي للمفاهيم الأساسية والإلمام بالتحقق التجريبي لقوانين النظرية، والقدرة على تطبيق الإطار النظري لوصف حركات الأجسام والتنبؤ بها، كما تركز الميكانيكا الكلاسيكية على استخدام حساب التفاضل والتكامل لحل المشكلات في الميكانيكا الكلاسيكية، حيث تشمل الموضوعات التي يتم تناولها الحركة في بُعد واحد وثلاثة أبعاد؛ المذبذب التوافقي ناقلات الجبر و ناقلات حساب التفاضل والتكامل وأنظمة الجسيمات.

تُعنى الميكانيكا الكلاسيكية ببحث كيفية تحرُّك الأجسام عند تعرُّضها لقوى مختلفة، وكذلك بالقُوَى المؤثرة على الأجسام غير المتحركة، وتمكننا قوانين الميكانيكا الكلاسيكية من حساب مسارات كرات البيسبول وطلقات الرصاص ومَركَبات الفضاء والكواكب أثناء دورانها حول الشمس.

وحتى بالنسبة للشخص الذي ليس لديه أي سبب مهني للاهتمام بأي من هذه الأشياء، فإن هناك مبِّررًا عقلانيًّا قويًّا لدراسة الميكانيكا الكلاسيكية؛ وهو أنها بلا منازع أفضل مثال على نظرية تفسر عددًا هائلًا من الظواهر على أساس أقل عدد من المبادئ البسيطة، إن أي شخص يدرس الميكانيكا بجدية، حتى على المستوى التمهيدي، سيجد في هذه الدراسة مغامرة فكرية حقيقية.

حركة الاجسام:

حركة الاجسام في الفيزياء هي الظاهرة التي يغير فيها الجسم موضعه بمرور الوقت، إذ يتم وصف الحركة رياضيًا من حيث الإزاحة والمسافة والسرعة والتسارع والسرعة والوقت، كما تتم ملاحظة حركة الجسم من خلال إرفاق إطار مرجعي بالمراقب وقياس التغيير في موضع الجسم بالنسبة لذلك الإطار مع التغيير في الوقت المناسب.

علم الحركة في الفيزياء هو الذي يصف حركة الأجسام دون الإشارة إلى سببها، والفرع الذي يدرس القوى وتأثيرها على الحركة هو الديناميات، فإذا كان الكائن لا يتغير نسبيًا إلى إطار مرجعي معين فيُقال أن الكائن في حالة راحة أو أن يكون له موضع ثابت أو ثابت زمنيًا بالإشارة إلى محيطه، ونظرًا لعدم وجود إطار مرجعي مطلق لا يمكن تحديد الحركة المطلقة وبالتالي، بحيث يمكن اعتبار كل شيء في الكون متحركًا.

تتغير الحركة في الفيزياء مع مرور الوقت على وضع أو اتجاه الجسم، تسمى الحركة على طول خط أو منحنى الانتقال، والحركة التي تغير اتجاه الجسم تسمى الدوران وفي كلتا الحالتين جميع النقاط في الجسم لها نفس السرعة (السرعة الموجهة) ونفس التسارع (المعدل الزمني لتغير السرعة)، إذ يجمع نوع الحركة الأكثر عمومية بين الترجمة والتدوير.