Как используется физика в технике
Физика и техника
Развитие физики сопровождалось изменением представлений людей об окружающем мире. Отказ от привычных взглядов, возникновение новых теорий, изучение физических явлений характерно для физики с момента зарождения этой науки до наших дней.
Важное значение имеют открытия в области физики для развития техники. Например, двигатель внутреннего сгорания, приводящий в движение автомобили, тепловозы, речные и морские суда, был создан на основе изучения тепловых явлений.
С развитием науки в технике за последние десятилетия произошли грандиозные изменения.
То, что раньше считалось научной фантастикой, сейчас является реальностью. Сегодня трудно представить нашу жизнь без видеомагнитофона, компьютера, мобильной и интернет-связи.
В свою очередь, развитие техники влияет на развитие науки. Так, например, усовершенствованные машины, компьютеры, точные измерительные и другие приборы используются учеными при исследовании физических явлений. После того как были созданы современные приборы и ракеты, стало возможным глубже изучить космическое пространство.
Подобных примеров можно привести множество. Открытия, сделанные в науке, есть результат упорного труда многих ученых разных стран.
Рассмотрим некоторые этапы развития физики.
Возникновение физической теории связано с именем выдающегося английского физика и математика Исаака Ньютона. Обобщив результаты наблюдений и опытов своих предшественников (Н. Кеплера, Г. Галилея), Ньютон создал огромный труд «Математические начала натуральной философии ». В этой работе ученый изложил важнейшие законы механики, которые были названы его именем. Законы Ньютона привели к бурному развитию представлений о механическом движении.
Дальнейшее развитие физики определилось изучением тепловых и электромагнитных явлений. Стремление ученых проникнуть в глубь тепловых процессов привело к зарождению идей о молекулярном строении вещества.
Гипотеза квантов
Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование. Масса и размеры молекул
Тепловые двигатели
Микро-, макро- и мегамиры
Гравитация
Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики
Физика тесно связана с техникой. До середины прошлого столетия связь между физикой и техникой носила такой характер, когда техника шла впереди. Создавались технические устройства, возникали технические проблемы, которые затем вызывали к жизни соответствующие физические исследования.
Физика является основой многих технических наук: теоретической механики, сопромата, электротехники.
Техника стимулирует развитие физики и наоборот. Могучая ускорительная техника способствует развитию исследований по физике атомного ядра и элементарных частиц.
Содружество физики и техники приводит к сокращению временных интервалов между научными открытиями и их технической реализацией.
Физика тесно связана с математикой. Без математического описания невозможен точный инженерный расчет и развитие физических теорий.
Физику подразделяют на классическую и квантовую. Начало классической физики было положено И. Ньютоном, сформулировавшим основные законы механики, а завершено развитие классической физики созданием в 1905 г. А. Эйнштейном специальной теории относительности и учитывающей требования этой теории релятивистской механики.
Периоды развития физики
I. Предыстория физики (от древнейших времен до ХVII века)
Это период накопления физических знаний об отдельных явлениях природы. Его делят на:
II. Период становления физики как науки (начало ХVII-80 годы ХVII вв.)
Установлены: закон сохранения момента импульса, закон сохранения электрического заряда (Б. Франклин) и закон Кулона.
IV. Современная физика
Отто Ган и Ф. Штрассман открыли деление ядер урана;
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Как используется физика в технике
Физика и философия. Вследствие общности и широты своих законов Ф. всегда оказывала воздействие на развитие философии и сама находилась под её влиянием. С каждым новым открытием в естественнонаучной области, по словам Ф. Энгельса, материализм неизбежно должен менять свою форму.
В достижениях современной Ф. всё большее подтверждение и конкретизацию находит высшая форма материализма – диалектический материализм. При переходе к исследованию микромира закон диалектики – единство противоположностей – проявляется особенно отчётливо. Единство прерывного и непрерывного находит своё отражение в корпускулярно-волновом дуализме микрочастиц. Необходимое и случайное выступают в неразрывной связи, что выражается в вероятностном, статистическом характере законов движения микрочастиц. Провозглашаемое материализмом единство материального мира ярко проявляется во взаимных превращениях элементарных частиц – возможных форм существования физической материи. Особенно важен правильный философский анализ в революционные эпохи развития Ф., когда старые представления подвергаются коренному пересмотру. Классический образец такого анализа был дан В. И. Лениным в книге «Материализм и эмпириокритицизм». Лишь понимание соотношения между абсолютной и относительной истинами позволяет правильно оценить сущность революционных преобразований в Ф., видеть в них обогащение и углубление наших представлений о материи, дальнейшее развитие материализма.
