|
Ο κλάδος της μηχανικής διαχωρίζεται κυρίως σε δύο (2) στενότερους κλάδους, που ονομάζονται, αντίστοιχα, κλασική μηχανική και [[κβαντική μηχανική]].
Ιστορικά, η κλασική μηχανική υπήρξε πρώτη ενώ η κβαντομηχανική είναι μια σχετικά πρόσφατη ανακάλυψη. Η κλασική μηχανική είναι παλιότερη απ' τη γραπτή [[ιστορία]], αν και θεμελιώθηκε από τους νόμους κίνησης του Νεύτωνα στο κλασικό του έργο ''Principia Mathematica'', ενώ η κβαντομηχανική δεν εμφανιστηκεεμφανίστηκε πριν το [[1900]]. Και οι δύο θεωρείται ότι αποτελούν την πιο ασφαλή γνώση που υπάρχει για τον φυσικό κόσμο. Η κλασική μηχανική ειδικά συχνά θεωρείται ως ένα μοντέλο των αποκαλούμενων «επιστημών ακριβείας». Βασικές από την άποψη αυτή είναι η αμείλικτη χρήση των [[μαθηματικά|μαθηματικών]] σε θεωρίες, καθώς και τον καθοριστικό ρόλο που διαδραματίζει και το [[πείραμα]] και για τη δημιουργία των θεωριών τους, αλλά και για την επιβεβαίωσή τους, με τη δοκιμή τους.
H κβαντική μηχανική είναι, τουλάχιστον επίσημα, ένα ευρύτερο πεδίο και μπορεί να φανεί ότι εμπεριέχει την κλασική μηχανική σαν έναν υποτομέα της, που εφαρμόζεται υπό περιορισμένες συνθήκες. Αν η σχετική επιστήμη ερμηνευτεί σωστά, δεν υπάρχει αντίθεση ή σύγκρουση μεταξύ των δύο εννοιών με την κάθε μια να αναφέρεται σε συγκεκριμένες καταστάσεις. Η αντίστοιχες αρχές συμπεριφοράς στα συστήματα που περιγράφονται από τις κβαντικές θεωρίες και αναπαράγονται από την κλασική φυσική στο όριο των μεγάλων κβαντικών αριθμών. Η κβαντική μηχανική ξεπέρασε την κλασική στο θεμελιώδες επίπεδο και είναι απαραίτητη για την εξήγηση και της πρόβλεψη των διεργασιών σε μοριακό, ατομικό και υποατομικό επίπεδο. Ωστόσο, για μακροσκοπικές διεργασίες, η κλασική μηχανική είναι ικανηικανή να λύσει προβλήματα που είναι αφάνταστα δύσκολα για την κβαντική μηχανική και συνεπώς παραμένει χρήσιμη και συχνά εφαρμοζόμενη. Οι σύγχρονες περιγραφές τέτοιων συμπεριφορών αρχίζουν με έναν προσεκτικό ορισμό τέτοιων μεγεθών όπως η [[απόσταση (γεωμετρία)|απόσταση κίνησης]], ο [[χρόνος]], η [[ταχύτητα]], η [[επιτάχυνση]], η [[μάζα]] και η [[δύναμη]].
