Mécanique -Mechanics

Cet article concerne un domaine d'étude scientifique. Pour d'autres utilisations, voir Mécanicien (homonymie) .
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La mécanique (du grec ancien : μηχανική , mēkhanikḗ , lit. "des machines ") est le domaine des mathématiques et de la physique concerné par les relations entre la force , la matière et le mouvement parmi les objets physiques . Les forces appliquées aux objets entraînent des déplacements ou des changements de position d'un objet par rapport à son environnement.

Les exposés théoriques de cette branche de la physique trouvent leurs origines dans la Grèce antique , par exemple, dans les écrits d' Aristote et d'Archimède (voir Histoire de la mécanique classique et Chronologie de la mécanique classique ). Au début de la période moderne , des scientifiques tels que Galilée , Kepler , Huygens et Newton ont jeté les bases de ce que l'on appelle aujourd'hui la mécanique classique .

En tant que branche de la physique classique , la mécanique traite des corps qui sont soit au repos, soit se déplacent à des vitesses nettement inférieures à la vitesse de la lumière. Il peut également être défini comme la science physique qui traite du mouvement et des forces sur les corps qui ne sont pas dans le domaine quantique.

Histoire

Articles principaux : Histoire de la mécanique classique et Histoire de la mécanique quantique

Antiquité

Article principal: mécanique aristotélicienne

Les anciens philosophes grecs ont été parmi les premiers à proposer que des principes abstraits gouvernent la nature. La principale théorie de la mécanique dans l'Antiquité était la mécanique aristotélicienne , bien qu'une théorie alternative soit exposée dans les Problèmes mécaniques pseudo-aristotéliciens , souvent attribués à l'un de ses successeurs.

Il existe une autre tradition qui remonte aux anciens Grecs où les mathématiques sont utilisées plus largement pour analyser les corps de manière statique ou dynamique , une approche qui peut avoir été stimulée par les travaux antérieurs de l' Archytas pythagoricien . Des exemples de cette tradition incluent le pseudo- Euclide ( On the Balance ), Archimède ( On the Equilibrium of Planes , On Floating Bodies ), Hero ( Mechanica ) et Pappus ( Collection , Livre VIII).

Âge médiéval

Article principal: Théorie de l'impulsion
Machine arabe dans un manuscrit de date inconnue.

Au Moyen Âge, les théories d'Aristote ont été critiquées et modifiées par un certain nombre de personnalités, à commencer par John Philoponus au 6ème siècle. Un problème central était celui du mouvement des projectiles , qui a été discuté par Hipparque et Philoponus.

Le polymathe islamique persan Ibn Sīnā a publié sa théorie du mouvement dans The Book of Healing (1020). Il a dit qu'une impulsion est donnée à un projectile par le lanceur et le considérait comme persistant, nécessitant des forces externes telles que la résistance de l'air pour le dissiper. Ibn Sina a fait la distinction entre la «force» et «l'inclinaison» (appelée «mayl») et a soutenu qu'un objet gagnait du mayl lorsque l'objet s'opposait à son mouvement naturel. Il a donc conclu que la poursuite du mouvement est attribuée à l'inclinaison qui est transférée à l'objet, et que l'objet sera en mouvement jusqu'à ce que le mayl soit dépensé. Il a également affirmé qu'un projectile dans le vide ne s'arrêterait que s'il était sollicité, conformément à la première loi du mouvement de Newton.

Sur la question d'un corps soumis à une force constante (uniforme), le savant judéo-arabe du XIIe siècle Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi (né Nathanel, irakien, de Bagdad) a déclaré qu'une force constante confère une accélération constante. Selon Shlomo Pines , la théorie du mouvement d'al-Baghdaadi était "la plus ancienne négation de la loi dynamique fondamentale d'Aristote [à savoir, qu'une force constante produit un mouvement uniforme], [et est donc une] anticipation d'une manière vague de la loi fondamentale loi de la mécanique classique [à savoir, qu'une force appliquée en continu produit une accélération]."

