4.0: Utangulizi wa Dynamics- Sheria za Newton za Mwendo

Mwendo huchota mawazo yetu. Mwendo yenyewe inaweza kuwa nzuri, na kusababisha sisi kushangaa katika nguvu zinazohitajika ili kufikia mwendo wa kuvutia, kama ile ya dolphin kuruka nje ya maji, au pole vaulter, au ndege ya ndege, au obiti ya satellite. Utafiti wa mwendo ni kinematiki, lakini kinematiki inaelezea tu jinsi vitu vinavyotembea-kasi yao na kuongeza kasi yao. Dynamics inazingatia nguvu zinazoathiri mwendo wa vitu na mifumo ya kusonga. Sheria za Newton za mwendo ni msingi wa mienendo. Sheria hizi hutoa mfano wa upana na unyenyekevu wa kanuni ambazo asili hufanya kazi. Pia ni sheria za ulimwengu wote kwa kuwa zinatumika kwa hali kama hiyo duniani na pia katika anga.

Kielelezo 4.1.1. Sheria za Newton za mwendo zinaelezea mwendo wa njia ya dolphin. (mikopo: Jin Jang)

Sheria za Isaac Newton (1642—1727) za mwendo zilikuwa sehemu moja tu ya kazi kubwa ambayo imemfanya awe hadithi. Maendeleo ya sheria za Newton yanaashiria mpito kutoka Renaissance hadi zama za kisasa. Mpito huu ulikuwa na sifa ya mabadiliko ya mapinduzi katika jinsi watu walivyofikiri juu ya ulimwengu wa kimwili. Kwa karne nyingi wanafalsafa asilia walikuwa wamejadili asili ya ulimwengu kwa kuzingatia kwa kiasi kikubwa sheria fulani za mantiki kwa uzito mkubwa waliopewa mawazo ya wanafalsafa wa kale wa kikabila kama vile Aristotle (384—322 KK). Kati ya wasomi wengi wakubwa waliochangia mabadiliko hayo walikuwa Newton na Galileo.

Kielelezo 4.1.2. Kazi kubwa ya Issac Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, ilichapishwa mwaka 1687. Ilipendekeza sheria za kisayansi ambazo bado zinatumika leo kuelezea mwendo wa vitu. (mikopo: Service commun de la nyaraka de l'Université de Strasbourg)

Galileo alikuwa muhimu katika kuanzisha uchunguzi kama kielelezo kamili cha ukweli, badala ya hoja ya “mantiki”. Matumizi ya Galileo ya darubini yalikuwa mafanikio yake mashuhuri zaidi katika kuonyesha umuhimu wa uchunguzi. Aligundua miezi inayozunguka Jupiter na kufanya uchunguzi mwingine kwamba walikuwa haiendani na baadhi ya mawazo ya kale na dogma ya kidini. Kwa sababu hiyo, na kwa sababu ya namna aliyowashughulikia wale wenye mamlaka, Galileo alihukumiwa na Mahakama ya Mahakama na kuadhibiwa. Alitumia miaka ya mwisho ya maisha yake chini ya aina ya kukamatwa kwa nyumba. Kwa sababu wengine kabla ya Galileo pia walifanya uvumbuzi kwa kuchunguza asili ya ulimwengu, na kwa sababu uchunguzi wa mara kwa mara ulithibitisha yale ya Galileo, kazi yake haikuweza kukandamizwa au kukataliwa. Baada ya kifo chake, kazi yake ilithibitishwa na wengine, na mawazo yake hatimaye yalikubaliwa na kanisa na jamii za kisayansi.

Galileo pia alichangia kuundwa kwa kile sasa kinachoitwa sheria ya kwanza ya mwendo wa Newton. Newton alitumia kazi ya watangulizi wake, ambayo ilimwezesha kuendeleza sheria za mwendo, kugundua sheria ya mvuto, kuvumbua hesabu, na kutoa michango mikubwa kwa nadharia za mwanga na rangi. Inashangaza kwamba wengi wa maendeleo haya yalifanywa na Newton kufanya kazi peke yake, bila faida ya mwingiliano wa kawaida unaofanyika kati ya wanasayansi leo.

Haikuwa mpaka ujio wa fizikia ya kisasa mapema katika karne ya 20 iligundulika kuwa sheria za Newton za mwendo zinazalisha makadirio mazuri ya mwendo tu wakati vitu vinavyohamia kwa kasi sana, kiasi kidogo kuliko kasi ya nuru na wakati vitu hivyo ni kubwa kuliko ukubwa wa molekuli nyingi ( kuhusu m mduara). Vikwazo hivi kufafanua eneo la mechanics classical, kama kujadiliwa katika Utangulizi wa Hali ya Sayansi na Fizikia. Mwanzoni mwa karne ya 20, Albert Einstein (1879—1955) aliendeleza nadharia ya relativity na, pamoja na wanasayansi wengine wengi, alianzisha nadharia ya quantum. Nadharia hii haina vikwazo vilivyopo katika fizikia ya kikabila. Hali zote tunazozingatia katika sura hii, na wale wote waliotangulia kuanzishwa kwa relativity katika Relativity maalum, ni katika ulimwengu wa fizikia ya classical.

KUFANYA UHUSIANO: FALSAFA YA ZAMANI NA

Umuhimu wa uchunguzi na dhana ya sababu na athari hazikuwa daima zimeingizwa katika mawazo ya kibinadamu. Utambuzi huu ulikuwa sehemu ya mageuzi ya fizikia ya kisasa kutoka falsafa asilia. Mafanikio ya Galileo, Newton, Einstein, na wengine yalikuwa muhimu katika historia ya mawazo ya kisayansi. Nadharia nyingi za kisayansi zinazoelezwa katika kitabu hiki zilitoka katika kazi ya wanasayansi hawa. Umuhimu wa uchunguzi na dhana ya sababu na athari hazikuwa daima zimeingizwa katika mawazo ya kibinadamu. Utambuzi huu ulikuwa sehemu ya mageuzi ya fizikia ya kisasa kutoka falsafa asilia. Mafanikio ya Galileo, Newton, Einstein, na wengine yalikuwa muhimu katika historia ya mawazo ya kisayansi. Nadharia nyingi za kisayansi zinazoelezwa katika kitabu hiki zilitoka katika kazi ya wanasayansi hawa.