Теория импульса - Theory of impetus - Wikipedia

1582 ксилография артиллерии, автор Вальтер Херманн Рифф [де ]

В теория импульса[1] была вспомогательной или вторичной теорией Аристотелевская динамика, выдвинутые изначально для объяснения движение снаряда против сила тяжести. Он был представлен Иоанн Филопон в 6 веке,[2][3] и разработан Нур ад-Дин аль-Битруджи в конце 12 века.[4] Теория была модифицирована Авиценна в 11 веке и Хибат Аллах Абу'л-Баракат аль-Багдади в XII веке, до того, как он был позже установлен в западной научной мысли Жан Буридан в 14 веке. Это интеллектуальный предшественник концепций инерция, импульс и ускорение в классическая механика.

Филопонанская теория

В 6 веке Иоанн Филопон частично принял теорию Аристотеля о том, что «продолжение движения зависит от продолжающегося действия силы», но изменил ее, включив его идею о том, что брошенное тело приобретает движущую силу или склонность к принудительному движению от агента, производящего начальное движение, и что эта сила обеспечивает продолжение такого движения. Однако он утверждал, что эта впечатляющая добродетель была временной; что это была саморасходящаяся склонность, и, таким образом, порожденное насильственное движение заканчивается, превращаясь обратно в естественное движение.[5]

Арабские теории

Основная статья: Физика в средневековом исламе

В 11 веке Авиценна (Ибн Сина) обсуждал теорию Филопона в Книга исцеления, в Физике IV.14 он говорит;[6]

Когда мы независимо проверяем проблему (движения снаряда), мы обнаруживаем, что наиболее правильной доктриной является доктрина тех, кто думает, что перемещаемый объект приобретает наклон от движущегося.

Ибн Сина согласился с тем, что метатель дает снаряду импульс, но в отличие от Филопона, который считал, что это временная добродетель, которая исчезнет даже в вакууме, он рассматривал ее как постоянную, требующую внешних сил, таких как сопротивление воздуха рассеять это.[7][8][9] Ибн Сина проводил различие между «силой» и «наклоном» (называемым «майл») и утверждал, что полученный объект может быть достигнут, когда объект находится в оппозиции своему естественному движению. Поэтому он пришел к выводу, что продолжение движения связано с наклоном, передаваемым объекту, и этот объект будет находиться в движении до тех пор, пока не будет израсходована майла. Он также утверждал, что снаряд в вакууме не остановится, если на него не воздействовать, что согласуется с концепцией инерции Ньютона.[10] Эта идея (которая расходилась с аристотелевской точкой зрения) была позже описана как «импульс». Жан Буридан, который, возможно, находился под влиянием Ибн Сины.[11][12]

В 12 веке Хибат Аллах Абу'л-Баракат аль-Багдади принял теорию импульса Филопона. В его Китаб аль-Мутабар, Абу'л-Баракат заявил, что движущийся придает склонность к насилию (Майл Касри) на перемещаемом, и это уменьшается по мере того, как движущийся объект удаляется от движущегося.[13] Подобно Филопону и в отличие от Ибн Сины, аль-Багдади считал, что Mayl самозатухает.[14]

Он также предложил объяснение ускорения падающих тел, в котором последовательно применяется «один майл за другим», потому что это само падающее тело обеспечивает майл, в отличие от стрельбы из лука, где применяется только один сильный майл.[14] В соответствии с Шломо Пайнс, теория аль-Багдади была

самое старое отрицание Аристотель фундаментальный динамический закон [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение], [и, таким образом,] неопределенное предвосхищение фундаментального закона классическая механика [а именно, что сила, приложенная непрерывно, вызывает ускорение].[14]

Жан Буридан и Альберт Саксонский позже обратитесь к Абу'л-Баракату, объясняя, что ускорение падающего тела является результатом его возрастающего импульса.[13]

Буриданистский импульс

В 14 веке Жан Буридан постулировал понятие движущей силы, которую он назвал импульсом.

