Исаак ньютон: краткая биография и его открытия

Содержание

Сферически симметричное тело создаёт за своими пределами такое же поле, как материальная точка той же массы, расположенная в центре тела.
Траектория материальной точки в гравитационном поле, создаваемом много большей по массе материальной точкой, подчиняется законам Кеплера. В частности, планеты и кометы в Солнечной системе движутся по эллипсам или гиперболам. Влияние других планет, искажающее эту картину, можно учесть с помощью теории возмущений.

Сама идея глобальной гравитационной силы была высказана много раз еще до Ньютона. Эпикур, Газенди, Кеплер, Борелли, Декарт, Робер, Хойгенс и другие думали об этом раньше. 1Кеплер считал, что гравитация обратно пропорциональна расстоянию от Солнца и что она распространяется только на падение уровня эклиптики, что, по его мнению, было результатом действия эфирной турбины. 2 Однако в письме к Хейли есть рассуждения, связанные с правильной опорой на расстояние Ньютона, а Бруальд, Рен и Ху 3 упоминаются как его предшественники. Однако до Ньютона никто не мог связать законы гравитации (силы, обратно пропорциональные квадрату расстояния) и планетарного движения (законы Кеплера) с четкими математическими доказательствами.

В крупном исследовании «Математические начала натуральной философии» (1687) Исаак Ньютон подвел закон гравитации под эмпирические законы Кеплера, как они были тогда известны. Он показал следующее:.

наблюдаемые движения планет свидетельствуют о наличии центральной силы;
обратно, центральная сила притяжения приводит к эллиптическим (или гиперболическим) орбитам.

Теория Ньютона отличалась от проблем его предшественников некоторыми существенными отличиями. Ньютон не только опубликовал гипотетический вид глобального закона всемирного тяготения, но и фактически предложил полную математическую модель.

закон тяготения;
закон движения (второй закон Ньютона);
система методов для математического исследования (математический анализ).

Вместе эта троица достаточна, чтобы завершить самые сложные движения небесных тел и тем самым создать основу для небесной инженерии. До Эйнштейна не было необходимости менять принципы вышеупомянутых моделей, но математические аппараты оказались значительно более развитыми.

Обратите внимание, что теория гравитации Ньютона, строго говоря, не является солнцецентричной. Планеты, которые уже находятся в проблеме двух тел, не вращаются вокруг Солнца, а вращаются вокруг общего центра тяжести, потому что Солнце притягивает планеты так же, как планеты притягивают Солнце

Наконец, стало ясно, что необходимо изучить влияние планет.

Со временем было установлено, что законы всемирного тяготения являются фундаментальными, объясняющими и точно предсказывающими движение небесных тел. В то же время теория Ньютона содержала несколько трудностей. Главным из них был огромный спектр загадочных явлений. Гравитация не могла быть полностью понята через пустое пространство и была бесконечно быстро заражена. По сути, ньютоновская модель была чисто математической и не имела физического содержания. Ведь если, как предполагается, Вселенная евклидова и бесконечна, а средняя плотность материи в ней ненулевая, то возникает гравитационный парадокс. В конце 19 века была обнаружена еще одна проблема. Расхождение между теоретическими и наблюдаемыми смещениями вокруг Гермеса.

Пример и инерциальная система отсчета

Сам Ньютон под своей идеальной инерциальной системой отсчета (ИСО), представлял не много не мало, а нашу гелиоцентрическую систему с Солнцем в ее центре, и планетами, которые движутся вокруг светила.

Непрерывное движение планет вокруг Солнца с неизменно постоянной скоростью по Ньютону и является самым важным примером осуществления первого закона Ньютона или закона инерции в нашей Вселенной.

Стоит заметить, что именно благодаря ИСО ученый и открыл свой не менее знаменитый закон всемирного тяготения (а вовсе не потому, что ему на голову упало яблоко, как говорит популярная легенда об ученом).

При помощи инерциальной системы отсчета и первого закона имени себя Исаак Ньютон объяснил законы небесной механики, казавшиеся загадкой для людей его времени.