Συνοψίζοντας, αν και η κλασική μηχανική εξηγεί, ακόμη και σήμερα, ικανοποιητικά την κίνηση σωμάτων της καθημερινότητας, βρέθηκε τελικά ότι έχει δύο (2) αδυναμίες, εξαιτίας των οποίων ξεπεράστηκε, χωρίς όμως ποτέ να αχρηστευθεί:
== Σχετικιστική έναντι Κλασικής Μηχανικής ==
Σε αναλογία με τη διάκριση ανάμεσα στην κβαντική και την κλασική μηχανική, οι θεωρίες της ειδικής και γενικής [[θεωρία της σχετικότητας|σχετικότητας]] του [[Άλμπερτ Αϊνστάιν|Αϊνστάιν]] έχουν επεκτείνει το πεδίο της μηχανικής πέρα από την μηχανική του [[Ισαάκ Νεύτωνας|Νεύτωνα]] και του [[Γαλιλαίος Γαλιλέι|Γαλιλαίου]] και έκαναν μικροδιορθώσεις σε αυτές, δημιουργώντας μια επέκταση της μηχανικής, που αποκαλείται «σχετιστικήσχετικιστική μηχανική». Πιο συγκεκριμένα, οι διαφορές μεταξύ σχετιστικήςσχετικιστικής και κλασικής μηχανικής γίνονται σημαντικές όταν ένα σώμα προσεγγίζει την ταχύτητα του φωτός, οπότε σύμφωνα με τη σχετιστικήσχετικιστική μηχανική διαφοροποιείται και η μάζα του σώματος, ενώ σύμφωνα με την κλασική όχι. Σύμφωνα με το [[Νόμοι κίνησης του Νεύτωνα|νόμο κίνησης του Νεύτωνα]] της κλασικής μηχανικής ισχύει: '''F = ma''', ενώ σύμφωνα με τον αντίστοιχο νόμο της σχετιστικήςσχετικιστικής μηχανικής, τους [[Μετασχηματισμοί Λόρεντζ|μετασχηματισμούς]] του [[Χέντρικ Λόρεντζ]], ισχύει '''F = γma''', όπου ο επιπλέον παράγοντας γ τείνει να εξισωθεί με το 1, για τις πιο συνηθισμένες («καθημερινές») χαμηλές ταχύτητες. Δηλαδή και πάλι, αν και ξεπεράστηκε η κλασική μηχανική, δεν έχει αχρηστευθεί για τις περισσότερες εφαρμογές της καθημερινότητας.
Οι σχετικιστικές διορθώσεις βρέθηκε ότι χρειάζονταν επίσης και για την κβαντική μηχανική, σχηματίζοντας τελικά το σύνθετο οικοδόμημα της [[σχετιστικήςΣχετικιστική κβαντική μηχανική|σχετικιστικής κβαντικής μηχανικής]], που αναφέρεται σε υποατομικά σωματίδια που κινούνται σε ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός.
Δεν υπάρχουν αντιφάσεις ή συγκρούσεις μεταξύ των δύο, εφ' όσον λαμβάνονται προσεκτικά υπόψη οι συγκεκριμένες περιστάσεις. Ακριβώς όπως κάποιος θα μπορούσε, υπό τη χαλαρότερη πιθανή έννοια, να πει πως η κλασική μηχανική εξετάζει τα «μεγάλα» σώματα (όπως μέρη μηχανών), ενώ η κβαντική μηχανική «μικρά» (όπως τα σωματίδια), θα μπορούσε να ειπωθεί επίσης ότι ο σχετικιστική μηχανική εξετάζει τα «γρήγορα» σώματα και οι μη-σχετιστικέςσχετικιστικές μηχανικές τα «αργά». Παρόλα αυτά, «γρήγορος» και «αργός» είναι σχετικές έννοιες που εξαρτώνται με την κατάσταση της κίνησης του παρατηρητή. Αυτό σημαίνει ότι όλες οι «μηχανικές», είτε κλασικές είτε κβαντικές, πρέπει πιθανόν να περιγραφούν σχετιστικάσχετικιστικά. Αφετέρου, ως παρατηρητής, κάποιος μπορεί συχνά να δημιουργήσει την κατάσταση κατά τέτοιο τρόπο ώστε κάτι τέτοιο να μην απαιτείται.
