Становление классической механики

Кстати, отсюда и пошло название “механика”. Греческое слово “механе” означало орудие, приспособление, осадную  машину, а также уловку, ухищрение.

2. Леонардо Да Винчи

Ученый и художник Леонардо да Винчи (Vinchi L., 15.04.1452 -02.05.1519) родился в селе Анкиано близ небольшого города Винчи  между Флоренцией и Пизой (Италия) в семье нотариуса. Обучался рисунку, живописи, скульптуре у знаменитого  скульптора А. Верроккьо. В 1480 г. открыл собственную мастерскую. В 1482 г. покинул  Флоренцию, переехал в Милан и  поступил на службу к Лодовику Моро в качестве военного инженера, архитектора, живописца и скульптора. В этот миланский период Леонардо да Винчи  окончательно сформировался как  гидротехник. К этому же периоду  относятся его первые проекты  летательных аппаратов.

Последние два десятилетия  были годами скитаний, которые закончились  переездом во Францию по приглашению  короля Франциска I. В годы скитаний он мало занимался искусством, отдавая  предпочтение науке.

В заметках о живописи, которую  Леонардо да Винчи ценил выше других искусств, он создал теорию реалистического  искусства эпохи возрождения.

Ученого очень интересовала механика. Он писал, что механика —  это рай математической науки, поскольку  мы получаем в ней плоды математики.

В области механики он сделал первые попытки экспериментального определения коэффициента трения, исследовал: явление удара, падение тел и  траекторию брошенного тела, положение  центров тяжести фигур, равновесие жидкости в сообщающихся сосудах. Ему  принадлежат конструкции многочисленных машин: ткацких станков, машин для  ворсования тканей, печатающих машин, деревообрабатывающих станков, винторезных  и землеройных машин, металлургических печей, устройств для шлифования стекол.

Леонардо да Винчи, по-видимому, первым экспериментально исследовал изгиб  балки квадратного поперечного  сечения, опертой по концам и нагруженной  в среднем сечении силой. Несовершенная  экспериментальная техника того времени не позволила ему вывести  формулу для разрушающей силы. Однако он правильно установил, что  наибольший прогиб балки пропорционален силе и кубу ее длины.

Он также, по-видимому, впервые  экспериментально исследовал устойчивость сжатых стержней, но по указанной выше причине пришел к неверному выводу о том, что критическая сила обратно  пропорциональна длине стержня.

Записи Леонардо да Винчи  по математике тесно связаны с  решением технических задач.В области  физики он наибольшее внимание уделял оптике, вероятно, в связи с живописью.В  астрономии он порвал со средневековыми представлениями о земле как  о центре вселенной.Анатомией человека Леонардо да Винчи занимался как  ученый и как художник.

Законченных трактатов Леонардо да Винчи до нас не дошло. Он постоянно  носил при себе записные книжки, в которые заносил свои наблюдения и затем их тщательно обрабатывал. В настоящее время имеется 7000 страниц рукописей на итальянском  языке в зеркальном изображении, хранящихся в библиотеках Лондона, Парижа, Милана и Турина. Издание их началось во второй половине XIX в. и закончилось в 30-х годах XX века.

3. Галилео Галилей

Математик,механик и астроном Галилео Галилей (15.02.1564 — 08.01.1642) родился в г. Пизе (Флоренция, Италия), в семье обедневшего потомка знатного флорентийского рода музыканта Винченцо Галилея. Под руководством отца Галилей изучил латинский и древнегреческий языки, научился играть на лютне и ценить поэзию и живопись.

Нужда надоела отцу, и  он вначале хотел, чтобы его сын  занялся торговлей. Однако, видя, что  у сына блестящие способности, настоял  на том, чтобы семнадцатилетний Галилео  поступил на медицинский факультет  Пизанского университета, полагая, что  профессия врача обеспечит ему  безбедное существование. Но медицина не привлекала Галилея, и он потихоньку от отца начал заниматься математикой  — изучать сочинения знаменитого  греческого геометра Евклида, используя  консультации друга отца — видного  математика Остилио Риччи. Говорят, что часто он читал Евклида, обложившись  для отца томами сочинений по медицине, и вместо посещения университета шел во дворец, где Риччи читал  пажам лекции по математике. Эти  лекции Галилей слушал в коридоре за закрытой дверью, не видя формул и  чертежей, не имея возможности записывать текст, и только придя домой, он восстанавливал их. Впрочем, некоторые историки науки  считают, что последнее не соответствует  действительности.

Через четыре года из-за недостатка средств Галилею пришлось прекратить занятия в университете, и он вернулся во Флоренцию, где в то время жила семья. Здесь он продолжил занятия  математикой, физикой и астрономией, сконструировал гидростатические весы для измерения плотности различных  материалов, провел исследование по определению  центров тяжести тел.