Был долго этот мир глубокой тьмой окутанДа будет свет, и тут явился Ньютон.
(Эпиграмма XVIII века).

Но стоит заметить, что законы небесной механики в действительности оказались гораздо более сложными, чем видел их Ньютон. И когда на смену ему в ХХ век пришел другой гениальный физик по имени Альберт Эйнштейн со своей теорией относительности, человечеству вновь пришлось пересмотреть свои взгляды на устройство Вселенной, в частности выяснилось, что движение Земли (как впрочем, и других планет) вокруг Солнца все-таки не является инерциальной системой отсчета. На самом деле все гораздо сложнее.

Но сатана недолго ждал реванша –Пришел Эйнштейн, и стало все как раньше.
(Эпиграмма XХ века).

История

Современная аналитическая небесная механика началась с Исаак Ньютон с Principia 1687 г. Название «небесная механика» появилось позже. Ньютон писал, что эту область следует называть «рациональной механикой». Термин «динамика» появился немного позже с Готфрид Лейбниц, а спустя более века после Ньютона Пьер-Симон Лаплас ввел термин «небесная механика». До Кеплера связь между точным, количественным предсказанием положения планет с использованием или техники и современные обсуждения физических причин движения планет.

Иоганн Кеплер

Иоганн Кеплер (1571–1630) был первым, кто тесно интегрировал предсказательную геометрическую астрономию, которая доминировала с Птолемей во 2 веке до Коперник, с физическими концепциями для создания Новая астрономия, основанная на причинах, или небесная физика в 1609 году. Его работа привела к современные законы планетных орбит, который он разработал, используя свои физические принципы и планетарный наблюдения, сделанные Тихо Браге. Модель Кеплера значительно повысила точность предсказаний движения планет за много лет до этого. Исаак Ньютон разработал свой закон всемирного тяготения в 1686 г.

Исаак Ньютон

Исаак Ньютон (25 декабря 1642–31 марта 1727) считается представителем идеи о том, что движение объектов в небе, таких как планеты, то солнце, а Луна, и движение предметов по земле, например пушка шары и падающие яблоки, могут быть описаны одним и тем же набором физические законы. В этом смысле он объединил небесный и земной динамика. С помощью Закон всемирного тяготения Ньютона, доказать законы Кеплера для случая круговой орбиты несложно. Эллиптические орбиты предполагают более сложные вычисления, которые Ньютон включил в свою Principia.

Жозеф-Луи Лагранж

После Ньютона (25 января 1736-10 апреля 1813) попытался решить проблема трех тел, проанализировали устойчивость планетных орбит и обнаружили существование Лагранжевые точки. Лагранж также переформулировал принципы классическая механика, подчеркивая энергию больше, чем силу и развивая метод использовать уравнение в одной полярной координате для описания любой орбиты, даже параболической и гиперболической. Это полезно для расчета поведения планет и кометы и тому подобное. В последнее время стало также полезно вычислять космический корабль траектории.

Саймон Ньюкомб

Саймон Ньюкомб (12 марта 1835–11 июля 1909) был канадско-американским астрономом, который пересмотрел Питер Андреас Хансен таблица лунных позиций. В 1877 г. при содействии Джордж Уильям Хилл, он пересчитал все основные астрономические константы. После 1884 года он вместе с А.М.У. Даунингом разработал план по устранению большой международной путаницы по этому поводу. К тому времени, когда он посетил конференцию по стандартизации в Париж Во Франции в мае 1886 г. международный консенсус заключался в том, что все эфемериды должны основываться на расчетах Ньюкома. Следующая конференция в 1950 году подтвердила, что константы Ньюкома являются международным стандартом.

Альберт Эйнштейн

Альберт Эйнштейн (14 марта 1879-18 апреля 1955) объяснил аномальный в его статье 1916 года Основы общей теории относительности. Это заставило астрономов признать, что Ньютоновская механика не обеспечивал высочайшей точности. Бинарные пульсары были обнаружены, первые в 1974 г., орбиты которых не только требуют использования Общая теория относительности для их объяснения, но чья эволюция доказывает существование гравитационное излучение открытие, которое привело к присуждению Нобелевской премии по физике 1993 года.