Физика и математика. Ф. – количественная наука. Основные её законы формулируются на математическом языке, главным образом с помощью дифференциальных уравнений. С др. стороны, новые идеи и методы в математике часто возникали под влиянием Ф. Анализ бесконечно малых был создан Ньютоном (одновременно с Г. В. Лейбницем) при формулировке основных законов механики. Создание теории электромагнитного поля привело к развитию векторного анализа. Развитие таких разделов математики, как тензорное исчисление, римановская геометрия, теория групп и др., стимулировалось новыми физическими теориями: общей теорией относительности и квантовой механикой. Развитие квантовой теории поля ставит новые проблемы функционального анализа и т.д.
Физика и другие естественные науки. Тесная связь Ф. с др. отраслями естествознания привела, по словам С. И. Вавилова, к тому, что Ф. глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и др. естественные науки. Образовался ряд пограничных дисциплин:астрофизика, геофизика, биофизика, физическая химия и др. Физические методы исследования получили решающее значение для всех естественных наук. Электронный микроскоп на несколько порядков повысил возможности различения деталей объектов, позволив наблюдать отдельные молекулы. С помощью рентгеноструктурного анализа изучаются не только кристаллы, но и сложнейшие биологические структуры. Подлинным его триумфом явилось установление структуры молекул ДНК, входящих в состав хромосом клеточных ядер всех живых организмов и являющихся носителями наследств, кода. Революция в биологии, связанная с возникновением молекулярной биологии и генетики, была бы невозможна без Ф.
Метод т. н. меченых атомов играет огромную роль в исследовании обмена веществ в живых организмах; многие проблемы биологии, физиологии и медицины были решены с их помощью. Ультразвук применяется в медицине для диагностики и терапии.
Как говорилось выше, законы квантовой механики лежат в основе теории химической связи. С помощью меченых атомов можно проследить кинетику химических реакций. Физическими методами, например с помощью пучков мюонов, полученных на ускорителях, удаётся осуществить химические реакции, не идущие в обычных условиях. Используются структурные аналоги атома водорода – позитроний и мюоний, существование и свойства которых были установлены физиками. В частности, с помощью мюония удаётся измерять скорость протекания быстрых химических реакций. (См. Мюоны.)
Результаты и методы ядерной Ф. применяются в геологии; с их помощью, в частности, измеряют абсолютный возраст горных пород и Земли в целом (см. Геохронология).
Физика и техника. Ф. образует фундамент главнейших направлений техники. Электротехника и энергетика, радиотехника и электроника, светотехника, строительная техника, гидротехника, значительная часть военной техники выросли на основе Ф. Благодаря сознательному использованию физических законов техника из области случайных находок вышла на широкую дорогу целенаправленного развития. Если в 19 в. между физическим открытием и первым его техническим применением проходили десятки лет, то теперь этот срок сократился до нескольких лет.
В свою очередь, развитие техники оказывает не менее существенное влияние на совершенствование экспериментальной Ф. Без развития электротехники, электроники, технологии производства очень прочных и лишённых примесей материалов было бы невозможно создание таких устройств, как ускорители заряженных частиц, огромные пузырьковые и искровые камеры, полупроводниковые приборы и т.д.
Возникновение ядерной энергетики связано с крупными достижениями ядерной Ф. Ядерные реакторы-размножители на быстрых нейтронах могут использовать природный уран и торий, запасы которого велики. Осуществление управляемого термоядерного синтеза практически навсегда избавит человечество от угрозы энергетического кризиса.
Техника будущего будет основываться не на готовых природных материалах, а главным образом на синтетических материалах с наперёд заданными свойствами. Создание и исследование структуры вещества играют в решении этой проблемы определяющую роль.
Развитие электроники и создание совершенных ЭВМ, базирующиеся на достижениях Ф. твёрдого тела, неизмеримо расширили творческие возможности человека, а также привели к построению «думающих» автоматов, способных быстро принимать решения в обстановке, требующей обработки большого объёма информации.