Когда движущийся приводит тело в движение, он придает ему определенный импульс, то есть определенную силу, позволяющую телу двигаться в том направлении, в котором движущийся его запускает, будь то вверх, вниз, в сторону или по кругу. Имплантированный импульс увеличивается в той же пропорции, что и скорость. Именно из-за этого импульса камень движется дальше после того, как бросающий перестает его двигать. Но из-за сопротивления воздуха (а также из-за силы тяжести камня), который стремится переместить его в направлении, противоположном движению, вызванному импульсом, последний будет все время ослабевать. Следовательно, движение камня будет постепенно замедляться, и, наконец, импульс будет настолько ослаблен или разрушен, что сила тяжести камня преобладает и перемещает камень к его естественному месту. На мой взгляд, это объяснение можно принять, потому что другие объяснения оказываются ложными, тогда как все явления согласуются с этим.[15]

Буридан придает своей теории математическое значение: импульс = вес x скорость.

Ученик Буридана Доминик де Клавазио в его 1357 г. Де Каэло, следующее:

"Когда что-то перемещает камень силой, помимо приложения к нему действительной силы, оно создает в нем определенный импульс. Точно так же гравитация не только дает движение движущемуся телу, но также дает ему движущую силу и толчок, ... ".

Позиция Буридана заключалась в том, что движущийся объект будет Только быть остановленным сопротивлением воздуха и весом тела, которые сопротивлялись бы его толчку.[16] Буридан также утверждал, что импульс пропорционален скорости; таким образом, его первоначальная идея импульса во многом была похожа на современную концепцию импульс. Буридан рассматривал свою теорию только как модификацию основной философии Аристотеля, поддерживая многие другие странствующий взглядов, включая веру в то, что все еще существует фундаментальная разница между объектом в движении и объектом в состоянии покоя. Буридан также утверждал, что импульс может быть не только линейным, но и круговым по своей природе, заставляя объекты (например, небесные тела) двигаться по кругу.

Буридан указал, что ни аристотелевский неподвижные грузчики ни души Платона не упоминаются в Библии, поэтому он применил теорию импульса к вечному вращению небесных сфер, расширив земной пример ее применения на вращательное движение в виде вращающегося мельничного колеса, которое продолжает вращаться долгое время после первоначального движущаяся рука убирается, движимая импульсом, заключенным в ней.[17] Он писал о небесном толчке сфер следующим образом:

«Бог, создавая мир, перемещал каждую из небесных сфер, как Ему было угодно, и, перемещая их, он внушал им импульсы, которые двигали их, без необходимости перемещать их больше ... И те импульсы, которые он давал в небесные тела впоследствии не уменьшились или не испортились, потому что не было склонности небесных тел для других движений. Не было и сопротивления, которое могло бы развращать или подавлять этот импульс ».[18]

Однако, исключив возможность любого сопротивления либо из-за противоположной склонности двигаться в любом противоположном направлении, либо из-за какого-либо внешнего сопротивления, он пришел к выводу, что их импульс, следовательно, не был искажен каким-либо сопротивлением. Буридан также не учитывал любое внутреннее сопротивление движению в виде склонности к покою внутри самих сфер, например инерцию, установленную Аверроэсом и Фомой Аквинским. Ибо в противном случае это сопротивление уничтожило бы их импульс, как утверждала антидюгемский историк науки Аннализа Майер, парижские динамисты были вынуждены прийти к выводу, что inclinatio ad quietem или инерция во всех телах.