Научная известность

В конце 1660-х годов Исаак Ньютон возвратился в Кембридж, где получил степень магистра, отдельное жилье и группу учеников, которым преподавал разные науки.

В то время физик сконструировал телескоп-рефлектор, который прославил его и позволил ему стать членом Лондонского королевского общества.

С помощью рефлектора было сделано огромное количество важных астрономических открытий.

В 1687 г. Ньютон завершил писать свой главный труд «Математические начала натуральной философии». Он стал основной рациональной механики и всего математического естествознания.

В книге были изложены закон всемирного тяготения, 3 закона механики, гелиоцентрическая система Коперника, и прочие важные сведения.

Данная работа изобиловала точными доказательствами и формулировками. В ней не было каких-либо абстрактных выражений и размытых трактовок, которые встречались у предшественников Ньютона.

В 1699 г., когда исследователь занимал высокие административные должности, в университете Кембриджа начали преподавать изложенную им систему мира.

Вдохновителями Ньютона в наибольшей степени были физики: Галилей, Декарт и Кеплер. Кроме этого он высоко ценил труды Евклида, Ферма, Гюйгенса, Валлиса и Барроу.

Краткая биография великого английского учёного Исаака Ньютона

Исаак Ньютон родился 4 января 1643 года. Так как отец мальчика, в честь которого он и был назван, погиб до его рождения, мать будущего учёного обзавелась новой семьёй, оставив сына на попечение родственников. Ньютон рос болезненным, но мечтательным ребёнком, уже в детском возрасте проявив любовь к чтению и разработке простых игрушек. Однако в первое время в школе мальчик плохо учился, и только случай помог изменить его отношение к учёбе. Будучи слабым ребёнком, Ньютон подвергся нападению со стороны своих одноклассников и, понимая, что едва ли сможет одолеть их физически, решил превзойти обидчиков умом.

Так, в 1661 году Исаак Ньютон стал студентом Колледжа Святой Троицы, находящегося под попечением Кембриджского университета, впоследствии связав с ним более 30 лет жизни. В период чумы, царствовавшей в Англии с 1665 по 1667 годы, Ньютон вернулся в домой, и, как после утверждал сам учёный, именно в этот период он сделал большую часть своих научных открытий.

Исаак Ньютон

В 1668 году после возвращения в колледж Исааком Ньютоном была получена магистерская степень, и он стал преподавателем в своей альма-матер. В последующие годы физик глубоко увлёкся алхимией, математическим анализом и проводил оптические опыты, и ему удалось изобрести телескоп-рефлектор, усовершенствованные версии которого помогли открыть многие астрономические объекты.

Ньютон был замкнутым, нелюдимым человеком, не любившим делиться своими научными результатами из-за споров и дискуссий, в которые его постоянно норовили втянуть. Зимой 1677 года в его доме случился пожар, в связи с чем сгорела большая часть его рукописных работ, а в мае того же года умер его друг Исаак Барроу, что стало невосполнимой утратой для учёного, которому за всю жизнь удалось сблизиться только с несколькими людьми.

В 1689 году, через два года после опубликования знаменитых «Начал», её автор начал административную деятельность, заседая от имени своего университета в парламенте, но в 1696 году Ньютон навсегда покинул колледж и получил должность хранителя Монетного двора.

Интересный факт: трудясь при дворе, физик смог придумать технологию чеканки, позволяющую минимизировать подделки. Новизна заключалась в отделке гуртов у монет маленькими линиями, что используется и сегодня.

В 1703 году Королевское общество выбрало Ньютона президентом, а в 1705 году королева Великобритании Анна даровала ему титул сэра, который был впервые присвоен за научные достижения.

Сэр Исаак Ньютон умер 31 марта 1727 года. Современники описывали, что в похоронах участвовал весь Лондон.