Огромное повышение производительности труда достигается благодаря использованию ЭВМ (автоматизация производства и управления). По мере усложнения народного хозяйства объём перерабатываемой информации становится чрезвычайно большим. Поэтому очень важно дальнейшее усовершенствование вычислительных машин – увеличение их быстродействия и объёма памяти, повышение надёжности, уменьшение габаритов и стоимости. Эти усовершенствования возможны только на основе новых достижений Ф.
Современная Ф. стоит у истоков революционных преобразований во всех областях техники. Она вносит решающий вклад в научно-техническую революцию.
О развитии Ф. в СССР см. раздел Физические науки. См. также статьи Физические журналы,Физические институты.
Почему физика является основой техники?
Развитие физики, как в последствии и техники сопровождалось изменением представлений людей об окружающем мире. Отказ от привычных взглядов, возникновение новых теорий, изучение физических явлений характерно для физики с момента зарождения этой науки до наших дней.
Возникновение физической теории связано с именем выдающегося английского физика и математика Исаака Ньютона. Обобщив результаты наблюдений и опытов своих предшественников (Н. Кеплера, Г. Галилея), Ньютон создал огромный труд «Математические начала натуральной философии ». В этой работе он изложил важнейшие законы механики. Законы Ньютона привели к бурному развитию представлений о механическом движении. Дальнейшее развитие физики определилось изучением тепловых и электромагнитных явлений. Стремление ученых проникнуть в глубь тепловых процессов привело к зарождению идей о молекулярном строении вещества. Исследования электромагнитных явлений коренным образом изменило научную картину мира. Оказалось, что нас окружают физические тела и поля. Общую теорию электромагнитных явлений создал Джеймс Максвелл.
Физика лежит в основе всех наиболее значимых направлений технического прогресса, в том числе таких, как: освоение новых источников энергии и совершенствование традиционных; создание новых конструкционных, инструментальных и строительных материалов; разработка новых производственных технологий и совершенствование существующих; вовлечение в производство вторичных энергетических и материальных ресурсов; автоматизация производственных процессов; роботизация производства; электронизация народного хозяйства, внедрение в
производство и управление им электронно —вычислительной техникой; рост в оптимальных пределах единичных мощностей, повышение КПД и производительности машин; интенсификация технологических процессов производства; стандартизация и унификация продукции; охрана, рациональное использование, воспроизводство и приумножение естественных богатств природы, создание оптимальных естественных условий для жизни; электрификация страны, как основа всех основных направлений технического прогресса.
Как используется физика в технике
НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКИ
«Дальнейшие перспективы прогресса науки и техники определяются в настоящий период прежде всего достижениями ведущих отраслей естествознания. Высокий уровень развития математики, физики, химии, биологии — необходимое условие подъема и эффективности технических, медицинских, сельскохозяйственных и других наук».
Значение техники в жизни человечества исключительно велико. Нельзя назвать ни одной области деятельности людей, где не применялись бы те или иные технические средства.
Чтобы понять, какую роль современная техника играет в жизни человека, рассмотрим некоторые ее характерные примеры.
На одно из первых мест следует поставить производство энергии, которое растет быстрее, чем машиностроение, производство продовольствия и предметов широкого потребления. Общее количество энергии, потребляемой человечеством, стремительно увеличивается.
Если взять отношение общей мощности всех источников энергии к количеству населяющих землю людей, то окажется, что, несмотря на увеличение численности населения земного шара, это отношение все же увеличивается и возрастает за среднее время жизни человека в несколько раз.
Огромное значение для технического прогресса имеет развитие научного познания объективных законов, опираясь на которые человек управляет многими явлениями природы, добиваясь определенных практических результатов.
Наука — это единая система знаний о природе, обществе и мышлении, об объективных законах их развития, исторически сложившаяся и непрерывно развивающаяся на основе общественной жизни человеческого общества. Эта система создается путем выявления простых и сложных, основных и общих законов природы, зная которые можно достаточно точно решать любую частную задачу.
Цель науки — открывать законы природы и развития общества. Прогресс науки — это все более глубокое и точное познание действительности.
Наука — это наиболее эффективный путь объединения коллективного творческого труда людей для достижения прогрессивных целей. Именно благодаря передовой, материалистической науке могут непрерывно и безгранично расти творческие коллективы и сохранять в себе все достижения предыдущих поколений.
Научные исследования, открытия, изобретения стали жизненно необходимы в современном обществе. Широкое их развитие — основа всех видов производства, а следовательно, и прогресса человечества.