Эти работы принесли ему  известность, и в 1589 г. Галилей был  приглашен профессором математики в Пизанский университет. В то время ему было 25 лет. Здесь он написал знаменитый трактат «О движении падающих тел», в котором были заложены основы современной динамики. Результаты, полученные Галилеем, расходились с  воззрениями Аристотеля. Это породило враждебность к молодому профессору, и Галилею пришлось в 1592 г. перейти  в Падуанский университет.

По другой версии Галилей  вынужден был покинуть университет  из-за неодобрительного отзыва о какой-то машине, изобретенной сыном высокопоставленной особы.

В Падуанском университете лекции Галилея пользовались большой  популярностью. Иногда на них присутствовало около 2000 студентов. В Падуе Г. Галилей  написал знаменитый трактат «О науке  механике», в котором различные  задачи статики решались на основе принципа возможных перемещений. В  связи с постройкой судов Г. Галилея  заинтересовали некоторые вопросы  сопротивления материалов. В это  же время он начинает серьезно заниматься астрономией и становится сторонником  системы астронома Николая Коперника (Kopernik М.,19.02.1473 — 24.05.1543). В письме к  астроному Иоганну Кеплеру (Kepler I., 27,12,1571 — 15.11.1630) в 1597 г. Галилей пишет: «Много лет тому назад я начал  склоняться к мнению Н. Коперника, и  в свете его теории мне удалось  объяснить много таких явлений, которые совершенно не поддавались  объяснению на основе старой гипотезы». В Падуе Галилей построил телескоп сначала с трех, а затем с 32-кратным  увеличением и с помощью его  сделал ряд выдающихся астрономических  открытий. Благодаря этому Галилей  стал знаменитым и в 1610 г. получил  приглашение великого герцога Тосканского  Козима II Медичи стать «экстраординарным  философом и математиком» при  его дворе.

Преподавание в университетах  не позволяло Галилею обеспечить свою семью, и он был вынужден давать частные уроки и содержать  пансионы студентов. Новая должность давала возможность целиком отдаться научной работе. Галилей продолжил свои исследования по астрономии. Не имея возможности дать характеристику этих работ, отметим только, что он обнаружил кольца Сатурна, горы на Луне, спутники Юпитера, наблюдал фазы Венеры, описал пятна на Солнце. Он продолжал выступать в защиту системы Коперника. В 1600 г. за это, на основании приговора суда инквизиции, был сожжен Джордано Бруно. В 1615 г. Галилей получил полуофициальное предупреждение, а в 1616 г. учение Коперника было объявлено еретическим, а его книга была запрещена. В течение 7 лет Галилей не мог публиковать работы по астрономии.

Только в 1633 г., после того как папой Римским был избран друг и почитатель Г. Галилея Маффео Барберини (Урбан VIII), Г. Галилей приступил  к работе над книгой «Диалог о  двух главнейших системах мира», которую  и издал в 1632 г. с согласия папы. В этой книге учение Н. Коперника  излагалось как одна из возможных  гипотез, позволяющая объяснить  целый ряд явлений. Несмотря на все  это, в 1633 г. Г. Галилей был вызван в трибунал инквизиции. После месячного  следствия, причем некоторые из допросов проводились в зале пыток, Галилея  заставили на коленях отречься от учения Н. Коперника.

Существует легенда о  том, что после отречения Галилей  встал, топнул ногой и сказал вполголоса: «Однако она (Земля) вращается». Все  историки науки отрицают этот факт, полагая невероятным, чтобы больной, измученный длительным следствием старик мог решиться на такой неблагоразумный  поступок. После отречения Галилей  стал узником инквизиции и мог  жить только там, где она разрешала. До конца жизни он жил в своей  вилле Арчетри близ Флоренции. Только более чем через сто лет, во времена папы Венедикта XIV (1740—1758), Ватикан  отменил приговор инквизиции.

Несмотря на пережитое  и преклонный возраст, он продолжал  работать. В 1638 г. вышло в свет на итальянском языке одно из самых  важных сочинений Г. Галилея, в котором  заложены основы динамики и сопротивления  материалов. Эта книга, впрочем, так  же как и «Диалог о двух главнейших системах мира», написана в виде бесед, происходивших в течение шести дней между четырьмя собеседниками Сальвиати, Сагредо, Симпличио и Апроино. Первые два — это друзья Г. Галилея (причем устами Г. Галилея говорит Сальвиати), имя третьего — от имени комментатора Аристотеля в VI в. Симплиция. Сопротивлению материалов из шести дней посвящен только один день — второй. Семидесятичетырехлетний Галилей, которому доставили из Лейдена связку экземпляров его книги, не смог ее увидеть. Уже год как он был слеп.

В этой книге Г. Галилей  описал исследования растяжения и изгиба стержней. Испытывая на растяжение стержни, он установил, что сила, разрывающая  стержень, пропорциональна его площади  поперечного сечения. Таким образом, для простейшего случая нагружения — растяжения стержня Галилей  неявно определил понятие напряжения в момент разрыва.