Вопрос о том, как был открыт закон всемирного тяготения, только на первый взгляд кажется простым. На самом деле его ответ скрывает в себе многолетний труд множества учёных, которые постепенно делали возможным данное открытие.

Изобретения Ньютона

Страсть к изобретениям начала проявляться еще в детском возрасте. Как упоминалось выше, в 1667 году изобретенный Исааком телескоп произвел неизгладимое впечатление на короля и ученых. Стал прорывом в области оптики.

За выдающиеся успехи в научной деятельности Ньютон получил звание рыцаря и герб. Но мало кто знает, какими еще изобретениями мы обязаны этому великому человеку:

Водяные часы. В работу их приводил деревянный брусок. Он вращался под действием капель воды, падающих на него;
Телескоп с вогнутой линзой. Это устройство открыло новые возможности для исследования звезд. Моряки использовали телескоп для ориентирования в море;
Ветряная мельница;
Самокат.

История ученого и исследователя

Про него можно было сказать словами поэта Николая Тихонова: «Гвозди б делать из этих людей. Крепче б не было в мире гвоздей». Родившись прежде положенного срока, очень маленьким и слабым, он прожил 84 года в полном здравии, до глубокой старости, посвятив всего себя развитию науки и занимаясь государственными делами. В течение всей своей жизни учёный придерживался твёрдых моральных принципов, был образцом честности, не стремился к публичности и славе. Не сломила его даже воля короля Якова II. Биография Исаака Ньютона богата на различные значимые события — начиная от открытий и заканчивая даже встречами с монаршими особами и посвящения его в рыцари.

Детство

Своё рождение в канун католического рождества Исаак считал особым знаком провидения. Ведь ему удалось совершить свои величайшие открытия. Словно новая Вифлеемская звезда, он осветил многие направления, по которым в дальнейшем развивалась наука. Многие открытия были сделаны благодаря намеченному им пути.

Родился будущий великий учёный, если считать по Юлианскому календарю, 25 декабря 1642 года в небольшой английской деревушке Вулсторп, расположенной в графстве Линкольншир.

В биографии мало что сказано о семье ученого. Отец Ньютона, казавшийся современникам чудаковатым и странным человеком, так и не узнал о рождении сына. Успешный фермер и хороший хозяин, всего несколько месяцев не доживший до появления сына на свет, оставил семье значительное хозяйство и денежные средства.

С юношеских лет, всю свою жизнь испытывающий нежную привязанность к матери, Исаак Ньютон не мог простить ей решения оставить его на попечительство бабушки и дедушки, после того, как та вышла замуж во второй раз. Автобиография, составленная им ещё в подростковом возрасте, повествует о порывах отчаянья и детских планах мести матери и отчиму. Исключительно бумаге смог он доверить рассказ о своих душевных переживаниях, по жизни знаменитый учёный был замкнут, не имел близких друзей и никогда не был женат.

В 12 лет он был определен в Грэнтемскую школу. Замкнутый и необщительный нрав, а также внутренняя сосредоточенность, настроили против него сверстников. С самого детства Исаак Ньютон предпочитал мальчишечьим проказам занятия естественными науками. Он много читал, увлекался конструированием механических игрушек, решал математические задачи. Конфликтная ситуация с одноклассниками сподвигла самолюбивого Ньютона стать лучшим учеником школы.

Учёба в Кембридже

Овдовев, мать Ньютона очень рассчитывала на то, что 16-летний сын начнёт помогать ей в ведении фермерских дел. Но совместными усилиями школьного учителя, дяди мальчика и особенно Хэмфри Бабингтона, члена Тринити-колледжа, удалось убедить её в необходимости дальнейшего обучения. В 1661 году Исаак Ньютон сдаёт экзамен по латинскому языку и поступает в Колледж Св.Троицы при Кембриджском университете. Именно в этом учреждении, согласно приведенной биографии, в течении 30 лет он изучал науки, проводил опыты и совершал мировые открытия.

