מכל מלמדײ השכלתי (duchifat) wrote,
מכל מלמדײ השכלתי
duchifat

Categories:

философское о трении

Не удержался и высказался про трение у Шкроба, напишу подробнее здесь. :)
http://shkrobius.livejournal.com/420072.html#comments
Если так рассуждать, то любой эмпирический закон тавтологичен. Возьмите з-н Гука, т.е. линейный з-н упругости. Он верен в ситуациях, когда отсутствуют неупругие деформации. А что такое упругая деформация? То, что описывается законом Гука. Или - длинный каталог всевозможных условий на все случаи жизни.

Линейных эмпирических законов много - з-н Ома, з-н Фика, з-н Фурье, з-н вязкого трения. Особенность з-на Кулона-Амонтона в этом ряду, на мой взгляд, совсем в другом. Отнюдь не в том, что он не работает в каких-то сложных динамических ситуациях. А в том, что "нормальные" законы имеют естественную форму. Они связывают термодинамические силы (электрическое напряжение, химический потенциал, градиент температур или концентраций, давление т.д.) и потоки (ток, поток вещества или тепла и т.д.). Первое приближение такой функциональной связи и дает линейный закон. (С законом Гука ситуация иная, это просто маленький линейный кусочек ван-дер ваальсова потенциала.) А вот с трением сложнее, потому что приложенная нагрузка ни в каком смысле термодинамической силой не является. И как "нормализовать" этот закон, сделaв его похожим на Ома, Фика, Фурье и другие "приличные" эмпирические законы -- нетривиальный вопрос.

"Приличный" эмпирический линейный закон должен связывать сопряженные переменные. Это такие, которые входят в выражение для энергии, например, dU=-Fdx, где F - сила, а x - перемещение. Ясно, что закон Гука, утверждающий, что сила пропорциональна перемещению (F=kx) вполне приличный. Как и закон Ома, Фика, Фурье, вязкого трения (жeлaющих разобраться, каким образом там сопряженные переменные, отсылаю к Википедии - там все написано). А вот с амонтон-кулоновским трением все сложнее.

Современная наука, в основе который лежит эксперимент или опыт, возникает в XVII веке, в некотором смысле, отпочковываясь от мистики. Дело в том, что в средние века, конечно, существовали разные направления мысли, но, так сказать, основной водораздел, "основной вопрос философии", состоял между рациональной мыслью, восходящей к учению Платона и Аристотеля (приводившей, конечно, к идее Абсолюта), и мистикой, т.е. идеей, что знания можно получать путем непосредственного мистического опыта либо из тайной традиции. Вот оттуда эта мысль, что знания можно получать из опыта, и проистекает. И первые естествоиспытатели были как правило мистиками. В 17 веке существовало три направления (1) рациональная мысль (2) мистика (каббала, алхимия, астрология) и (3) зарождающаясаы новая наука. Наука, отталкиваясь от идей Платона и Аристотеля, у которых она заимствовала рациональный метод, поставила во главу угла опыт.

Физика Аристотела не подразумевала опыт как основу исследования. Аристотель считал, что скорость движения пропорциональна действующей на тело силе (что-то вроде вязкого трения), что земное и небесное движение различны (земное - прямое, небесное - круговое), что движение и покой -- два принципиально разных состояния, что тела стремятся к местам, положенным составляющим их элементам. И развитие механики и физики состояло в преодолении этих идей. Оказалось (благодаря ат-Туси), что прямолинейное движение - частный случай кругового, покой - частный случай движения, небесное движение подчиняется тем же правилам, что и земное (яблоко и луна подчиняются одному закону).

Но одной из основных проблем для становления механики стала проблема инерции. Почему тело продолжает движение, даже когда на него не действует сила (например, стрела или камень, после того, как они выпущены из пращи)? Эта проблема, как ни странно, имеет прямое отношение к трению. Потому что это противоположные силы. Без инерции ничто бы не двигалось, без трения ничто бы не останавливалось. Инерция и трение идут рука об руку. Без трения стрела или повозка, которой сообщен импульс, будет вечно продолжать движение. Таким образом, инерция становится абсолютной проблемой. A, наоборот, "спрятать под ковер" инерцию до поры до времени можно именно благодаря трению, а вывести на свет только если признать трение в явном виде.

Конечно, проблеме инерции посвящено множество увлекательных страниц средневековой науки, там и Буридан (который с ослом), и т.н. "импетус" и "живая сила". Не буду обсуждать эти увлекательные идеи, скажу только что проблема инерции была решена в 17 веке Галилеем и Ньютоном.

А вот трение, напротив, было маргинализировано и утратило статус фундаментального явления, во многом, несправедливо, на мой взгляд. В механике есть четыре фундаментальных закона (два закона движения - для прямолинейного и для вращения, плюс первый и второй законы термодинамики для учета "скрытых" степеней свободы). А трение обычно, вводится чисто искусственно, как дополнительное условие. В то же время закон для трения наблюдается в очень широком диапазоне условий, для самых разных материалов и для нагрузок от нано-ньютонов (в нано-трибологии) до миллионов тонн (при движении тектонических плот в сейсмологии) и для самых разных механизмов трения (адгезионного, деформационного, fraction, ratcheting, plastic yield, etc.). Между универсальностью трения и искусственностью его введения в механику существует явное и бросающееся в глаза противоречие (по идее, его логично выводить из второго начала термодинамики, поскольку трение это один из способов необратимой диссипации). Поэтому, на мой взгляд, представление закона для сухого (Кулон-Амонтоновского) трения в термодинамически приемлемом виде (т.е. для сопряженных переменных) весьма важная проблема.
Tags: science
Subscribe

  • (no subject)

  • Y hacer de tu cuerpo todo un manuscrito

    С некоторыми опасениями я решил ознакомиться с текстом вот этой песни, слышанной тысячу раз. Знаю только, что Despacito значит "медленно".…

  • иногда смыслы не складываются в пазл :)

    Прекрасного вам в ленту. Daniel y Desiree исполняют вот эту прекрасную бачату на фестивале в Париже. Я был вчера на фестивале бачаты и сальсы в…

  • Post a new comment

    Error

    Comments allowed for friends only

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 7 comments