Лекция 1 Создатели механики Христиан Гюйгенс Роберт Гук Лекция 1 Создатели механики Христиан Гюйгенс Роберт Гук С.И. Валянский © С.И. Валянский НИТУ МИСиС Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования " Национальный исследовательский технологический университет " МИСиС "

За « сухими » фактами учебника физики стоят конкретные живые люди, много работавшие, чтобы занять свое место в жизни. Например, Фраунгофер из - за бедности очень поздно выучился грамоте, но благодаря упорству и трудолюбию стал одним из выдающихся конструкторов оптических приборов, Фарадей по той же причине не имел возможности получить образование, но упорный труд и самообразование дало ему возможность стать великим ученом экспериментатором. Кроме того, это были талантливые люди, достигшие успехи во многих областях деятельность. Так, например, мы знаем Ньютона как физика, но он был одним из авторов экономической реформы выведшей Англию в одну из передовых стран мира, Он большую часть своей жизни занимался историей, даже больше чем физикой. Надеемся, что эти лекции сделает изучение физики более интересным.

Маятниковые часы - его детище. Christiaan Huygens

Нидерландский физик, механик и математик Христиан Гюйгенс ван Зюйлихем ( Christiaan Huygens ) родился 14 апреля 1629 года в Гааге в знатной и богатой семье. Его дед и отец были секретарями принцев Оранского дома. Христиан до 16 лет воспитывался дома и получил прекрасное образование. Он знал несколько языков, т. к. дипломатическая служба была традиционна для их семьи. Знал логику, математику, механику и географию. Помимо знаний, Христиан обладал многими умениями. Он играл на нескольких музыкальных инструментах, а в 13 лет собрал токарный станок. В 1645 году Гюйгенс поступил в Лейденский университет, на факультет права, где провел два года. А затем поступил в только что организованную « Оранскую коллегию » в Бреде, где его отец был одним из кураторов. В 22 года он напечатал свою первую научную работу об определении длины дуг окружности, эллипса и гиперболы.

С 1650 года Гюйгенс поселился в Гааге, где и жил до 1666 года. Гюйгенс работает над усовершенствованием объективов астрономических труб, стремясь увеличить их светосилу и устранить хроматическую аберрацию. Для этого он сам изготавливал оптических линз, и достиг в этом большого совершенства году они построили почти четырехметровый телескоп, который в то время был лучшим в Европе. С его помощью Гюйгенс открыл спутник у Сатурна. Он первый высказал мнение, что открытые Галилеем « ручки » возле него есть кольцо, а не две рядом стоящие с ним планеты. Этот вывод он сделал из долгих наблюдений за Сатурном.

В 1657 году вышел его трактат « О расчетах при игре в кости » – одно из первых исследований в области теории вероятностей. Совместно с Р. Гуком, Гюйгенс установил постоянные точки термометра – точку таяния льда и точку кипения воды.

Астрономические наблюдения требовали точного и удобного измерения времени. В 1656 году он занялся проблемой использования маятника для регулировки хода часов и решил эту проблему, придумав анкерный спуск. Этот спуск находится под действием силы завода и при каждом колебании маятника приходит ему на помощь на очень короткое время. Поэтому движение маятника продолжается, пока действует сила завода часов. На свое изобретение он получил патент от Генеральных штатов. Оно имело большой успех ; и скоро были сделаны первые башенные часы с маятником.

Теорию часов Гюйгенс дал в книге « Маятниковые часы », изданной 1658 году. В ней содержались решения важных проблем физики и математики, связанных с движением маятника. Он дал решение задачи о нахождении центра качания физического маятника – первой в истории механики задачи о движении системы связанных материальных точек в заданном силовом поле. В этой же работе Гюйгенс установил таутохронность движения по циклоиде. Издание АН СССР 1951 г. В издание вошли три мемуара Гюйгенса по механике: Маятниковые часы (1673 г. ), О движении тел под влиянием удара и О центробежной силе (1703 г. )

