Sejarah mekanika klasik

Filsuf Yunani kuno, Aristoteles, termasuk yang pertama mengusulkan bahwa prinsip-prinsip abstrak yang mengatur alam. Aristoteles berargumentasi, dalam On the Heavens, bahwa benda-benda terestrial naik atau turun untuk ke "tempat alami" mereka menyatakan hukum perkiraan bahwa kecepatan jatuh suatu benda yaitu sebanding dengan berat dan berbanding terbalik dengan kerapatan cairannya.^[1] Aristoteles percaya pada logika dan pengamatan, tetapi lebih dari 1.800 tahun kemudian, ketika Francis Bacon pertama kali mengembangkan metode eksperimen ilmiah, disebutnya sebagai gangguan alam.^[2]

Aristoteles melihat suatu perbedaan antara "gerakan alami" dan "gerakan paksa", dia juga percaya bahwa 'dalam kehampaan' yaitu vakum, benda yang diam akan tetap diam dan benda yang bergerak akan terus bergerak.^[3] Aristoteles adalah orang pertama yang mendekati sesuatu yang mirip dengan hukum inersia.^[4] Namun, Dia percaya ruang hampa tidak mungkin karena udara di sekitarnya akan segera masuk untuk mengisinya. KepercayaaNya bahwa objek akan berhenti bergerak kearah yang tidak wajar yaitu setelah gaya yang diterapkan dihilangkan. Aristoteles kemudian mengembangkan suatu penjelasan yang rumit tentang mengapa panah terus terbang ke udara setelah meninggalkan busur, mengusulkan yaitu bahwa panah menciptakan ruang hampa dibelakangnya, yang di mana udara mengalir dan mendorong dari belakang. Keyakinan Aristoteles dipengaruhi oleh ajaran Plato yaitu tentang suatu kesempurnaan gerak seragam melingkar di langit. Dia memahami tatanan alam yang di mana gerakan langit tentu sempurna, berbeda dengan dunia terestrial dari unsur-unsur yang berubah,

Ada tradisi lain yang kembali ke Yunani kuno di mana matematika digunakan untuk menganalisis alam; contohnya termasuk Euclid (Optik), Archimedes (Pada Kesetimbangan Pesawat, Pada Benda Mengambang), dan Ptolemy (Optik, Harmonik). Kemudian, para cendekiawan Islam dan Bizantium membangun karya-karya ini. Lalu, akhirnya diperkenalkan kembali atau tersedia di Barat pada abad ke-12 dan lagi selama Renaisans.

Cendekiawan Islam Persia, Ibnu Sinā, menerbitkan teorinya tentang gerakan dalam The Book of Healing (1020). Dia mengatakan bahwa dorong diberikan ke proyektil oleh pelempar dan percaya bahwa itu tahan lama dan membutuhkan kekuatan eksternal seperti hambatan udara untuk menghilangkannya.^[5][6][7] Ibnu Sina membedakan antara "kekuatan" dan "kecenderungan" (disebut "mayl"). Ia percaya bahwa subjek memperoleh mayl ketika menentang gerakan alaminya. Oleh karena itu, ia menyimpulkan bahwa kelanjutan gerakan berkaitan dengan kecenderungan untuk berpindah ke benda, dan benda akan terus bergerak sampai habis. Dia mengklaim bahwa jika tidak ada tindakan yang diambil, proyektil di ruang hampa tidak akan berhenti. Konsep ini konsisten dengan hukum gerak Newton, inersia. Ini berarti bahwa jika tidak ada gaya luar yang diberikan pada benda yang bergerak, benda itu akan terus bergerak.^[8] Ide ini, yang berbeda dari Aristoteles, kemudian digambarkan sebagai "dorongan" oleh John Bridan, yang dipengaruhi oleh Ibnu Sina.^[9]

Pada abad ke-12, Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi mengadopsi dan memodifikasi teori gerak proyektil Ibnu Sina. Dalam Kitab al-Mu'tabar nya, Abu'l-Barakat menunjukkan bahwa pendorong menanamkan kecenderungan kekerasan, yang menurun sebagai objek bergerak menjauh dari pendorong.^[10] Menurut Schlomo Pines, teori gerak Baghdadi adalah "penolakan tertua hukum dinamika dasar Aristoteles, yaitu, gaya konstan menghasilkan gerakan seragam, jadi itu adalah prediksi kabur dari hukum dasar mekanika klasik. Artinya, gaya yang diterapkan terus menerus. menghasilkan percepatan.” Pada abad yang sama, Ibn Bajjah mengusulkan bahwa setiap gaya memiliki gaya reaksi.^[11] Meskipun dia tidak menentukan apakah gaya-gaya ini sama, versi awal hukum gerak ketiga menyatakan bahwa untuk setiap aksi, ada gaya reaksi yang sama besar dan berlawanan arah.^[12]

Pada abad ke-14, pendeta Prancis Jean Buridan mengembangkan teori dorongan, dengan kemungkinan pengaruh oleh Ibnu Sina.^[9] Albert, Uskup Halberstadt, mengembangkan teori tersebut lebih lanjut.