Вместо оплаты за учёбу в колледже, где юноша сначала жил в качестве студента-сайзера, ему приходилось выполнять некоторые поручения более богатых студентов и другие хозяйственные работы по университету. Уже через 3 года, в 1664 году, Исаак Ньютон сдаёт экзамены с отличием и получает повышенную ученическую категорию, а также право не только на бесплатное обучение, но и на стипендию.

Учеба так увлекала и вдохновляла его, что по воспоминаниям однокурсников, которые вошли в биографию, он мог забыть о сне и еде. По-прежнему занимался механикой и конструировал различные вещи и инструменты, увлекался математическими расчетами, астрономическими наблюдениями, исследованиями в области оптики, философией, даже теорией музыки и историей.

Решив посвятить свои годы жизни науке, Исаак Ньютон отказывается от любви и планов по созданию семьи. Юная воспитанница аптекаря Кларка, у которого в школьные годы он жил, тоже не вышла замуж и на всю жизнь сохранила нежную память о Ньютоне.

Теория возмущений [ править ]

Теория возмущений включает математические методы, которые используются для поиска приближенного решения проблемы, которая не может быть решена точно. (Это тесно связано с методами, используемыми в численном анализе , которые являются древними .) Самое раннее использование современной теории возмущений заключалось в том, чтобы иметь дело с иначе неразрешимыми математическими проблемами небесной механики: решение Ньютона для орбиты Луны , которая движется заметно отличается от простого кеплеровского эллипса из-за конкурирующей гравитации Земли и Солнца .

Методы возмущений начинаются с упрощенной формы исходной задачи, которая тщательно выбирается для обеспечения точного решения. В небесной механике это обычно кеплеровский эллипс , который верен, когда есть только два гравитирующих тела (скажем, Земля и Луна ), или круговая орбита, которая верна только в особых случаях движения двух тел, но часто бывает достаточно близко для практического использования.

Решенная, но упрощенная задача затем «возмущается», чтобы сделать ее уравнения скорости изменения положения объекта более близкими к значениям из реальной задачи, таким как включение гравитационного притяжения третьего, более удаленного тела ( Солнце ). Незначительные изменения, которые происходят из-за членов в уравнениях, которые сами по себе могли быть еще раз упрощены, используются как поправки к исходному решению. Поскольку упрощения делаются на каждом этапе, исправления никогда не бывают идеальными, но даже один цикл исправлений часто обеспечивает значительно лучшее приближенное решение реальной проблемы.

Нет требования останавливаться только на одном цикле исправлений. Частично скорректированное решение может быть повторно использовано в качестве новой отправной точки для еще одного цикла возмущений и исправлений. В принципе, для большинства проблем переработка и уточнение предшествующих решений для получения нового поколения лучших решений может продолжаться бесконечно, с любой желаемой конечной степенью точности.

Общая трудность этого метода заключается в том, что исправления обычно постепенно усложняют новые решения, поэтому управлять каждым циклом гораздо сложнее, чем предыдущим циклом исправлений. Сообщается, что Ньютон сказал относительно проблемы орбиты Луны : «Это вызывает у меня головную боль».

Эта общая процедура — начиная с упрощенной задачи и постепенно добавляя поправки, которые приближают исходную точку исправленной проблемы к реальной ситуации, — является широко используемым математическим инструментом в передовых науках и технике. Это естественное продолжение метода «угадай, проверь и исправь», который издревле использовался с числами .

Законы механики.

Законы Ньютона — три важнейших закона классической механики, которые позволяют записать уравнения движения для любой механической системы, если известны силы, действующие на составляющие ее тела.

Первый закон Ньютона — закон инерции

Определение: Всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит её изменить это состояние.

Закон инерции: Если на тело нет внешних воздействий, то данное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения относительно Земли.

Инерциальная система отсчёта (ИСО) – система, которая либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно относительно какой-то другой инерциальной системы. Т.е. система отсчета, в которой выполняется 1-й закон Ньютона.

Масса тела – количественная мера его инертности. В СИ она измеряется в килограммах.
Сила – количественная мера взаимодействия тел. Сила – векторная величина и измеряется в ньютонах (Н). Сила, которая производит на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих сил, называется равнодействующей этих сил.

