力学

力学（古代ギリシャ語の μηχανική （mēkhanikḗ）「機械 の」に由来）^{[1] [2]は、}物理的物体間の力、物質、運動の関係を扱う物理学の分野です。^[3]物体に加えられる力は、物体の環境に対する位置の変化である 変位をもたらすことがあります。

この物理学の分野の理論的説明は、例えばアリストテレスやアルキメデスの著作など、古代ギリシャに起源を持ちます^{[4] [5] [6]}（古典力学の歴史および古典力学の年表を参照）。近世初期には、ガリレオ・ガリレイ、ヨハネス・ケプラー、クリスティアーン・ホイヘンス、アイザック・ニュートンなどの科学者が、現在古典力学として知られているものの基礎を築きました。

古典物理学の一分野として、力学は静止している物体、または光速よりも大幅に遅い速度で運動している物体を扱います。また、量子領域にない物体の運動と物体に働く力を扱う物理科学として定義することもできます。

古代ギリシャの哲学者は、抽象的な原理が自然を支配しているという説を最初に提唱した哲学者の一人です。古代における力学の主要理論はアリストテレス力学でしたが、アリストテレスの後継者の一人に帰せられることが多い擬似アリストテレス『 機械的問題』では、別の理論が提示されています。

古代ギリシャにまで遡る別の伝統があり、そこでは数学は物体を静的または動的に分析するためにより広範囲に使用され、このアプローチはピタゴラス学派のアルキタスの以前の研究に刺激を受けた可能性があります。^[7]この伝統の例には、疑似ユークリッド（天秤について）、アルキメデス（平面の平衡について、浮体について）、ヘロン（機械論）、パップス（コレクション、第8巻）などがあります。^{[8] [9]}

中世では、アリストテレスの理論は、 6 世紀のヨハネス・ピロポノスを皮切りに、多くの人物によって批判され、修正されました。中心的な問題は、ヒッパルコスとピロポノスによって議論された投射物の運動の問題でした。

ペルシャのイスラム博学者イブン・シーナーは、治癒の書（1020年）で運動理論を発表した。彼は、推進力は投射者によって発射体に与えられ、持続的であり、消散するには空気抵抗などの外力が必要であると考えた。 ^{[10] [11] [12]}イブン・シーナーは「力」と「傾斜」（「マイル」と呼ばれる）を区別し、物体が自然な動きに反対のときにマイルを獲得したと主張した。したがって、彼は、運動の継続は物体に伝達される傾斜に起因し、その物体はマイルがなくなるまで運動し続けると結論付けた。彼はまた、ニュートンの第一運動法則と一致して、真空中の発射体は作用されない限り停止しないと主張した。^[10]

一定の（均一な）力を受ける物体の問題について、12世紀のユダヤ系アラブ人学者ヒバト・アッラー・アブール・バラカット・アル・バグダディ（イラク人、バグダッド生まれのナサネル）は、一定の力は一定の加速を与えると述べた。シュロモ・パインズによると、アル・バグダディの運動理論は「アリストテレスの基本力学法則（すなわち、一定の力は均一な運動を生み出す）の最も古い否定であり、古典力学の基本法則（すなわち、継続的に加えられた力は加速を生み出す）を漠然と予見したものである」^{[13] 。}

14世紀フランスの司祭ジャン・ビュリダンは、イブン・スィーナー^[12]やアル＝バグダディ^[14]などの先駆者の影響を受けて、インペトゥス理論を考案しました。これは後に、慣性、速度、加速度、運動量などの現代の理論に発展しました。この研究とその他の研究は、14世紀イギリスでトーマス・ブラッドワーディンなどのオックスフォード計算者によって発展させられ、彼らは落下体に関するさまざまな法則を研究し定式化しました。物体の主な特性が等加速度運動である（落下体の場合）という概念は、14世紀のオックスフォード計算者によって解明されました。

近世初期の中心人物はガリレオ・ガリレイとアイザック・ニュートンである。ガリレオが力学、特に落下物体について最後に述べたのは『二つの新科学』（1638年）である。ニュートンが1687年に著した『自然哲学の数学的原理』は、微積分という新しく開発された数学を用いて力学の詳細な数学的説明を提供し、ニュートン力学の基礎となった。^[9]