Он впервые поставил задачу об определении разрушающей силы для консольной балки прямоугольного поперечного сечения, нагруженной  силой на свободном конце. Галилей  решил ее на основе неверного предположения  о равномерном распределении  внутренних, нормальных к поперечному  сечению, сил по его площади. Однако это не помешало сделать правильное заключение о том, что стержень прямоугольного поперечного сечения с различными размерами сторон более прочен тогда, когда он поставлен на ребро, чем  когда он лежит плашмя, и во столько  раз, во сколько ширина больше толщины. Он с точностью до постоянного  множителя (из-за неправильного предположения) установил зависимость изменения  высоты поперечного сечения по длине  консольной балки прямоугольного поперечного  сечения, нагруженной силой на свободном  конце из условия равнопрочности всех сечений, т. е. впервые решил  задачу оптимального проектирования. Галилей нашел величину изгибающего  момента в текущем сечении  консольной балки постоянного поперечного  сечения под воздействием собственного веса, пришел к выводу, что момент сопротивления изгибу для круглого сечения пропорционален кубу его  диаметра, и определил величину наибольшего изгибающего момента в двухопорной балке, нагруженной силой в произвольном сечении.

Г. Галилей оказал большое  влияние на итальянскую художественную литературу. Его перу принадлежит  ряд работ по теории литературы. Большинство его произведений написано на итальянском языке, несмотря на то, что в то время языком ученых была латынь. В своих работах он стремился  к простоте и ясности. Полное собрание сочинений Галилея вышло в  Милане в 1811 г. в 13 томах. День рождения Галилея был днем смерти Микеланджело, а год его смерти — годом  рождения Ньютона. Так сменялись  гении.

4. Исаак Ньютон

НЬЮТОН Исаак (4.01.1643 - 31.03.1727) - выдающийся английский учёный, заложивший основы современного естествознания, создатель классической физики, член Лондонского королевского общества (1627), президент (с 1703). Родился в Вулсторпе. Окончил Кембриджский университет (1665). В 1669 - 1701 возглавлял в нём кафедру. С 1695 - смотритель, с 1699 - директор Монетного  двора.

Работы относятся к  механике, оптике, астрономии, математике. Сформулировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения, дисперсию света, развил корпускулярную теорию света, разработал (независимо от Г.Лейбница) дифференциальное и интегральное исчисление. Обобщив  результаты исследований своих предшественников в области механики и свои собственные, создал огромный труд "Математические начала натуральной философии" ("Начала"), изданный в 1687. "Начала" содержали  основные понятия и аксиоматику  классической механики, в частности  понятия масса (которому Ньютон придавал большое значение как основному в механических процессах), количество движения, сила, ускорение, центростремительная сила и три закона движения (законы Ньютона) - закон инерции, закон пропорциональности силы ускорению и закон действия и противодействия. Тут же дан его закон всемирного тяготения, исходя из которого Ньютон объяснил движение небесных тел (планет, их спутников, комет) и создал теорию тяготения. Открытие этого закона знаменовало переход от кинематического описания солнечной системы к динамическому объяснению явлений и окончательно утвердило победу учения Коперника. Он показал, что из закона всемирного тяготения вытекают три закона Кеплера; объяснил особенности движения Луны, явление процессии; развил теорию фигуры Земли, отметив, что она должна быть сжата у полюсов, теорию приливов и отливов; рассмотрел проблему создания искусственного спутника Земли и т.д. Установил закон сопротивления и основной закон внутреннего трения в жидкостях и газах, дал формулу для скорости распространения волн.

Создал физическую картину  мира, которая длительное время господствовала в науке (ньютоновская теория пространства и времени). Пространство и время  он считал абсолютным, постулируя это  в своих "Началах". С таким  пониманием пространства и времени  тесно связана его идея дальнодействия - мгновенной передачи действия от одного тела к другому на расстояние через  пустое пространство без помощи материи. Ньютоновская теория дальнодействия и  его схема мира господствовали до начала XX в. Впервые её ограниченность обнаружили М.Фарадей и Дж. Максвелл, показав неприменимость её к электромагнитным явлениям, а теория относительности, возникшая в начале XX в., окончательно доказала ограниченность классической физики Ньютона - физики малых скоростей и макроскопических масштабов. Однако специальная теория относительности не отбросила совсем закономерностей, установленных классической механикой Ньютона, а лишь уточнила и дополнила её для случая движения со скоростями, соизмеримыми со скоростью света в вакууме. "Ныне место ньютоновской схемы дальнодействующих сил, - писал А. Эйнштейн, - заняла теория поля, испытали изменения и его законы, но всё, что было создано после Ньютона является дальнейшим органическим развитием его идей и методов".