== Γενική σχετικιστική έναντι κβαντικής σχετικιστικής ==
{{Κύριο|Αριστοτέλεια μηχανική}}
Οι αρχαίοι [[αρχαία Ελλάδα|Έλληνες]] [[φιλοσοφία|φιλόσοφοι]], και ιδιαίτερα ο [[Αριστοτέλης]], ήταν από τους πρώτους και πρότειναν όριότι κάποιες θεμελειώδειςθεμελιώδεις αρχές κυβερνούν τη φύση. Ο Αριστοτέλης, στο σύγγραμμά του «[[Περί ουρανού]]», υποστήριξε ότι τα γήινα αντικείμενα ανεβαίνουν ή πέφτουν στη «φυσική θέση τους». Ακόμη, υποστήριξε (λανθασμένα) ότι ένα αντικείμενο με διπλάσιο [[βάρος]] από ένα άλλο, αν πέφτουν και τα δυο από το ίδιο ύψος, πέφτει στο μισό [[χρόνος|χρόνο]]. Ο Αριστοτέλης πίστευε στην λογική και την παρατήρηση, αλλά ήταν πάνω από χίλια οκτακόσια χρόνια πριν ο [[Φράνσις Μπέικον]] αναπτύξει και την επιστημονική μέθοδο του πειραματισμού, την οποία ονόμασε «μια ενόχληση της φύσης»<ref> Peter Pesic (1999). "Wrestling with Proteus: Francis Bacon and the "Torture" of Nature". Isis (The University of Chicago Press on behalf of The History of Science Society) 90 (March 1999): 81–94. doi:10.1086/384242. JSTOR 237475.</ref>.
Ο Αριστοτέλεις «είδε» ένα διαχωρισμό μεταξύ της «φυσικής κίνησης» και της «εξαναγκασμένης κίνησης» και πίστευε ότι σε ένα υποθετικό κενό, δεν υπάρχει λόγος για ένα σώμα να κινείται φυσικά προς ένα σημείο και όχι προς ένα άλλο, οπότε συμπέρανε ότι ένα σώμα στο κενό πρέπει ή να είναι ακίνητο («σε ηρεμία») ή να κινείται επ'´ άπειρο γρήγορα. Μ' αυτόν τον τρόπο, ουσιαστικά ο Αριστοτέλης ήταν ο πρώτος που πλησίασε σε κάτι παρόμοιο με το «νόμο της αδράνειας» (της Κλασικής Μηχανικής). Ωστόσο, θεωρούσε ότι το κενό είναι αδύνατο να υπάρξει, γιατί αν έστω δημιουργούνταν κάπου ένα πρόσκαιρο κενό, ο περιβάλλοντας αέρας θα έσπευδε γρήγορα να το γεμίσει. Επίσης, πίστευε ότι ένα σώμα, που κινείται κάτω από την επίδραση «μη φυσικής δύναμης», θα σταματήσει, αν πάψει να ενεργεί επάνω του αυτή η εφαρμοζόμενη «αφύσικη δύναμη». Αργότερα, οι Αριστοτελικοί φιλόσοφοι ανέπτυξαν μια «περίτεχνη» εξήγηση στο ερώτημα «γιατί ένα βέλος συνεχίζει να πετά στον αέρα, αφού αφήσει το τόξο», προτείνοντας ότι το βέλος, με την κίνησή του, σχηματίζει προσωρινά κενό στο δρόμο του, οπότε ο αέρας το σπρώχνει από πίσω. Τα πιστεύω του Αριστοτέλη είχαν επιρεαστείεπηρεαστεί από τις διδασκαλίες του [[Πλάτων|Πλάτωνα]] σχετικά με την τελειότητα της ομοιόμορφης [[κύκλος|κυκλικής]] κίνησης των ουράνιων σωμάτων. Επομένως, συμπαίρανεσυμπέρανε ότι η φυσική τάξη των κινήσεων των ουρανίων σωμάτων είναι απαραίτητα τέλεια, σε αντίθεση με το γήινο κόσμο της αλλαγής των στοιχείων, όπου τα ανεξάρτητα πάνε και έρχονται (σε αταξία). Μια μεταγενέστερη εξέλιξη αυτής της παράδοσης έγινε από τον [[Ίππαρχος ο Ρόδιος|Ίππαρχο]]<ref name="mechanics">"[http://golem.ph.utexas.edu/category/2008/01/a_tiny_taste_of_the_history_of.html A Tiny Taste of the History of Mechanics]". The University of Texas at Austin.</ref>.
Ο Γαλιλέος αργότερα παρατήρησε ότι «η αντίσταση του αέρα εμφανίζεται με δύο τρόπους: α) Προσφέροντας μεγαλύτερη αντίσταση στα λιγότερο πυκνά σώματα, απ' ότι στα πυκνότερα σώματα. β) Προσφέροντας μεγαλύτερη αντοχή σε ένα σώμα σε γρήγορη κίνηση από ό,τι στο ίδιο το σώμα σε αργή κίνηση.»<ref>Galileo Galilei, Dialogues Concerning Two New Sciences by Galileo Galilei. Translated from the Italian and Latin into English by Henry Crew and Alfonso de Salvio. With an Introduction by Antonio Favaro (New York: Macmillan, 1914). Chapter: The Motion of Projectiles</ref>
==== Μηχανική της Νεώτερης Εποχής - Ο σχηματισμός της Κλασικής Μηχανικής ====
Η εξέλιξη του [[τηλεσκόπιο|τηλεσκοπίου]] από το [[Γαλιλαίος Γαλιλέι|Γαλιλέο]] και οι παρατηρήσηςπαρατηρήσεις του ξεκαθάρησανξεκαθάρισαν ότι στον ουρανό τα πράγματα δεν ήταν ούτε τέλεια, ούτε αμετάβλητα. Υιοθετώντας την ηλιοκεντρική υπόθεση (που νωρίτερα είχε διατυπώσει ο [[Αρίσταρχος ο Σάμιος]]) του [[Νικόλαος Κοπέρνικος|Κοπέρνικου]], ο Γαλιλαίος πίστευε ότι η [[Γη]] ήταν ίδια όπως άλλοι [[πλανήτης|πλανήτες]]. Ο Γαλιλαίος ίσως να πραγματοποίησε το περίφημο πείραμά του, αφήνοντας δυο μπάλες [[κανόνι|κανονιού]] από τον [[Πύργος της Πίζας|Πύργο της Πίζας (οπότε η θεωρία και η πράξη απέδειξαν ότι τα δυο σώματα χτύπησαν το έδαφος ταυτόχρονα). Παρόλο που η πραγματικότητα αυτού του πειράματος αμφισβητήθηκε, ο ίδιος πραγματοποίησε πειράματα κυλώντας [[σφαίρα|σφαίρες]] σε [[κεκλιμένο επίπεδο|κεκλιμένα επίπεδα]] και η σωστή θεωρία του για την [[επιταχυνόμενη κίνηση]] προφανώς προήλθε από τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων του. Ο Γαλιλαίος επίσης βρήκε ότι ένα σώμα που πέφτει κάθετα χτυπά το έδαφος στον ίδιο χρόνο με ένα άλλο σώμα που εκτοξεύτηκε οριζόντια. Έτσι, μια Γη περιστρέφεται ομοιόμορφα, τα αντικείμενα εξακολουθούν να πέφτουν στο έδαφος κάτω από την επίδραση της [[βαρύτητα|βαρύτητας]]. Ακόμη πιο σημαντικά, ισχυρίστηκε ότι η ομοιόμορφη κίνηση δεν μπορεί να διακριθεί από την υπόλοιπη, και έτσι διαμόφωσεδιαμόρφωσε τα βασικά για την ανάπτυξη της θεωρίας της σχετικότητας.
Ο Ισαάκ Νεύτωνας ήταν ο πρώτος που ενοποίησε τρεις (3) νόμους της κίνησης (το νόμο της αδράνειας, το δεύτερο νόμο του που αναφέρεται πιο πάνω και τον νόμο δράσης - αντίδρασης), και απέδειξε ότι αυτοί (οι ίδιοι νόμοι) «κυβερνούν» τόσο τα γήινα, όσο και τα ουράνια σώματα. Ο Νεύτωνας, και οι περισσότεροι από τους συγχρόνους του, με την αξιοσημείωτη εξαίρεση του [[Κρίστιαν Χόυχενς]] (''Christiaan Huygens''), έλπιζαν ότι η κλασικκήκλασική μηχανική θα ήταν ικανή να εξηγήσει όλες τις οντότητες, συμπεριλαμβανομένου του [[φως|φωτός]] (με τη μορφή της [[γεωμετρία|γεωμτρικήςγεωμετρικής]] [[οπτική|οπτικής]]). Η εξήγηση του ίδιου του Νεύτωνα για τους ομώνυμους δακτυλίους απέφυγε τις [[κύμα|κυματικές]] ιδιότητες και υπέθεσε ότι τα σωματίδια του φωτός ([[φωτόνιο|φωτόνια]]) είχαν τροποποιηθεί ή διεγερθεί από το γυαλί και αντήχησαν.
Ο Νεύτωνας επίσης ανέπτυξε τον λογισμό που είναι απαραίτητος για να εκτελεστούν οι μαθηματικοί υπολογισμοί που περιλαμβάνονται στην κλασική μηχανική. Ωστόσο ήταν ο [[Γκότφριντ Βίλχελμ Λάιμπνιτς]] (''Gottfried Leibniz'') που, ανεξάρτητα από το Νεύτωνα, ανέπτυξε το λογισμό με τη σημειογραφία της [[παράγωγοςςπαράγωγος|παραγώγου]] και του [[ολοκλήρωμα|ολοκληρώματος]], που χρησιμοποιούνται ως τις μέρες μας. Τα κλασικά μαθηματικά διατηρούν όμως και το συμβολισμό του Νεύτωνα, των παραγώγων με τόνους π.χ. [f΄(x)].
Ο [[Λέοναρντ Όιλερ]] (''Leonard Euler'') επέκτεινε τους νόμους κίνησης του Νεύτωνα από σωμάτια σε στερεά σώματα, με δυο πρόσθετους νόμους.
Μετά το Νεύτωνα, οι επαναδιαμορφώσεις των τύπων, προοδευτικά, επέτρεψαμεπέτρεψαν λύσεις για πολύ μεγαλύτερο αριθμό προβλημάτων. Η πρώτη επαναδιαμόρφωση έγινε το [[1798]] από το [[Ζοζέφ Λουί Λαγκράνζ]] (''Joseph Louis Lagrange''), ένσνέναν γαλλοϊταλόΓαλλοϊταλό μαθηματικό. Στη [[Λαγκρανζιανή μηχανική]], η λύση χρησιμοποιεί τη διαδρομή της ελάχιστης δράσης και ακολουθεί ο υπολογισμός των [[Μεταβλητή (Μαθηματικά)|μεταβολών]]. Ο [[Γουΐλλιαμ Ρόουαν Χάμιλτον]] (''William Rowan Hamilton'') επαναδιαμόρφωσε τη Λαγκρανζιανή μηχανική, το [[1833]]. Το πλεονέκτημα της [[Χαμιλτόνια μηχανική|Χαμιλτόνιας μηχανικής]] ήταν ότι στο πλαίσιό της επέτρεψε μια βαθύτερη ματιά στις βασικές αρχές. Το μεγαλύτερο μέρος του πλαισίου της Χαμιλτόνιας μηχανικής μπορεί να φαίνεται (περισσότερο) στην κβαντική μηχανική, όμως (εκεί) οι ακριβείς σημασίες των όρων διαφέρουν λόγω των κβαντικών φαινομένων.
Παρόλο που η κλασική μηχανική είναι σε μεγάλο ποσοστό «συμβατή» με τις υπόλοιπες θεωρίες της «κλασικής φυσικής», όπως η [[κλασική ηλεκτροδυναμική]] και η [[θερμοδυναμική]], ανακαλύφθηκαν μερικές δυσκολίες, κατά το τέλος του [[19ος αιώνας|19ου αιώνα]], που μπορούν να επιλυθούν με τη χρήση πιο σύγχρονης φυσικής. Όταν συνδυαστεί με την κλασική θερμοδυναμική, η κλασική μηχανική οδηγεί στο λεγόμενο [[παράδοξο του Γκιμπς]] (''Gibbs paradox''), κατά το οποίο η [[εντροπία]] δεν είναι μια καλά ορισμένη ποσότητα. Όταν τα πειράματα έφτασαν σε αυομικόατομικό επίπεδο, η κλασική μηχανική απέτυχε να εξηγήσει, έστω και κατά [[προσέγγιση]], τόσο βασικά πράγματα, όσο τα ενεργειακά επίπεδα και τα μεγέθη των ατόμων. Η προσπάθεια για την επίλυση τέτοιων προβλημάτων οδήγησε (τελικά) στην ανάπτυξη της κβαντομηχανικής. Ομοίως, η διαφοετικήδιαφορετική συμπεριφορά του κλασικού [[ηλεκτρομαγνητισμός|ηλεκτρομαγνητισμού]] και της κλασικής μηχανικής κάτωακάτω από μερασχηματισμούςμετασχηματισμούς (σε μεγάλες) ταχύτητες, οδήγησε (τελικά) στη θεωρία της σχετικότητας.