Это вызвало вопрос, почему движущая сила импульса не перемещает сферы с бесконечной скоростью. Один из ответов динамики импульса, казалось, заключался в том, что это был вторичный вид движущей силы, которая производила равномерное движение, а не бесконечную скорость.[19] вместо того, чтобы производить равномерно ускоренное движение, как это делала первичная сила, создавая постоянно увеличивающееся количество импульса. Однако в его Трактат о небесах и мире в котором небеса движутся внутренними неодушевленными механическими силами, ученик Буридана Орем предложил альтернативу. Томист инерционный ответ на эту проблему. Его ответ заключался в том, чтобы постулировать сопротивление движению, присущее небесам (то есть сферам), но которое является только сопротивлением ускорению сверх их естественной скорости, а не самому движению, и, таким образом, было тенденцией сохранять их естественную скорость.[20]

Мысль Буридана продолжил его ученик Альберт Саксонский (1316–1390), писателями в Польше, такими как Иоанн Кантиус, а Оксфордские калькуляторы. Их работа, в свою очередь, была разработана Николь Орем кто был пионером в практике демонстрации законов движения в виде графиков.

Туннельный эксперимент и колебательное движение

Теория буриданского импульса разработала одну из наиболее важных мысленные эксперименты в истории науки, а именно так называемый «туннельный эксперимент». Этот эксперимент был важен, потому что он впервые включил колебательное и маятниковое движение в динамический анализ и науку о движении. Тем самым он также установил один из важных принципов классической механики. Маятник сыграл решающую роль в развитии механики 17 века. Туннельный эксперимент также дал начало более общему важному аксиоматическому принципу динамики Галилея, Гюйгена и Лейбница, а именно, что тело поднимается на ту же высоту, с которой оно упало, - принцип гравитационной потенциальной энергии. В качестве Галилео Галилей выразил этот фундаментальный принцип своей динамики в своей книге 1632 г. Диалог:

Тяжелое падающее тело получает достаточный импульс [при падении с заданной высоты], чтобы отнести его обратно на такую ​​же высоту.[21]

Этот воображаемый эксперимент предсказал, что пушечное ядро, упавшее в туннель, проходящее прямо через центр Земли, выйдет за пределы центра и поднимется на противоположной поверхности на ту же высоту, с которой оно впервые упало с другой стороны. ведомый вверх мимо центра гравитационным импульсом, который он постоянно накапливал при падении вниз к центру. Этот импульс потребовал бы резкого движения, соответственно поднимающегося на ту же высоту мимо центра, чтобы теперь противодействующая сила тяжести разрушила все это на том же расстоянии, которое ранее требовалось для его создания, и после этого в этой поворотной точке шар затем снова опускаться и колебаться взад и вперед между двумя противоположными поверхностями вокруг центра до бесконечности в принципе. Таким образом, туннельный эксперимент предоставил первую динамическую модель колебательного движения, хотя в первую очередь чисто воображаемую и, в частности, с точки зрения динамики импульса A-B.[22]

Этот мысленный эксперимент затем был применен к динамическому объяснению колебательного движения реального мира, а именно движения маятника, следующим образом. Колебательное движение пушечного ядра было динамически сопоставлено с движением маятника, представляя его прикрепленным к концу чрезвычайно космологически длинного шнура, подвешенного к своду неподвижных звезд с центром на Земле, благодаря чему относительно короткая дуга его Путь через чрезвычайно далекую Землю был практически прямой по туннелю. Тогда маятник из реального мира был задуман как микроверсия этого `` туннельного маятника '', макрокосмологической парадигматической динамической модели маятника, но только с гораздо более короткими шнурами и с их качелями, колеблющимися над поверхностью Земли по дугам, соответствующим туннелю. поскольку их колеблющаяся средняя точка была динамически ассимилирована с центром туннеля как центром Земли.

Следовательно, посредством такого впечатляющего буквально `` бокового мышления '', вместо того, чтобы представить динамику движения маятника как качель, необъяснимо каким-то образом падающий вниз по сравнению с вертикалью в самую низкую гравитационную точку, а затем необъяснимо подтягиваемый снова вверх на той же верхней С другой стороны, это было его поперечное горизонтальное движение, которое было задумано как случай свободного падения под действием силы тяжести, за которым следует резкое движение в повторяющемся цикле, при этом поплавок многократно проходит через нижнюю по вертикали, но среднюю по горизонтали точку движения и выходит за ее пределы. В туннельном маятнике стоял прокси для центра Земли. Таким образом, при таком образном нестандартном горизонтальном гравитационном мышлении боковые движения боба сначала к нормали, а затем от нее в махе вниз и вверх становятся поперечными движениями вниз и вверх по отношению к горизонтали, а не к вертикали.