Perkembangan teleskop Galileo Galilei dan pengamatannya semakin menantang gagasan bahwa langit terbuat dari materi yang sempurna dan tidak berubah. Galileo mengadopsi teori heliosentris Copernicus, percaya bahwa bumi sama dengan planet lain. Meskipun keaslian eksperimen Menara Miring Pisa yang terkenal kontroversial, ia melakukan eksperimen kuantitatif dengan menggelindingkan bola di bidang miring; teori percepatannya yang benar awalnya berasal dari hasil eksperimen.^[13] Galileo juga menemukan bahwa benda yang jatuh secara vertikal dan benda yang diproyeksikan secara horizontal menumbuk tanah pada saat yang bersamaan.Oleh karena itu, bumi yang berotasi seragam masih memiliki benda jatuh ke tanah karena gravitasi. Lebih penting lagi, dia menegaskan bahwa tidak ada perbedaan antara gerak seragam dan statis, yang menjadi dasar teori relativitas. Kecuali penerimaan Copernicus terhadap astronomi, pengaruh langsung Galileo terhadap sains di luar Italia pada abad ke-17 mungkin tidak terlalu besar. Meskipun pengaruhnya terhadap orang awam terpelajar di Italia dan luar negeri cukup besar, di kalangan profesor universitas, kecuali beberapa muridnya sendiri, pengaruhnya minimal.^[14][15]

Diantara zaman Galileo dan Newton, Christiaan Huygens adalah seorang matematikawan dan fisikawan yang bisa dibilang terkemuka di Eropa Barat. Dia merumuskan suatu hukum kekekalan yaitu untuk tumbukan elastis, menghasilkan teorema pertama yaitu gaya sentripetal, dan dikembangkan teori dinamis sistem osilasi. Dia juga membuat perbaikan pada teleskop, menemukan bulan Saturnus, Titan, dan menemukan jam pendulum.^[16][17] Teori gelombang cahayanya, yang diterbitkan di Traite de la Lumiere, kemudian diadopsi oleh Fresnel dalam bentuk prinsip Huygens-Fresnel.^[18]

Isaac Newton menyatukan tiga hukum gerak (hukum inersia, hukum kedua yang disebutkan di atas, hukum gaya dan reaksi), dan membuktikan bahwa hukum-hukum ini mengatur bumi dan benda-benda langit. Newton dan sebagian besar orang sezamannya berharap mekanika klasik dapat menjelaskan semua entitas, termasuk (dalam optik geometris) cahaya. Interpretasi Newton sendiri tentang cincin Newton menghindari prinsip gelombang dan berasumsi bahwa partikel cahaya diubah atau dieksitasi oleh kaca dan beresonansi. Newton juga mengembangkan kalkulus yang diperlukan untuk melakukan perhitungan matematis yang terlibat dalam mekanika klasik. Namun Gottfried Leibniz yang, terlepas dari Newton, mengembangkan kalkulus dengan notasi turunan dan integral yang digunakan hingga hari ini. Mekanika klasik mempertahankan notasi titik Newton untuk turunan waktu.

Leonhard Euler memperluas hukum gerak Newton dari partikel ke benda tegar melalui dua hukum tambahan. Penanganan bahan padat di bawah tekanan dapat menyebabkan deformasi yang terukur. Ide ini dikemukakan oleh Euler (1727).Pada tahun 1782, Giordano Riccati mulai menentukan elastisitas bahan tertentu, diikuti oleh Thomas Young. Simeon Poisson memperluas studi ke dimensi ketiga dengan rasio Poisson. Gabriel Lamé melakukan penelitian untuk memastikan stabilitas struktural dan memperkenalkan parameter Lamé.^[19] Koefisien ini membentuk teori elastisitas linier dan mempelopori bidang mekanika kontinum.

Reformulasi inkremental memungkinkan lebih banyak masalah untuk dipecahkan. Yang pertama dibangun pada tahun 1788 oleh matematikawan Italia-Prancis Joseph Louis Lagrange. Dalam mekanika Lagrangian, solusinya menggunakan jalur aksi terkecil dan mengikuti metode variasi. William Rowan Hamilton merumuskan kembali mekanika Lagrangian pada tahun 1833. Keuntungan mekanika Hamilton adalah kerangka kerjanya memungkinkan pemahaman yang lebih dalam tentang prinsip-prinsip dasar. Sebagian besar kerangka Hamiltonian dapat dilihat dalam mekanika kuantum, tetapi karena efek kuantum, arti sebenarnya dari istilah tersebut berbeda.

Sebagian besar kompatibel dengan teori "fisika klasik" lainnya seperti elektrodinamika klasik dan termodinamika, beberapa kesulitan yang hanya dapat dipecahkan oleh fisika modern ditemukan pada akhir abad ke-19. Ketika dikombinasikan dengan termodinamika klasik, mekanika klasik mengarah ke paradoks Gibbs, di mana entropi bukanlah kuantitas yang terdefinisi dengan baik. Ketika eksperimen mencapai tingkat atom, mekanika klasik tidak dapat menjelaskan, bahkan secara kasar, hal-hal dasar seperti tingkat energi dan ukuran atom. Mencoba memecahkan masalah ini mengarah pada pengembangan mekanika kuantum. Demikian pula, perbedaan perilaku elektromagnetisme klasik dan mekanika klasik di bawah perubahan kecepatan mengarah pada teori relativitas.

