力学
平衡状態のジャイロスコープ

力学（古代ギリシャ語のμηχανική ( mēkhanikḗ ) 「機械の」に由来） [ 1 ] [ 2 ]は、物理的物体間の力、物質、運動の関係を扱う物理学の分野です。[ 3 ]物体に加えられる力は、物体の環境に対する位置の変化である 変位をもたらすことがあります。 

この物理学分野の理論的展開は、古代ギリシャ、例えばアリストテレスやアルキメデスの著作にその起源を持つ[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]（古典力学の歴史および古典力学の年表を参照）。近世初期には、ガリレオ・ガリレイ、ヨハネス・ケプラー、クリスティアーン・ホイヘンス、アイザック・ニュートンといった科学者たちが、現在古典力学として知られるものの基礎を築いた。

20 世紀には、古典力学の概念は新たな発見によって挑戦を受け、相対論的力学や量子力学といった根本的に新しいアプローチが生まれました。

歴史

古代

古代ギリシャの哲学者たちは、抽象的な原理が自然を支配するという説を最初に提唱した者たちの一人であった。古代における力学の主流理論はアリストテレス力学であったが、アリストテレスの後継者の一人に帰せられることが多い擬似アリストテレス『力学的問題』には、代替理論が提示されている。

古代ギリシャにまで遡る別の伝統があり、そこでは数学は物体を静的または動的に分析するためにより広範に使用されており、このアプローチはピタゴラス学派のアルキタスの先行研究に刺激を受けた可能性がある。[ 7 ]この伝統の例には、擬ユークリッド（『天秤について』）、アルキメデス（『平面の平衡について』 、『浮体について』）、ヘロン（『機械論』）、パップス（ 『数学全集』第8巻）などがある。[ 8 ] [ 9 ]

中世

年代不明の写本に描かれたアラビア語の機械

中世において、アリストテレスの理論は、6世紀のヨハネス・ピロポノスに始まり、多くの人物によって批判され、修正されました。中心的な問題は、ヒッパルコスとピロポノスによって議論された投射運動でした。

ペルシャのイスラム博学者イブン・シーナーは、『治癒の書』（1020年）において運動理論を著した。彼は、投射物には投射者によって推進力が与えられ、その推進力は持続的なものであり、消散するには空気抵抗などの外力が必要であると考えた。 [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]イブン・シーナーは「力」と「傾き」（「マイル」と呼ばれる）を区別し、物体が本来の運動に逆らうときにマイルを得ると主張した。そして、運動の継続は物体に伝達される傾きに起因し、物体はマイルが消費されるまで運動を続けると結論付けた。また、彼は真空中の投射物は作用を受けない限り停止しないと主張し、これはニュートンの運動の第一法則と一致する。[ 10 ]

一定の（均一な）力を受ける物体という問題について、12世紀のユダヤ系アラブ人学者ヒバト・アッラー・アブール・バラカット・アル＝バグダッド（イラク出身のナサネルとして生まれ、バグダッド出身）は、一定の力は一定の加速度をもたらすと述べました。シュロモ・パインズによれば、アル＝バグダッドの運動理論は「アリストテレスの基本力学法則（すなわち、一定の力は均一な運動を生み出す）の最も古い否定であり、古典力学の基本法則（すなわち、継続的に加えられた力は加速度を生み出す）を漠然と予見するものであった」とされています。[ 13 ]

14世紀フランスの司祭ジャン・ビュリダンは、イブン・シーナー[ 12 ]やアル＝バグダッド[ 14 ]といった先人の著述家の影響を受け、インペトゥス理論を考案しました。この理論は後に、慣性、速度、加速度、運動量といった現代の理論へと発展しました。この理論をはじめとする諸理論は、14世紀イギリスのトーマス・ブラッドワーディンといったオックスフォード計算者たちによって発展させられ、彼らは落下する物体に関する様々な法則を研究し、定式化しました。物体の主要な特性は（落下する物体のように）等加速度運動であるという概念は、14世紀のオックスフォード計算者たちによって解明されました。

近世

ヨーロッパで初めて描かれたピストンポンプの絵。タッコラ作、 1450年頃。[ 15 ]

近世初期の中心人物はガリレオ・ガリレイとアイザック・ニュートンである。ガリレオは、特に落下物体に関する力学の最終的な論述として『二つの新科学』（1638年）を著した。ニュートンは1687年に『自然哲学の数学的原理』を著し、微積分という新たに発展した数学を用いて力学の詳細な数学的説明を行い、ニュートン力学の基礎を築いた。[ 9 ]

様々なアイデアの優先順位については議論の余地があります。ニュートンの『プリンキピア』は確かに先駆的な著作であり、多大な影響を与えました。そこに示された数学的成果の多くは、微積分の発展なしには早期に提示することは不可能でした。しかし、特に慣性と落下体に関するアイデアの多くは、クリスティアーン・ホイヘンスや、あまり知られていない中世の先人たちといった先人たちによって既に発展させられていました。科学用語や証明基準が変化しているため、正確な帰属先を特定することは困難です。中世の学者たちのアイデアは、現代の主張と同等とみなされるか、あるいは単にそれらに類似した予備的な仮説とみなされる可能性があります。