Таким образом, в то время как ортодоксальные аристотелисты могли рассматривать движение маятника только как динамическую аномалию, необъяснимо каким-то образом `` с трудом застывая '', как историки и философы науки Томас Кун поместил это в его 1962 Структура научных революций,[23] Согласно новому анализу теории импульса, он не падал с какой-либо динамической трудностью в принципе, а скорее падал в повторяющихся и потенциально бесконечных циклах чередования нисходящего гравитационно естественного движения и восходящего гравитационно насильственного движения. Следовательно, например, Галилей в конечном итоге обратился к движению маятника, чтобы продемонстрировать, что скорость свободного падения гравитации одинакова для всех неравных весов, именно благодаря динамическому моделированию движения маятника таким образом, как в случае циклически повторяющегося свободного падения гравитации вдоль горизонтальный в принципе.[24]

Фактически туннельный эксперимент и, следовательно, движение маятника, были воображаемым решающим экспериментом в пользу импульсной динамики против как ортодоксальной аристотелевской динамики без какой-либо вспомогательной теории импульсов, так и против аристотелевской динамики с ее вариантом H-P. Поскольку согласно двум последним теориям, боб не может выйти за пределы нормы. В ортодоксальной аристотелевской динамике нет силы, которая несли бы качель вверх за пределы центра в резком движении против его собственной силы тяжести, которая переносит его к центру, где он останавливается. И в сочетании с вспомогательной теорией Филопона, в случае, когда пушечное ядро ​​выходит из состояния покоя, снова нет такой силы, потому что либо вся начальная восходящая сила импульса, первоначально запечатленная внутри него для удержания его в статическом динамическом равновесии, была исчерпана, в противном случае, если бы он оставался, он действовал бы в противоположном направлении и в сочетании с гравитацией предотвращал бы движение через центр и за его пределы. Пушечное ядро ​​не должно было быть брошено вниз, и, таким образом, при начальном нисходящем толчке оно не могло привести к колебательному движению. Ибо хотя тогда он мог бы выйти за пределы центра, он никогда не смог бы вернуться, пройти через него и снова подняться. Ибо динамически в этом случае, хотя для него было бы логически возможно пройти за пределы центра, если бы, когда он достиг его, часть постоянно затухающего нисходящего импульса оставалась и все еще была достаточно сильной, чтобы быть сильнее гравитации, чтобы толкнуть ее за пределы центра и снова вверх, тем не менее, когда он, в конце концов, стал слабее силы тяжести, после чего мяч будет оттянут обратно к центру под действием своей силы тяжести, он не сможет пройти за пределы центра, чтобы снова подняться, потому что у него не будет силы, направленной против силы тяжести, чтобы преодолеть его. . Ибо любой, возможно, оставшийся импульс будет направлен «вниз» к центру, то есть в том же направлении, в котором он был первоначально создан.

Таким образом, движение маятника было динамически невозможно как для ортодоксальной аристотелевской динамики, так и для динамики импульса H-P, исходя из аналогичных рассуждений этой «туннельной модели». Но это было предсказано предсказанием туннеля теории импульса именно потому, что эта теория постулировала, что непрерывно накапливающаяся вниз сила импульса, направленная к центру, приобретается в естественном движении, достаточном для того, чтобы затем переносить его вверх за центр против силы тяжести, а не просто иметь первоначально направленная вверх сила толчка от центра, как в теории естественного движения. Таким образом, туннельный эксперимент представлял собой решающий эксперимент между тремя альтернативными теориями естественного движения.