Influencé par des écrivains antérieurs tels qu'Ibn Sina et al-Baghdaadi, le prêtre français du XIVe siècle Jean Buridan a développé la théorie de l'impulsion , qui s'est ensuite développée dans les théories modernes de l'inertie , de la vitesse , de l'accélération et de l'élan . Ce travail et d'autres ont été développés dans l'Angleterre du XIVe siècle par les calculateurs d'Oxford tels que Thomas Bradwardine , qui ont étudié et formulé diverses lois concernant la chute des corps. Le concept selon lequel les principales propriétés d'un corps sont un mouvement uniformément accéléré (comme lors de la chute de corps) a été élaboré par les calculatrices d'Oxford du XIVe siècle .

Début de l'ère moderne

Première représentation européenne d'une pompe à piston , par Taccola , c. 1450.

Deux figures centrales du début de l'ère moderne sont Galileo Galilei et Isaac Newton . La dernière déclaration de Galilée sur sa mécanique, en particulier sur la chute des corps, est ses Deux nouvelles sciences (1638). La Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica de Newton de 1687 a fourni un compte rendu mathématique détaillé de la mécanique, en utilisant les mathématiques nouvellement développées du calcul et en fournissant la base de la mécanique newtonienne .

Il y a un différend sur la priorité de diverses idées: les Principia de Newton sont certainement l'ouvrage fondateur et ont été extrêmement influents, et de nombreux résultats mathématiques n'auraient pas pu être énoncés plus tôt sans le développement du calcul. Cependant, de nombreuses idées, en particulier en ce qui concerne l'inertie et la chute des corps, avaient été développées par des érudits antérieurs tels que Christiaan Huygens et les prédécesseurs médiévaux moins connus. Le crédit précis est parfois difficile ou controversé parce que le langage scientifique et les normes de preuve ont changé, de sorte que la question de savoir si les déclarations médiévales sont équivalentes aux déclarations modernes ou à une preuve suffisante , ou plutôt similaires aux déclarations et hypothèses modernes est souvent discutable.

Âge moderne

Deux principaux développements modernes en mécanique sont la relativité générale d' Einstein et la mécanique quantique , toutes deux développées au XXe siècle sur la base en partie d'idées antérieures du XIXe siècle. Le développement de la mécanique moderne des milieux continus, en particulier dans les domaines de l'élasticité, de la plasticité, de la dynamique des fluides, de l'électrodynamique et de la thermodynamique des milieux déformables, a commencé dans la seconde moitié du XXe siècle.

Types de corps mécaniques

Le terme corps souvent utilisé doit représenter un large assortiment d'objets, y compris des particules , des projectiles , des engins spatiaux , des étoiles , des pièces de machines , des parties de solides , des parties de fluides ( gaz et liquides ), etc.

D'autres distinctions entre les différentes sous-disciplines de la mécanique concernent la nature des corps décrits. Les particules sont des corps avec peu de structure interne (connue), traités comme des points mathématiques en mécanique classique. Les corps rigides ont une taille et une forme, mais conservent une simplicité proche de celle de la particule, en ajoutant seulement quelques soi-disant degrés de liberté , comme l'orientation dans l'espace.

Sinon, les corps peuvent être semi-rigides, c'est-à-dire élastiques , ou non rigides, c'est-à-dire fluides . Ces sujets ont des divisions d'étude à la fois classiques et quantiques.

Par exemple, le mouvement d'un vaisseau spatial, concernant son orbite et son attitude ( rotation ), est décrit par la théorie relativiste de la mécanique classique, tandis que les mouvements analogues d'un noyau atomique sont décrits par la mécanique quantique.

Sous-disciplines

Voici deux listes de divers sujets étudiés en mécanique.

Notons qu'il existe aussi la « théorie des champs » qui constitue une discipline à part en physique, formellement traitée comme distincte de la mécanique, qu'il s'agisse des champs classiques ou des champs quantiques . Mais dans la pratique, les sujets appartenant à la mécanique et les domaines sont étroitement imbriqués. Ainsi, par exemple, les forces qui agissent sur les particules sont souvent dérivées de champs ( électromagnétiques ou gravitationnels ), et les particules génèrent des champs en agissant comme des sources. En fait, en mécanique quantique, les particules elles-mêmes sont des champs, comme décrit théoriquement par la fonction d'onde .

Classique

Le professeur Walter Lewin explique la loi de la gravitation de Newton dans le cours 8.01 du MIT .