Первый закон Ньютона содержится 2 важных утверждения:

все тела обладают свойством инерции;
инерциальные системы отсчета существуют.

Второй закон Ньютона.

2 закон Ньютона называют еще основным законом динамики.

Определение: Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение, причем направления силы и ускорения совпадают. Если на тело действует сила, то оно приобретает ускорение.

m— масса материальной точки
F— сила, действующая на тело/ускорение материальной точки
a— ускорение тела

Второй закон Ньютона в импульсной форме:

Единица измерения — единица силы — 1 Н (1 ньютон) — сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с2.

1 Н = 1 кг · 1 м/с2 = 1 кг · м/с2.

Ускорение, приобретаемое материальной точкой в ИСО:

Прямо пропорционально действующей на точку силе;
Обратно пропорционально массе точки;
Направлено в сторону действия силы. Если на тело одновременно действуют несколько сил — F1, F2 и F3, то под силой в формуле, выражающей второй закон Ньютона, нужно понимать равнодействующую всех сил: F=F1+F2+F3F=F1+F2+F3

Третий закон Ньютона.

Определение: Взаимодействия двух тел друг на друга равны между собой и направлены в противоположные стороны.

Суть третьего закона Ньютона: на каждое действие есть своё противодействие.

Отличие 3 закона от 1 и 2 закона Ньютона. В первом и во втором законах Ньютона рассматривается только одно тело. В 3 законе рассматривается взаимодействие двух тел с силами, одинаковыми по модулю и противоположными по направлению. Эти силы называют силами взаимодействия. Они направлены вдоль одной прямой и приложены к разным телам.

F1 — это сила, с которой первое тело действует на второе,
F2 — сила, с которой второе тело действует на первое.

Знак «минус» показывает, что векторы сил направлены в разные стороны.

Примеры: Все тела во Вселенной взаимодействуют друг с другом, если одно тело тянет другое. Или два тела отталкиваются подчиняясь этому закону.

Вспоминая предыдущие законы Ньютона, отметим, что силы, появляющиеся при взаимодействии между собой объектов, но приложенные к разным материальным точкам между собой не уравновешены. Они могут быть уравновешенными только, если приложены к одному телу.

Портрет Исаака Ньютона: личная жизнь ученого

Составить однозначный психологический портрет гения довольно сложно, потому что данные ему от разных людей характеристики порой разительно отличаются. Но если обратиться к проверенным источникам, выйдет следующее:

Не проявлял раздражения, не шутил и не смеялся над шутками — казалось ученому чувство юмора было совсем чуждым.
Был очень требовательным к себе: считал время, не посвященное служению науки, безнадежно утраченным.
На этой личности очень сказалось воспитание в пуританских традициях — он с юности установил для себя жесткие ограничения и правила. В частности, никогда не прощал другим то, что бы не простил самому себе.
В повседневности всегда был «внутри себя», донельзя сосредотачивался на мыслях, проявляя рассеянность и равнодушие к обычной жизни. При этом бессердечным к окружающим его никто не смог бы назвать.
Ученому была свойственна природная практичность и житейское здравомыслие, что помогло в управлении Королевским обществом и Монетным двором.
В быту Ньютон был бережливым и аккуратным, но точно не скупым. С радостью финансово помогал родне, молодым ученым и знакомым, нуждающимся в деньгах.
Несмотря на то, что исследователь с теплотой относился к целому кругу людей, близких друзей у него не было никогда.
Отлично рисовал, но не проявлял никаких чувств к путешествиям, искусству, спорту.
К почтенному возрасту ученый стал более добрым, общительным и снисходительным, что не наблюдалось в нем ранее.

О личной жизни Исаака Ньютона сказать в полном смысле слова нечего. У него не было ни жены, ни детей — мужчина никогда не искал общества других людей, а с женщинами держался отстраненно. Впрочем, после смерти сводной сестрицы Анны именно ученый выплачивал детям умершей пособия, а племянницу Кэтрин и вовсе взял к себе на воспитание.