С точки зрения этого анализа, предпочтение следует отдавать динамике импульса, если аристотелевская наука о движении должна включать динамическое объяснение движения маятника. И действительно, в более общем плане его также следовало отдать предпочтение, если оно должно было объяснять другие колебательные движения, такие как возвратно-поступательные колебания вокруг нормального натяжения музыкальных струн, таких как цитра, лютня или гитара. Ибо здесь аналогия, проведенная с экспериментом с гравитационным туннелем, заключалась в том, что натяжение струны, тянущее ее к нормали, играло роль гравитации, и, таким образом, когда ее выдергивали, то есть оттягивали от нормали, а затем отпускали, это было эквивалентом натягивания пушечного ядра к поверхности Земли и затем выпуская ее. Таким образом, музыкальная струна вибрировала в непрерывном цикле попеременного создания импульса к нормальному и его разрушения после прохождения через нормальное, пока этот процесс снова не начнется с создания нового «нисходящего» импульса после того, как весь «восходящий» импульс был уничтожен. .

Постулирование динамического семейного сходства движений маятника и вибрирующих струн с парадигматическим туннельным экспериментом, изначальной матерью всех колебаний в истории динамики, было одним из величайших творческих достижений средневековой аристотелевской динамики в ее увеличивающемся репертуаре. динамические модели различных видов движения.

Незадолго до теории импульса Галилея, Джамбаттиста Бенедетти модифицировал растущую теорию импульса, включив только линейное движение:

«… [Любая] часть телесной материи, которая движется сама по себе, когда на нее воздействует толчок какой-либо внешней движущей силой, имеет естественную тенденцию двигаться по прямолинейному, а не изогнутому пути».[25]

Бенедетти приводит движение камня в праще как пример присущего линейному движению объектов, вынужденных совершать круговое движение.