Les éléments suivants sont décrits comme formant la mécanique classique :

Quantum

Sont classés comme faisant partie de la mécanique quantique :

Historiquement, la mécanique classique existait depuis près d'un quart de millénaire avant que la mécanique quantique ne se développe. La mécanique classique est née des lois du mouvement d' Isaac Newton dans Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , développées au cours du XVIIe siècle. La mécanique quantique s'est développée plus tard, au cours du XIXe siècle, précipitée par le postulat de Planck et l'explication d'Albert Einstein sur l' effet photoélectrique . Les deux domaines sont généralement considérés comme constituant la connaissance la plus certaine qui existe sur la nature physique.

La mécanique classique a surtout souvent été considérée comme un modèle pour d'autres sciences dites exactes . À cet égard, l'utilisation extensive des mathématiques dans les théories est essentielle , ainsi que le rôle décisif joué par l'expérience dans leur génération et leur test.

La mécanique quantique a une portée plus large, car elle englobe la mécanique classique en tant que sous-discipline qui s'applique dans certaines circonstances restreintes. Selon le principe de correspondance , il n'y a pas de contradiction ou de conflit entre les deux sujets, chacun se rapporte simplement à des situations spécifiques. Le principe de correspondance stipule que le comportement des systèmes décrits par les théories quantiques reproduit la physique classique dans la limite des grands nombres quantiques , c'est-à-dire que si la mécanique quantique est appliquée à de grands systèmes (par exemple une balle de baseball), le résultat serait presque le même si la mécanique classique avait été appliqué. La mécanique quantique a remplacé la mécanique classique au niveau fondamental et est indispensable pour l'explication et la prédiction des processus aux niveaux moléculaire, atomique et subatomique. Cependant, pour les processus macroscopiques, la mécanique classique est capable de résoudre des problèmes difficiles à gérer (principalement en raison des limites de calcul) en mécanique quantique et reste donc utile et bien utilisée. Les descriptions modernes d'un tel comportement commencent par une définition minutieuse de quantités telles que le déplacement (distance parcourue), le temps, la vitesse, l'accélération, la masse et la force. Jusqu'à il y a environ 400 ans, cependant, le mouvement était expliqué d'un point de vue très différent. Par exemple, suivant les idées du philosophe et scientifique grec Aristote, les scientifiques ont estimé qu'un boulet de canon tombe parce que sa position naturelle est sur la Terre ; le soleil, la lune et les étoiles voyagent en cercles autour de la terre parce que c'est la nature des objets célestes de voyager en cercles parfaits.

Souvent cité comme le père de la science moderne, Galilée a réuni les idées d'autres grands penseurs de son temps et a commencé à calculer le mouvement en termes de distance parcourue à partir d'une position de départ et de temps que cela a pris. Il a montré que la vitesse de chute des objets augmente régulièrement pendant le temps de leur chute. Cette accélération est la même pour les objets lourds que pour les objets légers, à condition de ne pas tenir compte du frottement de l'air (résistance de l'air). Le mathématicien et physicien anglais Isaac Newton a amélioré cette analyse en définissant la force et la masse et en les reliant à l'accélération. Pour les objets voyageant à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, les lois de Newton ont été supplantées par la théorie de la relativité d' Albert Einstein . [Une phrase illustrant la complication informatique de la théorie de la relativité d'Einstein.] Pour les particules atomiques et subatomiques, les lois de Newton ont été remplacées par la théorie quantique . Pour les phénomènes quotidiens, cependant, les trois lois du mouvement de Newton restent la pierre angulaire de la dynamique, qui est l'étude de ce qui cause le mouvement.

Relativiste

Semblables à la distinction entre la mécanique quantique et classique, les théories de la relativité générale et restreinte d' Albert Einstein ont élargi la portée de la formulation de la mécanique de Newton et Galilée . Les différences entre la mécanique relativiste et newtonienne deviennent significatives et même dominantes à mesure que la vitesse d'un corps se rapproche de la vitesse de la lumière . Par exemple, en mécanique newtonienne , l' énergie cinétique d'une particule libre est E = 1/2mv 2 , alors qu'en mécanique relativiste , c'est E = ( γ − 1) mc 2 (où γ est le facteur de Lorentz ; cette formule se ramène à l'expression newtonienne dans la limite des basses énergies).

Pour les processus à haute énergie, la mécanique quantique doit être ajustée pour tenir compte de la relativité restreinte ; cela a conduit au développement de la théorie quantique des champs .

Organisations professionnelles

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes