Mécanique

La mécanique (grec μηχανική) est ce domaine de la science qui s’intéresse au comportement des corps physiques lorsqu’ils sont soumis à des forces ou à des déplacements, et aux effets subséquents des corps sur leur environnement. La discipline scientifique a ses origines dans la Grèce antique avec les écrits d’Aristote et d’Archimède. Au début de la période moderne, des scientifiques tels que Galilée, Kepler et Newton ont mis les bases de ce qu’on appelle maintenant la mécanique classique. C’est une branche de la physique classique qui traite des particules qui sont au repos ou qui se déplacent avec des vitesses significativement inférieures à la vitesse de la lumière. Il peut également être défini comme une branche de la science qui traite du mouvement et des forces sur les objets. Le champ est encore moins largement compris en termes de théorie quantique.

Histoire

Antiquité

La principale théorie de la mécanique dans l’Antiquité était la mécanique aristotélicienne. Un développeur plus tard dans cette tradition est Hipparchus.

Âge médiéval

(Manuscrit arabe d‘une machine. Date inconnue (à une estimation: 16ème au 19ème siècles).)

Au Moyen Age, les théories d’Aristote ont été critiquées et modifiées par un certain nombre de figures, en commençant par John Philoponus au 6ème siècle. Un problème central était celui du mouvement du projectile, qui a été discuté par Hipparchus et Philoponus. Cela a conduit au développement de la théorie de l’impetus par le prêtre français du 14ème siècle Jean Buridan, qui s’est développée dans les théories modernes de l’inertie, de la vitesse, de l’accélération et de la quantité de mouvement. Ce travail et d’autres ont été développés dans l’Angleterre du 14ème siècle par les calculateurs d’Oxford tels que Thomas Bradwardine, qui a étudié et formulé diverses lois concernant la chute des corps.

Sur la question d’un corps soumis à une force constante (uniforme), Nathanel, juif-arabe du 12ème siècle (Irakien, de Bagdad) a déclaré que la force constante donne une accélération constante, tandis que les propriétés principales sont mouvement uniformément accéléré (comme la chute des corps) a été élaboré par les Oxford Calculators du 14ème siècle.

Début de l’âge moderne

Galileo Galilei et Isaac Newton sont deux figures centrales du début de la modernité. La dernière déclaration de Galilée de sa mécanique, en particulier de la chute des corps, est son livre Deux nouvelles sciences (1638). Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica de Newton, en 1687, a fourni un compte mathématique détaillé de la mécanique, en utilisant les mathématiques nouvellement développées du calcul et en fournissant la base de la mécanique newtonienne.

Il y a une controverse sur la priorité de diverses idées: Principia de Newton est certainement le travail séminal et a été extrêmement influent, et ses mathématiques systématiques n’ont pas et ne pouvaient pas avoir été énoncées plus tôt parce que le calcul n’avait pas été développé. Cependant, beaucoup d’idées, en particulier en ce qui concerne l’inertie (impetus) et la chute des corps, ont été développées et énoncées par des chercheurs plus tôt, à la fois Galileo et les prédécesseurs médiévaux moins connus. Le crédit précis est parfois difficile ou controversé parce que le langage scientifique et les normes de preuve ont changé, donc si les déclarations médiévales sont équivalentes aux déclarations modernes ou à la preuve suffisante, ou plutôt semblables aux déclarations et aux hypothèses modernes est souvent discutable.

Âge moderne

Deux principaux développements modernes en mécanique sont la relativité générale d’Einstein, et la mécanique quantique, tous deux développés au 20ème siècle, basés en partie sur des idées antérieures du 19ème siècle. Le développement de la mécanique du continuum moderne, en particulier dans les domaines de l’élasticité, de la plasticité, de la dynamique des fluides, de l’électrodynamique et de la thermodynamique des milieux déformables, a commencé dans la seconde moitié du XXe siècle.