Настоящий творческий труд может возникнуть и развиваться только в коллективе. Самые гениальные люди могут плодотворно работать и творить только тогда, когда они работают в коллективе и для коллектива.
Наука, техника, искусство, вообще любая область деятельности людей развиваются наиболее быстро и плодотворно тогда, когда переплетаются самые разнообразные пути исследования и творчества.
Космические ракеты, например, могли быть созданы только при комплексном использовании достижений энергетики, радиоэлектроники, автоматики, строительной механики, технологии материалов и многих других областей науки и техники.
Каждый день в газетах, журналах и книгах, по радио и телевидению сообщается о новых научных, культурных и технических достижениях, и мы, советские люди, живо откликаемся на все новое и прогрессивное, творчески его перерабатываем и применяем на практике.
Мы знаем, что широкая осведомленность в вопросах науки и техники помогает лучше выполнять свою собственную работу.
Иногда кажется, что в тех или иных условиях ничего нового создать нельзя. Это неверно. Дело не в характере работы, а в том, насколько человек любит труд, в его кругозоре, в стремлении принести обществу как можно больше пользы.
Полноценное использование для нужд человечества какого-либо нового физического явления, открытия или изобретения станет возможным лишь в том случае, когда будет ясна его физическая сущность и будут установлены основные закономерности, необходимые для проведения соответствующих научных или технических расчетов. Только при этом условии можно будет надежно решать те или иные практические задачи.
Но не всегда то или иное техническое достижение, то или иное научное открытие можно сразу применить на практике. Чаще бывает, что они, эти достижения и открытия, требуют еще большой доработки, тщательной проверки и точных расчетов. И даже тогда, когда уже все доработано, рассчитано и проверено, возникает вопрос, как все это сделать достоянием широких масс, быстрее пустить в производство и использовать для нужд общества.
Люди пытались летать очень давно. Уже в «Молении Даниила Заточника» (XIII век) рассказывается, что во время праздников молодые люди влезали на крыши храмов и слетали оттуда на искусно сделанных крыльях. Однако настоящей авиации из этого не получилось и не могло получиться. Даже в конце XIX века попытки построить самолет не завершились успехом. Многие выдающиеся ученые поплатились жизнью за попытки решить техническую проблему полета человека без глубокого теоретического анализа.
Только теоретические основы аэродинамики, разработанные Н. Е. Жуковским, стали тем фундаментом, на котором прочно обосновалась современная авиация.
То же самое можно сказать об электронике и радиотехнике. Опыты Герца с электромагнитными волнами предшествовали открытию радиосвязи А. С. Поповым, а широкое применение фотоэффекта в автоматике началось после исследования А. Г. Столетовым этого нового и интересного физического явления.
Подобных примеров можно привести очень много, и все они свидетельствуют о том, что без знания законов физики невозможно добиться значительных научных и технических достижений.
Но значение физики не исчерпывается этим. Физика дает нечто существенно более важное, чем понимание и практическое использование отдельных открытий и изобретений.
Дело в том, что основные закономерности физики представляют собой единую систему взаимосвязей, объединяющих материю в объективно существующую основу всего многообразия окружающего нас мира.
В. И. Ленин в работе «Материализм и эмпириокритицизм» указывал, что единство материи проявляется в сходстве тех математических формул, которые можно применить для выражения закономерностей, наблюдаемых в различных явлениях, с первого взгляда очень мало похожих одно на другое.
Вот это единство материи, познаваемое и выражаемое совокупностью основных законов физики, должен учитывать каждый человек, изучающий науку и технику. И только в этом случае можно сравнительно легко и быстро сопоставлять старое и новое и смело заглядывать вперед, предвидя громадные перспективы едва еще намеченных проблем.
Цель настоящей брошюры — показать на некоторых примерах, как развивались физика и техника, основные проблемы и задачи которых всегда имели и имеют глубокую взаимосвязь. Наличие такой взаимосвязи является непременным условием научного и технического прогресса.
РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ В XVII–XIX веках
Еще в глубокой древности ученые занимались наблюдением различных физических процессов и явлений. Так, Лукреций, Эпикур, Демокрит (VI в. до н. э. — II в. н. э.) высказывали идеи об атомистичности вещества; были открыты некоторые законы гидростатики (закон Архимеда), объяснен принцип работы рычага и некоторых других простейших механизмов.