現代

力学における現代の主要な発展は、アインシュタインの一般相対性理論と量子力学の2つであり、どちらも19世紀初頭の考えを一部踏まえて20世紀に発展しました。現代の連続体力学、特に弾性、塑性、流体力学、電気力学、変形可能な媒体の熱力学の分野における発展は、20世紀後半に始まりました。

機械体の種類

よく使用される用語「物体」は、粒子、発射物、宇宙船、星、機械の部品、固体の部品、流体（気体と液体） の部品など、さまざまな物体を表す必要があります。

力学の様々な分野間のその他の区別は、記述される物体の性質に関係しています。粒子は（既知の）内部構造がほとんどない物体であり、古典力学では数学的な点として扱われます。剛体は大きさと形状を持ちますが、粒子に近い単純さを保ち、空間における向きなど、いわゆる自由度がわずかに加わるだけです。

それ以外の場合、物体は半剛体（弾性体）または非剛体（流体）となる可能性があります。これらの分野には、古典力学と量子力学の両方の研究分野があります。

たとえば、宇宙船の軌道と姿勢（回転）に関する動きは、古典力学の相対論的理論によって記述されますが、原子核の類似した動きは量子力学によって記述されます。

サブ分野

以下は、力学で研究されるさまざまな科目で構成される 3 つの主な名称です。

物理学には「場の理論」という別の分野があり、古典場であろうと量子場であろうと、形式的には力学とは別個のものとして扱われていることにも留意してください。しかし実際には、力学と場に属する主題は密接に絡み合っています。例えば、粒子に作用する力は、しばしば場（電磁場または重力場）から導かれ、粒子は発生源として作用することで場を生成します。実際、量子力学では、粒子自体が場であり、理論的には波動関数によって記述されます。

クラシック

ウォルター・ルーウィン教授はMITのコース8.01でニュートンの万有引力の法則を解説している[ 16 ]

古典力学を形成するものとして、次のことが説明されています。

量子

以下は量子力学の一部として分類されます。

歴史的に見ると、古典力学は量子力学が発展する約2500年前から存在していました。古典力学は、アイザック・ニュートンが『自然哲学の数学的原理』の中で提唱した運動の法則に端を発し、17世紀にかけて発展しました。量子力学はその後、19世紀にかけて、プランクの公準とアルバート・アインシュタインによる光電効果の説明を契機として発展しました。どちらの分野も、物理的自然に関する最も確かな知識を構成すると一般的に考えられています。

古典力学は、特に他のいわゆる精密科学のモデルとしてしばしば見なされてきました。この点において重要なのは、理論における数学の広範な利用と、理論の構築と検証における 実験の決定的な役割です。

量子力学は、特定の限定された状況下で適用される古典力学をサブ分野として包含するため、より広い範囲にわたります。対応原理によれば、これら2つの分野の間に矛盾や衝突はなく、それぞれが特定の状況にのみ関係するものです。対応原理は、量子理論によって記述されるシステムの挙動が、大きな量子数の極限において古典物理学を再現することを述べています。つまり、量子力学を大きなシステム（例えば野球ボール）に適用した場合、結果は古典力学を適用した場合とほぼ同じになります。量子力学は基礎レベルで古典力学に取って代わり、分子、原子、および原子レベル以下のプロセスの説明と予測に不可欠です。しかし、マクロなプロセスについては、古典力学は量子力学では手に負えないほど困難な問題（主に計算上の限界による）を解くことができるため、依然として有用で広く使用されています。このような挙動の現代的な記述は、変位（移動距離）、時間、速度、加速度、質量、力などの量の慎重な定義から始まります。しかし、約400年前までは、運動は全く異なる観点から説明されていました。例えば、ギリシャの哲学者であり科学者でもあったアリストテレスの考えに倣い、科学者たちは、砲弾が落ちるのは、その自然な位置が地球上にあるからであり、太陽、月、そして星々が地球の周りを円を描くように移動するのは、天体が完全な円を描くのが自然だからだと推論しました。

近代科学の父としてしばしば引用されるガリレオは、同時代の偉大な思想家たちの考えをまとめ、ある開始位置からの移動距離と所要時間によって運動を計算し始めた。ガリレオは、落下する物体の速度は落下中に着実に増加することを示した。この加速度は、空気摩擦（空気抵抗）を無視すれば、重い物体でも軽い物体でも同じである。イギリスの数学者で物理学者のアイザック・ニュートンは、力と質量を定義し、これらを加速度に関連付けることで、この解析を改善した。光速に近い速度で移動する物体については、ニュートンの法則はアルバート・アインシュタインの相対性理論に取って代わられた。[アインシュタインの相対性理論の計算上の複雑さを示す文] 原子および亜原子粒子については、ニュートンの法則は量子論に取って代わられた。しかし、日常の現象については、ニュートンの運動の 3 つの法則は、運動の原因を研究する力学の基礎であり続けている。