==== Η Κλασική Μηχανική από τον 20ό αιώνα και μετά ====
Από το τέλος του [[20ός αιώνας|20ού αιώνα]], η κλασική μηχανική στη φυσική δεν είναι πλέον μια ανεξάρτητη θεωρία. Μαζί με τον κλασικό ηλεκτρομαγνητισμό, έχει ενταχθεί στη [[σχετικιστική κβαντομηχανική]] ή τη [[θεωρία κβαντικού πεδίου]]<ref>eter Pesic (1999). "Wrestling with Proteus: Francis Bacon and the "Torture" of Nature". Isis (The University of Chicago Press on behalf of The History of Science Society) 90 (March 1999): 81–94. doi:10.1086/384242. JSTOR 237475. More than one of |number= and |issue= specified (help).</ref> Ορίζεται σε μη σχετιστικιστικάσχετικιστικά και μη κβαντομηχανικά όρια, σε (σχετικά) μεγάλα σώματα (και σε σχετικά μικρές ταχύτητες).
Η κλασική μηχανική έχει γίνει επίσης η πηγή της έμπνευσης για τους [[μαθηματικά|μαθηματικούς]]. Η συνειδητοποίηση ότι ο χώρος των φάσεων στην κλασική μηχανική παραδέχεται μια φυσική περιγραφή ως μια [[συμπλεκτική πολλαπλότητα]] (''symplectic manifold'', πράγματι μια [[συνεφαπτομένη δέσμη]] (''cotangent bundle'') στις περισσότερες περιπτώσεις φυσικού ενδιαφέροντος), και [[συμπλεκτική τοπολογία]] (''symplectic topology''), που μπορεί να θεωρηθεί ως μια μελέτη για σφαιρικά ζητήματα χαμιλτόνειας μηχανικής, έχει γίνει μια «γόνιμη περιοχή» για τη μαθηματική έρευνα από τη δεκαετία του [[1980]].
Έπειτα, το [[1905]], ο [[Άλμπερτ Αϊνστάιν]] (''Albert Einstein''), στη προσπάθειά του να εξηγήσει το φωτοηλρκτρικό φαινόμενο, που είχε ανεφερθεί από τον Χάινριχ Χερτζ το 1887, το συσχέτησε με την κβαντική υπόθεση του Μαξ Πλανκ, δηλαδή με την υπόθεση ότι το ίδιο το [[φως]] αποτελείται από κβαντομηχανικά σωματίδια, που το [[1926]] ονομάστηκαν «[[φωτόνιο|φωτόνια]]» από το [[Γκίλμπερτ Νιούτων Λιούις]] (''Gilbert N. Lewis''). Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο παρατηρήθηκε όταν φως με ιδιαίτερο [[μήκος κύματος]] πέφτει πάνω σε ορισμένα υλικά, όπως [[μέταλλα]], κάνοντάς κάποια από τα ηλεκτρόνιά τους να εκτοξευτούν έξω από τα υλικά αυτά, αλλά μόνο αν η κβαντική ενέργεια του φωτός είναι μεγαλύτερη από το [[επίπεδο Φέρμι]] του υλικού αυτού (συνήθως μετάλλου).
Η φράση «κβαντομηχανική» (''quantum mechanics'') χρησιμοποιήθηκε το [[1924]] σε φυλλάδιο του [[Μαξ Μπορν]] (''Max Born'') με τίτλο «Zur Quantenmechanik». Στα επόμενα χρόνια, αυτή η θεωρητική βάση αργά άρχησεάρχισε να εφαρμόζεται στη χημική δομή, στη δραστικότητα και στη δεσμολογία.
== Τύποι μηχανικών σωμάτων ==
|