Pada akhir dari Abad ke-20, mekanika klasik dalam fisika tidak lagi menjadi teori yang berdiri sendiri, elektromagnetisme klasik, telah tertanam dalam mekanika kuantum relativistik atau teori medan kuantum. Ini mendefinisikan non-relativistik, batas mekanik non-kuantum untuk partikel masif.

Mekanika klasik juga menjadi sumber inspirasi bagi para matematikawan. Ruang fase dalam mekanika klasik mengakui deskripsi alam sebagai manifold sederhana (sebenarnya balok kotangen dalam kebanyakan kasus minat fisika) dan topologi simplek.Hal ini dapat dianggap sebagai studi masalah global mekanika Hamiltonian Pemahaman ini telah menjadi bidang subur matematika penelitian sejak tahun 1980-an.

• Mekanika
• Mekanika Klasik
• Aristoteles

1. ^ Rovelli, Carlo (2015). "Aristotle's Physics: A Physicist's Look". Journal of the American Philosophical Association. 1 (1): 23–40. arXiv:1312.4057 . doi:10.1017/apa.2014.11.  Parameter |s2cid= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
2. ^ Peter Pesic (March 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 (1): 81–94. doi:10.1086/384242. JSTOR 237475.  Parameter |s2acid= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
3. ^ Aristotle: On the Heavens (de Caelo) book 13, section 295a
4. ^ Aristotle:Physics Book 4 On motion in a void
5. ^ Espinoza, Fernando (2005). "An analysis of the historical development of ideas about motion and its implications for teaching". Physics Education. 40 (2): 141. Bibcode:2005PhyEd..40..139E. doi:10.1088/0031-9120/40/2/002. 
6. ^ Seyyed Hossein Nasr & Mehdi Amin Razavi (1996). The Islamic intellectual tradition in Persia. Routledge. hlm. 72. ISBN 978-0-7007-0314-2.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
7. ^ Aydin Sayili (1987). "Ibn Sīnā and Buridan on the Motion of the Projectile". Annals of the New York Academy of Sciences. 500 (1): 477–482. Bibcode:1987NYASA.500..477S. doi:10.1111/j.1749-6632.1987.tb37219.x.  Parameter |s2cid= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
8. ^ Espinoza, Fernando. "An Analysis of the Historical Development of Ideas About Motion and its Implications for Teaching". Physics Education. Vol. 40(2).
9. ^ ^{a b} Sayili, Aydin. "Ibn Sina and Buridan on the Motion the Projectile". Annals of the New York Academy of Sciences vol. 500(1). p.477-482.
10. ^ Gutman, Oliver (2003). Pseudo-Avicenna, Liber Celi Et Mundi: A Critical Edition. Brill Publishers. hlm. 193. ISBN 90-04-13228-7.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
11. ^ Pines, Shlomo (1970). "Abu'l-Barakāt al-Baghdādī , Hibat Allah". Dictionary of Scientific Biography. 1. New York: Charles Scribner's Sons. hlm. 26–28. ISBN 0-684-10114-9.  (cf. Abel B. Franco (October 2003). "Avempace, Projectile Motion, and Impetus Theory", Journal of the History of Ideas 64 (4), p. 521-546 [528].)
12. ^ Franco, Abel B.. "Avempace, Projectile Motion, and Impetus Theory". Journal of the History of Ideas. Vol. 64(4): 543.
13. ^ Palmieri, Paolo (2003-06-01). "Mental models in Galileo's early mathematization of nature". Studies in History and Philosophy of Science Part A (dalam bahasa Inggris). 34 (2): 229–264. doi:10.1016/S0039-3681(03)00025-6. ISSN 0039-3681. 
14. ^ "Galilei, Galileo." Complete Dictionary of Scientific Biography. Retrieved April 06, 2021 from Encyclopedia.com: https://www.encyclopedia.com/science/dictionaries-thesauruses-pictures-and-press-releases/galilei-galileo
15. ^ Blåsjö, Viktor (2021-02-12). "Galileo, Ignoramus: Mathematics versus Philosophy in the Scientific Revolution". arΧiv:2102.06595 [math.HO]. 
16. ^ Cohen, H. Floris (1991). Yoder, Joella G., ed. "How Christiaan Huygens Mathematized Nature". The British Journal for the History of Science. 24 (1): 79–84. doi:10.1017/S0007087400028466. ISSN 0007-0874. JSTOR 4027017. 
17. ^ "Christiaan Huygens - Biography". Maths History (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 2021-06-15. 
18. ^ Dijksterhuis, Fokko Jan (2004). Lenses and Waves: Christiaan Huygens and the Mathematical Science of Optics in the Seventeenth Century. Archimedes (dalam bahasa Inggris). Springer Netherlands. ISBN 978-1-4020-2697-3.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
19. ^ Gabriel Lamé (1852) Leçons sur la théorie mathématique de l'élasticité des corps solides (Bachelier)