相対論的

量子力学と古典力学の区別と同様に、アルバート・アインシュタインの一般相対性理論と特殊相対性理論は、ニュートンとガリレオの力学の定式化の範囲を拡大しました。相対論的力学とニュートン力学の違いは、物体の速度が光速に近づくにつれて顕著になり、支配的でさえあります。例えば、ニュートン力学では、自由粒子の運動エネルギーはE = ⁠1/2⁠ mv 2 であるのに対し、相対論的力学ではE = ( γ − 1) mc 2である（ここでγはローレンツ因子である。この式は低エネルギー極限ではニュートン力学の式に簡約される）。 [ 17 ]

高エネルギー過程においては、量子力学を特殊相対論を考慮して調整する必要があり、これが量子場理論の発展につながった。[ 18 ]

専門団体

参照

参考文献

  1. ^ 「力学」オックスフォード英語辞典。1933年。
  2. ^ヘンリー・ジョージ・リデル、ロバート・スコット (1940)。「力学」ギリシャ語-英語辞典。
  3. ^ヤング、ヒュー・D.、ロジャー・A・フリードマン、A・ルイス・フォード、カタジナ・ズルテタ・エストゥルゴ (2020).シアーズとゼマンスキーの大学物理学：現代物理学との組み合わせ（第15版）. ハーロウ: ピアソン・エデュケーション. p. 62. ISBN 978-1-292-31473-0. OCLC  1104689918 .
  4. ^デュガス、ルネ『古典力学の歴史』ニューヨーク：ドーバー出版、1988年、19ページ。
  5. ^ Rana, NC, Joag, PS. 古典力学. 西ペタルナガル, ニューデリー. Tata McGraw-Hill, 1991年, 6ページ.
  6. ^ Renn, J., Damerow, P., McLaughlin, P. 『アリストテレス、アルキメデス、ユークリッド、そして力学の起源：歴史的認識論の視点』ベルリン：マックス・プランク科学史研究所、2010年、1-2ページ。
  7. ^ Zhmud, L. (2012). 『ピタゴラスと初期ピタゴラス派』 . OUP Oxford. ISBN 978-0-19-928931-8。
  8. ^「力学の歴史」ルネ・デュガ（1988年）19頁。ISBN 0-486-65632-2
  9. ^ a b「力学の歴史を少しだけ味わう」テキサス大学オースティン校。
  10. ^ a bエスピノサ、フェルナンド (2005). 「運動に関する考え方の歴史的発展の分析と教育への示唆」.物理教育. 40 (2): 141. Bibcode : 2005PhyEd..40..139E . doi : 10.1088/0031-9120/40/2/002 . S2CID 250809354 . 
  11. ^セイェド・ホセイン・ナスル＆メフディ・アミン・ラザヴィ（1996年）『ペルシアにおけるイスラムの知的伝統』ラウトレッジ、p.72、ISBN 978-0-7007-0314-2。
  12. ^ a b Aydin Sayili (1987). 「イブン・シーナーとブリダンによる投射物の運動について」. Annals of the New York Academy of Sciences . 500 (1): 477– 482. Bibcode : 1987NYASA.500..477S . doi : 10.1111/j.1749-6632.1987.tb37219.x . S2CID 84784804 . 
  13. ^パインズ、シュロモ (1970). 「アブール・バラカト・アル・バグダーディー、アッラーの死」. 『科学人名辞典』第1巻. ニューヨーク: チャールズ・スクリブナー・サンズ. pp.  26– 28. ISBN 0-684-10114-9。 （cf.アベル・B・フランコ（2003年10月）「アヴェンペース、投射運動、そしてインペトゥス理論」『思想史ジャーナル』64 (4)、p.521-546[528]）
  14. ^ガットマン、オリバー（2003）、偽イブン・イセンナ著『リベル・チェリ・エト・ムンディ：批判版』、ブリル出版社、193ページ、ISBN 90-04-13228-7
  15. ^ヒル、ドナルド・ラウトレッジ (1996). 『古典・中世工学史』ロンドン: ラウトレッジ. p. 143. ISBN 0-415-15291-7。
  16. ^ Walter Lewin (1999年10月4日). 「仕事、エネルギー、そして万有引力」. MITコース8.01：古典力学、講義11 (ogg) (ビデオテープ). マサチューセッツ州ケンブリッジ、米国: MIT OCW . イベント発生時刻: 1:21-10:10 . 2010年12月23日閲覧。
  17. ^ Landau, L.; Lifshitz, E. (1980年1月15日). 『古典場の理論』（第4版改訂英語版）. Butterworth-Heinemann. p. 27.
  18. ^ Weinberg, S. (2005年5月1日). 『場の量子論 第1巻 基礎』（第1版）. Cambridge University Press. p. xxi. ISBN 0-521-67053-5。

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