В 1673 году Гюйгенс опубликовал классический труд по механике « Маятниковые часы » (« Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica »). Скромное название не должно вводить в заблуждение. Кроме теории часов, сочинение содержало множество первоклассных открытий в области анализа и теоретической механики. Гюйгенс также проводит там квадратуру ряда поверхностей вращения. Это и другие его сочинения имели огромное влияние на молодого Ньютона. В первой части труда Гюйгенс описывает усовершенствованный, циклоидальный маятник, который обладает постоянным временем качания независимо от амплитуды. Для объяснения этого свойства автор посвящает вторую часть книги выводу общих законов движения тел в поле тяжести свободных, движущихся по наклонной плоскости, скатывающихся по циклоиде. Методика исследования вошла в золотой фонд науки. Гюйгенс вывел законы равноускоренного движения свободно падающих тел, основываясь на предположении, что действие, сообщаемое телу постоянной силой, не зависит от величины и направления начальной скорости. Выводя зависимость между высотой падения и квадратом времени, Гюйгенс делает замечание, что высоты падений относятся как квадраты приобретенных скоростей. Далее, рассматривая свободное движение тела, брошенного вверх, он находит, что тело поднимается на наибольшую высоту, потеряв всю сообщенную ему скорость, и приобретает её снова при возвращении обратно.

Галилей допускал без доказательства, что при падении по различно наклонным прямым с одинаковой высоты тела приобретают равные скорости. Гюйгенс доказывает это следующим образом. Две прямые разного наклонения и равной высоты приставляются нижними концами одна к другой. Если тело, спущенное с верхнего конца одной из них, приобретает большую скорость, чем пущенное с верхнего конца другой, то можно пустить его по первой из такой точки ниже верхнего конца, чтобы приобретенная внизу скорость была достаточна для подъёма тела до верхнего конца второй прямой ; но тогда бы вышло, что тело поднялось на высоту, большую той, с которой упало, а этого быть не может. От движения тела по наклонной прямой Гюйгенс переходит к движению по ломаной линии и далее к движению по какой - либо кривой, причём доказывает, что скорость, приобретаемая при падении с какой - либо высоты по кривой, равна скорости, приобретаемой при свободном падении с той же высоты по вертикальной линии, и что такая же скорость необходима для подъёма того же тела на ту же высоту как по вертикальной прямой, так и по кривой. Затем, переходя к циклоиде и рассмотрев некоторые геометрические свойства её, автор доказывает таутохронность движений тяжелой точки по циклоиде.

Теория физического маятника дана Гюйгенсом вполне в общем виде и в применении к телам разного рода. Гюйгенс исправил ошибку Галилея и показал, что провозглашённая последним изохронность колебаний маятника имеет место лишь приближённо. Он отметил также ещё две ошибки Галилея в кинематике : равномерное движение по окружности связано с ускорением ( Галилей это отрицал ), а центробежная сила пропорциональна не скорости, а квадрату скорости. В последней, пятой части своего сочинения Гюйгенс дает тринадцать теорем о центробежной силе. Эта глава даёт впервые точное количественное выражение для центробежной силы, которое впоследствии сыграло важную роль для исследования движения планет и открытия закона всемирного тяготения. Гюйгенс приводит в ней ( словесно ) несколько фундаментальных формул : для периода колебаний : ; для центростремительного ускорения :

В 1663 году он был избран первым иностранным членом Лондонского королевского общества. В 1665 году при основании Парижской академии наук Гюйгенса пригласили в качестве ее председателя. В Париже он прожил безвыездно 16 лет. Но в 1681 году он был принужден вернуться на родину из - за религиозных преследований протестантов во Франции. В 1680 году он работал над « планетарной машиной », которая должна была с помощью зубчатых передач воспроизводить с правильной периодичностью движение всех тел солнечной системы ( Для этого ему пришлось разработать специальную математическую теорию цепных дробей ). Это был прообраз современного планетария. Дома он продолжал заниматься совершенствованием телескопов. Гюйгенсом был сконструирован окуляр, носящий его имя. Он изготовил объективы с фокусными расстояниями 37, 54 и 63 метра. Телескопы с такими длиннофокусными объективами приходилось делать без труб и монтировать на специальных платформах. В 1690 году Гюйгенс издал « Трактат о свете », в котором излагалась и применялась к объяснению оптических явлений волновая теория света. Пятая глава этого трактата рассматривает явление двойного лучепреломления, открытое в 1669 году датским ученым Э. Бартолином в кристаллах исландского шпата. В курсах физики до сих пор теория преломления в оптических одноосных кристаллах излагается на основе этой главы. К « Трактату о свете » было добавлено приложение « О причинах тяжести », В нем ученый приблизился к открытию закона всемирного тяготения. Он умер 8 июля 1695 года в Гааге.