さまざまなアイデアの優先順位については議論があります。ニュートンのプリンキピアは確かに独創的な作品であり、多大な影響力を持っており、そこに書かれた数学的な結果の多くは、微積分学の発達なしには以前には述べられなかったでしょう。しかし、慣性や落下物体に関するアイデアの多くは、クリスティアーン・ホイヘンスやあまり知られていない中世の先人たちなど、以前の学者によって開発されていました。科学的な言語や証明の基準が変わったため、正確な信用を得ることが困難または論争の的になることがあり、中世の記述が現代の記述や十分な証明と同等であるか、あるいは現代の記述や仮説に似ているかどうかは、しばしば議論の的になります。

力学における2つの主要な現代の発展は、アインシュタインの一般相対性理論と量子力学であり、どちらも19世紀初頭のアイデアに部分的に基づいて20世紀に発展しました。現代の連続体力学、特に弾性、塑性、流体力学、電気力学、および変形可能媒体の熱力学の分野における発展は、20世紀後半に始まりました。

よく使われる用語「物体」は、粒子、発射体、宇宙船、星、機械の部品、固体の部品、流体（気体と液体） の部品など、多種多様な物体を表す必要があります。

力学のさまざまなサブ分野間のその他の違いは、記述される物体の性質に関係しています。粒子は、古典力学では数学的な点として扱われる、ほとんど（知られていない）内部構造を持たない物体です。剛体は大きさと形を持ちますが、粒子に近い単純さを保持し、空間の向きなど、 いわゆる自由度が少しだけ追加されています。

それ以外の場合、物体は半剛体、つまり弾性体、または非剛体、つまり流体である可能性があります。これらの主題には、古典的な研究部門と量子的な研究部門の両方があります。

たとえば、宇宙船の軌道と姿勢（回転）に関する動きは、古典力学の相対論的理論によって記述されますが、原子核の類似の動きは量子力学によって記述されます。

以下は、力学で研究されるさまざまな科目で構成される 3 つの主要な名称です。

物理学には「場の理論」という別の分野もあり、古典場であろうと量子場であろうと、形式的には力学とは別のものとして扱われていることにも留意してください。しかし、実際には、力学と場に属する主題は密接に絡み合っています。したがって、たとえば、粒子に作用する力は、しばしば場 (電磁場または重力場) から派生し、粒子は発生源として作用することで場を生成します。実際、量子力学では、理論的には波動関数によって記述されるように、粒子自体が場です。

古典力学を形成するものとして、次のことが説明されています。

• ニュートン力学、運動（運動学）と力（動力学）の原始的な理論
• 解析力学は、ニュートン力学を力ではなくシステムエネルギーに重点を置いた形で再定式化したものです。解析力学には主に 2 つの分野があります。
  • ハミルトン力学は、エネルギー保存則に基づく理論的形式である。
  • ラグランジアン力学、最小作用原理に基づくもう一つの理論的形式
• 古典統計力学は、通常の古典力学を一般化して、未知の状態にあるシステムを考慮します。多くの場合、熱力学的特性を導き出すために使用されます。
• 天体力学、宇宙空間における物体の運動：惑星、彗星、恒星、銀河など。
• 天体力学、宇宙船の航行など
• 固体力学、変形可能な固体が示す弾性、塑性、または粘弾性
• 破壊力学
• 音響学、固体、流体、気体における音（密度、変化、伝播）
• 静力学、機械的平衡にある半剛体
• 流体力学、流体の運動
• 土質力学、土の力学的挙動
• 連続体力学、連続体（固体と流体の両方）の力学
• 水力学、液体の機械的性質
• 流体静力学、平衡状態の液体
• 応用力学（工学力学とも呼ばれる）
• 生物学における生体力学、固体、流体など
• 生物物理学、生体内の物理的プロセス
• 相対論的またはアインシュタイン力学

以下は量子力学の一部として分類されます。

• シュレーディンガー波動力学は、単一粒子の波動関数の動きを記述するために使用されます。
• 行列力学は、有限次元の状態空間を持つシステムを考慮できる代替定式化です。
• 量子統計力学は、通常の量子力学を一般化して未知の状態にあるシステムを考慮します。熱力学的特性を導き出すためによく使用されます。
• 素粒子物理学、粒子の運動、構造、反応
• 原子核物理学、原子核の運動、構造、反応
• 凝縮物質物理学、量子気体、固体、液体など。

歴史的に、古典力学は量子力学が発達する前の約 2500 年間存在していました。古典力学は、17 世紀にわたって発展したアイザック ニュートンの『自然哲学の数理原理』における運動の法則に端を発しています。量子力学は、プランクの仮説とアルバート アインシュタインの光電効果の説明によって促進され、その後 19 世紀にわたって発展しました。どちらの分野も、物理的性質に関する最も確実な知識を構成すると一般に考えられています。