Classique versus quantique

Historiquement, la mécanique classique est venue en premier, et la mécanique quantique est une invention relativement récente. La mécanique classique a pris naissance avec les lois du mouvement d’Isaac Newton dans Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica; la mécanique quantique a été découverte au début du 20ème siècle. Les deux sont communément considérés comme constituant la connaissance la plus certaine de la nature physique.

La mécanique classique a souvent été considérée comme un modèle pour d’autres sciences dites exactes. À cet égard, il est essentiel d’utiliser largement les mathématiques dans les théories, ainsi que le rôle décisif joué par l’expérimentation dans leur production et leur expérimentation.

La mécanique quantique est d’une plus grande portée, car elle englobe la mécanique classique en tant que sous-discipline qui s’applique dans certaines circonstances restreintes. Selon le principe de la correspondance, il n’y a pas de contradiction ou de conflit entre les deux sujets, chacun se rapportant simplement à des situations spécifiques. Le principe de correspondance indique que le comportement des systèmes décrits par les théories quantiques reproduit la physique classique dans la limite des grands nombres quantiques. La mécanique quantique a remplacé la mécanique classique au niveau de la fondation et est indispensable pour l’explication et la prédiction des processus au niveau moléculaire, atomique et subatomique. Cependant, pour les processus macroscopiques, la mécanique classique est capable de résoudre des problèmes qui sont difficiles à maîtriser en mécanique quantique et qui restent donc utiles et bien utilisés. Les descriptions modernes d’un tel comportement commencent par une définition précise de quantités telles que le déplacement (distance parcourue), le temps, la vitesse, l’accélération, la masse et la force. Cependant, il y a environ 400 ans, le mouvement était expliqué d’un point de vue très différent. Par exemple, suivant les idées du philosophe et scientifique grec Aristote, les scientifiques ont pensé qu’un boulet de canon tombait parce que sa position naturelle est dans la Terre; le soleil, la lune et les étoiles voyagent en cercles autour de la terre parce que c’est la nature des objets célestes de voyager dans des cercles parfaits.

Souvent cité comme le père de la science moderne, Galilée a rassemblé les idées d’autres grands penseurs de son temps et a commencé à calculer le mouvement en termes de distance parcourue depuis une position de départ et le temps qu’il a fallu. Il a montré que la vitesse de chute des objets augmente régulièrement au moment de leur chute. Cette accélération est la même pour les objets lourds que pour les objets légers, à condition que les frottements d’air (résistance à l’air) soient réduits. Le mathématicien et physicien anglais Isaac Newton a amélioré cette analyse en définissant la force et la masse et en les reliant à l’accélération. Pour les objets voyageant à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, les lois de Newton ont été remplacées par la théorie de la relativité d’Albert Einstein. Pour les particules atomiques et subatomiques, les lois de Newton ont été remplacées par la théorie quantique. Pour les phénomènes quotidiens, cependant, les trois lois du mouvement de Newton demeurent la pierre angulaire de la dynamique, qui est l’étude de ce qui cause le mouvement.

Relativiste versus newtonienne

En analogie avec la distinction entre la mécanique quantique et la mécanique classique, les théories générales et spéciales de la relativité d’Einstein ont élargi la portée de la formulation de la mécanique de Newton et Galilée. Les différences entre la mécanique relativiste et la mécanique newtonienne deviennent significatives et même dominantes lorsque la vitesse d’un corps massif s’approche de la vitesse de la lumière. Par exemple, dans la mécanique newtonienne, les lois du mouvement de Newton spécifient que F = ma, tandis que dans la mécanique relativiste et les transformations de Lorentz, découvertes par Hendrik Lorentz, F = γma (où γ est le facteur de Lorentz, presque égal à 1 pour les vitesses basses).

Général relativiste versus quantique

Des corrections relativistes sont également nécessaires pour la mécanique quantique, bien que la relativité générale n’ait pas été intégrée. Les deux théories restent incompatibles, un obstacle qui doit être surmonté en développant une théorie de tout.