Глава I. Экскурсы в историю механики

1. К истории кинематики

Раздел механики курса физики начинается с кинематики. Эта дань традиции имеет исторические причины.

Механика была порождена деятельностью человека по механизации процессов производства. Пока люди не научились использовать энергию горючих ископаемых, центральную роль играли различные механизмы. И первой, естественно, была кинематика механизмов. Основная проблема здесь - преобразование вращательного движения в поступательное. Первые книги о механизмах появляются в XV в., их число постепенно увеличивается. В середине XVIII в. создается теоретическая база. Французский ученый Жан Даламбер (1717-1783) в своей книге "Динамика" (1743) высказывает мысль, что механику надо изучать с движения как такового. Эту мысль развивает петербургский академик Леонард Эйлер (1707-1783) в знаменитой "Теории движения твердых тел". Он считает целесообразным разделить исследование движения твердого тела на две части: геометрическую и механическую. Перемещение точек тела надо исследовать, не рассматривая причин движения, для получения аналитических формул, определяющих перемещение. Выделяется, таким образом, чисто геометрический аспект проблемы, и это, естественно, дает методические преимущества, упрощая подходы и поиски решения.

Еще более определенно идея выделения кинематики сформулирована выдающимся деятелем Великой французской революции Л. Карно (1758-1823). Он писал: "Геометрия могла бы включить в себя движения, не связываемые с взаимодействием тел, ибо механика, собственно говорящие наука о движении, а наука о сообщении движения... Не движение само по себе является предметом механики, а эффект видоизменений, которым оно подвергается" (подчеркнуто мною.- В, Д.).

Наконец, у великого французского ученого Андре Мари Ампера (1775-1836) появляется понятие "кинематика": "Наука, которая рассматривает сами по себе движения, наблюдаемые нами в окружающих телах и, особенно, в устройствах, называемых машинами, я называю кинематикой..."

В "Опыте философии наук" Ампер утверждает, что кинематика должна быть и частью теоретической механики, прикладной дисциплиной, в которой изучаются разнообразные механизмы.

Интересен его пример в обосновании дидактической ценности кинематики: "Чтобы составить себе ясное представление о том зубчатом зацеплении, с помощью которого минутная стрелка часов делает двенадцать оборотов, тогда как часовая делает только один, надо ли заниматься силой, приводящей часы в движение? Разве действие зацепления, поскольку оно регулирует отношение скоростей этих двух стрелок, не остается тем же, когда движение вызывается какой-либо силой, отличною от силы обычного двигателя, например, когда мы поворачиваем стрелку пальцем?"

Впервые раздел кинематики был четко выделен в курсе "Физической и экспериментальной механики" генерала Понселе, который читал его в Парижском университете с 1837 по 1848 г. Здесь рассматривались виды движений, сложение движений, скоростей и ускорений и после этого различного типа механизмы.

В итоге кинематика выделилась в качестве раздела теоретической механики. Но по традиции она осталась в курсах физики как вводная часть к динамике Ньютона и Эйнштейна. В кинематике два аспекта: теоретический и прикладной. Содержанием первого является формирование понятий о механическом движении, системах отсчета, скорости, ускорении, правилах сложения скоростей и ускорений. В прикладном аспекте рассматривались механизмы, преобразующие движения.

Методические замечания. Во вводных уроках по кинематике следует выделить главное: механическое движение - перемещение тел в пространстве, и для изучения этого вида движения материи первостепенную важность имеют понятия системы отсчета, траектории, суперпозиции (независимости) движений.

Необходимо использовать исторический материал этого и последующего очерков для подготовки к восприятию идеи относительности перемещений и скоростей.

Следует иметь в виду, что только в теории относительности кинематика начала играть самостоятельную роль. В рамках механики Ньютона чисто кинематическое рассмотрение движения (без связей с законами динамики) встречает ряд методических трудностей. Так, например, сохранение горизонтальной компоненты вектора скорости тела, брошенного под углом к горизонту, невозможно обосновать без ссылки на первый закон Ньютона.