古典力学は、特に他のいわゆる精密科学のモデルとして見られることが多い。この点で重要なのは、理論における数学の広範な使用と、理論の生成とテストにおける 実験の決定的な役割である。

量子力学は、特定の制限された状況下で適用されるサブ分野として古典力学を包含するため、より広い範囲にわたります。対応原理によれば、2 つの主題の間に矛盾や衝突はなく、それぞれが特定の状況に関係するだけです。対応原理は、量子理論によって記述されるシステムの挙動が、大きな量子数の極限で古典物理学を再現することを述べています。つまり、量子力学を大きなシステム (野球ボールなど) に適用した場合、結果は古典力学を適用した場合とほぼ同じになります。量子力学は基礎レベルで古典力学に取って代わり、分子、原子、および原子未満のレベルでのプロセスの説明と予測に不可欠です。ただし、マクロなプロセスの場合、古典力学は量子力学では手に負えないほど難しい問題 (主に計算上の制限による) を解決できるため、有用でよく使用されています。このような挙動の現代的な説明は、変位 (移動距離)、時間、速度、加速度、質量、力などの量の注意深い定義から始まります。しかし、約 400 年前までは、運動はまったく異なる観点から説明されていました。たとえば、ギリシャの哲学者で科学者のアリストテレスの考えに従って、科学者は、砲弾が落ちるのは、その自然な位置が地球にあるからであり、太陽、月、星が地球の周りを円を描くように移動するのは、天体の本質が完全な円を描くからであると推論しました。

近代科学の父としてしばしば引用されるガリレオは、同時代の偉大な思想家たちの考えをまとめ、ある開始位置からの移動距離とそれにかかった時間によって運動を計算し始めた。彼は、落下する物体の速度は落下中に着実に増加することを示した。この加速は、空気摩擦（空気抵抗）を差し引けば、重い物体でも軽い物体でも同じである。イギリスの数学者で物理学者のアイザック・ニュートンは、力と質量を定義し、これらを加速に関連付けることで、この分析を改善した。光速に近い速度で移動する物体については、ニュートンの法則はアルバート・アインシュタインの相対性理論に取って代わられた。[アインシュタインの相対性理論の計算上の複雑さを示す文。] 原子および亜原子粒子については、ニュートンの法則は量子論に取って代わられた。しかし、日常の現象については、ニュートンの運動の 3 つの法則は、運動の原因を研究する力学の基礎であり続けている。

量子力学と古典力学の区別と同様に、アルバート・アインシュタインの一般相対性理論と特殊相対性理論は、ニュートンとガリレオの力学の定式化の範囲を拡大しました。相対論的力学とニュートン力学の違いは、物体の速度が光速に近づくにつれて重要になり、支配的になります。たとえば、ニュートン力学では、自由粒子の運動エネルギーはE = ⁠1/2⁠ mv ^{2 で}あるのに対し、相対論的力学ではE = ( γ − 1) mc ²である（ここでγはローレンツ因子であり、この式は低エネルギー極限ではニュートンの表現に簡約される）。 ^[17]

高エネルギー過程においては、量子力学を特殊相対性理論を考慮して調整する必要があり、これが量子場理論の発展につながった。^[18]

• アメリカ機械学会応用力学部門
• アメリカ物理学会流体力学部門
• 実験力学協会
• 英国機械技術者協会は、英国の機械技術者の資格認定機関であり、150 年以上にわたって機械技術者の本拠地となっています。
• 国際理論応用力学連合

• 行動原則
• 応用力学
• ダイナミクス
• エンジニアリング
• 工学科学と力学の記事の索引
• 運動学
• キネティクス
• 非自律的なメカニクス
• 静力学
• ヴィーゼン機械適性テスト (WTMA)

• Robert Stawell Ball (1871) 実験力学、Google ブックスより。
• Landau, LD ; Lifshitz, EM (1972).力学と電気力学、第1巻。Franklin Book Company, Inc. ISBN 978-0-08-016739-8。
• ジェームズ・スラウ・ザーベ著『少年のための実用機械工学』（1914年）。

無料辞書のウィクショナリーで「力学」を調べてください。

• Physclips: ニューサウスウェールズ大学のアニメーションとビデオクリップによる力学
• アルキメデスプロジェクト