Смотрите также

Ссылки и сноски

  1. ^ Дюгем, Пьер (1913), «Физика, история», у Чарльза Г. Гербермана; Эдвард А. Пейс; Конде Б. Паллен; Джон Дж. Винн; Томас Дж. Шахан (ред.), Католическая энциклопедия: международный справочник по конституции, доктрине и истории католической церкви, 12, Нью-Йорк: Encyclopedia Press, стр. 51
  2. ^ Крейг, Эдвард, изд. (1998). «Филопон, Иоанн». Энциклопедия философии Рутледжа, том 7, Нигилизм-квантовая механика. С. 371–377. ISBN  978-0-415-18712-1. ISBN предназначен для тома 7, а не для набора.
  3. ^ Линдберг, Дэвид С. (2007). Зарождение западной науки: европейская научная традиция в философском, религиозном и институциональном контексте, предыстория до 1450 г. (второе изд.). Чикаго, Иллинойс: Издательство Чикагского университета. п. 307–308. ISBN  978-0-226-48205-7. Ссылка на стр. 307 из копии Google 2008 года.
  4. ^ Самсо, Хулио (2007). «Бишруджи: Нур ад-Дин Абу Исхак [Абу Джафар] Ибрахим ибн Юсуф аль-Бишруджи». В хоккее, Томас; и другие. (ред.). Биографическая энциклопедия астрономов. Нью-Йорк: Springer Verlag. С. 133–134. ISBN  978-0-387-31022-0. (PDF версия )
  5. ^ Айдын Сайили (1987), «Ибн Сина и Буридан о движении снаряда», Летопись Нью-Йоркской академии наук 500 (1): 477–482 [477]
  6. ^ Макгиннис, Джон; Райзман, Дэвид С. (2007). Классическая арабская философия: антология источников. Hackett Publishing. п. 174. ISBN  978-0-87220-871-1.
  7. ^ Эспиноза, Фернандо (2005). «Анализ исторического развития идей о движении и его значение для обучения». Физическое образование. 40 (2): 141. Bibcode:2005PhyEd..40..139E. Дои:10.1088/0031-9120/40/2/002.
  8. ^ Сейед Хоссейн Наср И Мехди Амин Разави (1996). Исламская интеллектуальная традиция в Персии. Рутледж. п. 72. ISBN  978-0-7007-0314-2.
  9. ^ Айдын Сайили (1987). «Ибн Сина и Буридан о движении снаряда». Летопись Нью-Йоркской академии наук. 500 (1): 477–482. Bibcode:1987НЯСА.500..477С. Дои:10.1111 / j.1749-6632.1987.tb37219.x.
  10. ^ Эспиноза, Фернандо. «Анализ исторического развития представлений о движении и его значение для обучения». Физическое образование. Vol. 40 (2).
  11. ^ Сайили, Айдын. «Ибн Сина и Буридан о движении снаряда». Анналы Нью-Йоркской академии наук, т. 500 (1). с.477-482.
  12. ^ Зупко, Джек (2015). "Джон Буридан". Стэнфордская энциклопедия философии. Лаборатория метафизических исследований, Стэнфордский университет. Получено 5 февраля 2019.
  13. ^ а б Гутман, Оливер (2003). Псевдо-Авиценна, Liber Celi Et Mundi: Критическое издание. Brill Publishers. п. 193. ISBN  90-04-13228-7.
  14. ^ а б c Франко, Абель Б. (2003). "Avempace, движение снаряда и теория стимула". Журнал истории идей. 64 (4): 527–528. Дои:10.1353 / jhi.2004.0004.
  15. ^ Педерсен, Олаф (26 марта 1993 г.). Ранняя физика и астрономия: историческое введение. CUP Архив. п. 210. ISBN  978-0-521-40899-8. Получено 16 июн 2010.
  16. ^ "Жан Буридан: вопросы по физике Аристотеля". Архивировано из оригинал 20 июля 2011 г.
  17. ^ В соответствии с теорией Буридана импульс действует в том же направлении или в том же порядке, в котором он был создан, и, таким образом, созданный по кругу или вращению импульс после этого действует по кругу.
  18. ^ Вопросы к восьми книгам Аристотеля по физике: книга VIII, вопрос 12 Английский перевод в 1959 году Клэджета Наука механики в средние века p536
  19. ^ Различие между первичными движущими силами и вторичными движущими силами, такими как импульс, было выражено Оремом, например, в его Де Каэло Bk2 Qu13, в котором говорится о побуждении, «это определенное качество второго вида ...; оно создается двигателем посредством движения ...» [См. P552 Clagett 1959]. А в 1494 году Томас Брико из Парижа также говорил о побуждении как о втором качестве и как о средстве, которое начинает движение под влиянием основного частного агента, но продолжает его в одиночку. [См. P639 Clagett 1959].
  20. ^ «Ибо сопротивление, которое находится в небесах, не стремится к какому-либо другому движению или отдыху, а только к тому, чтобы не двигаться быстрее». Bk2 Ch 3 Трактат о небесах и мире
  21. ^ См. Стр. 22–3 и 227 из Диалог, Стиллман Дрейк (tr.), University of California Press, 1953, где обсуждается туннельный эксперимент. Также см. Перевод Дрейка 1974 г. Discorsi (стр. 206–8) на стр. 162–4, где Сальвиати представляет «экспериментальное доказательство» этого постулата с помощью движений маятника.
  22. ^ Заявления о связи между движением маятника и предсказанием туннеля см., Например, в обсуждении Орема в его Трактат о небесах и мире переведено на стр. 570 из Clagett 1959, и обсуждение Бенедетти на p235 из Drake & Drabkin 1959. За обсуждение Буриданом движения маятника в его Вопросы см. стр. 537–8 из Clagett 1959.
  23. ^ См. Стр. 117–125 издания 1962 г. и стр. 118–26 второго издания 1970 г.
  24. ^ См. Стр. 128–131 его 1638 г. Discorsi, переведено на стр. 86–90 английского издания Дрейка 1974 года.
  25. ^ Джованни Бенедетти, выбор из Спекуляция, в Stillman Drake and I.E. Драбкин, Механика в Италии шестнадцатого века (The University of Wisconsin Press, 1969), стр. 156.

Библиография