Многие его работы были изданы уже после его смерти : « Космотеорос » посвящена астрономическим проблемам, « О движении тел под действием удара », « Диоптрика », « Описание планетного автомата ». Полное собрание трудов Гюйгенса составляет 22 тома, но по - прежнему продолжают находить все новые его рукописи. Анкерный механизм Титульная страница популярного астрономического и философского трактата Гюйгенса «Cosmotheoros»

Nullius in Verba – Ничего словами. ( Девиз Лондонского королевского общества.) Современный портрет

Пожалуй, нет ни одного, изучающего физику, кто не знал бы закона Гука. Но, вместе с тем, о его авторе большинству почти ничего не известно. Он стал как бы человеком – символом. Даже портрета его не осталось. А, тем не менее, Роберт Гук оказал влияние почти на все вопросы, которые интересовали тогда физиков ; он внес огромный вклад в развитие физики. Гук родился в 18 июля 1635 года во Фрешуотере, графство Айл - оф - Уайт ( остров Уайт ) в семье священника местной церкви. Отец видя слабость его здоровья, не стал мучить его занятиями. Но, мальчик научился читать и писать, знал начала счета и начальные сведения из англиканского молитвенника. Но все свое свободное время он занимался конструированием механических игрушек, которые, к удивлению всех, работали. В 13 лет Гук лишился отца и его отправили в Лондон для обучения живописи. Но выдержал он там только год, т. к. считал, что не следует платить за то, чему можно научиться самому. После этого его отдали в частную школу, где он увлекся математикой, выучил греческий, латинский и древнееврейский языки, обучился игре на органе.

После четырех лет, проведенных в школе, он решил продолжить свое обучение в Крайст - Чёрч - колледж Оксфордского университета, куда он поступил в 1653 году. Здесь он познакомился со знаменитым ученым Робертом Бойлем, занимавшимся в это время работами по изучению упругости воздуха и стал его ассистентом. Для их работы был нужен воздушный насос, который мог бы повышать и понижать давление воздуха в замкнутой полости. Гук сделал такой насос. Это было его первое крупное изобретение. Кстати, Бойль в своей книге, где приводил свой знаменитый закон, состоящий в том, что произведение объема, занимаемого воздухом, на давление, при котором он находится, есть величина постоянная, сообщает, что закон открыт, на самом деле, Гуком. Но, тем не менее, в истории науки этот закон назвали не именем Гука, а именем человека, его опубликовавшего.

Из - за недостатка средств ему приходилось совмещать учебу с работой. Поэтому магистерскую степень он получил только в 28 лет. Гук был прекрасным математиком, и мог бы продолжать специализироваться в этом направлении, но его интересовала механика. В 1660 году он, совместно с Гюйгенсом, установил постоянные точки температуры – точки таяния льда и кипения воды. В этом же году Гук установил закон пропорциональности между силой, приложенной к упругому телу, и его деформацией – то, что мы теперь знаем как « закон Гука ».

В 1662 году Р. Гук получил место куратора в только что легализованном специальной грамотой короля научном обществе, получившем название « Лондонского королевского общества ». В его обязанности входила подготовка к каждому заседанию трех или четырех экспериментов. Этот пост требовал универсальных знаний в науке и технике своего времени. А через год он стал действительным членом Лондонского королевского общества. Гук участвовал в в составлении первый устав этого Общества, следуя которому, оно общество должно было « совершенствовать познания натуральных вещей и всех полезных искусств, мануфактур, механической практики, машин и изобретений при помощи экспериментов ( не вмешиваясь в богословие, метафизику, моральные знания, политику, грамматику, риторику и логику )». Так как Общество только формировалось, оно не имело возможности платить Гуку, и он должен был добывать себе средства сам. И он это прекрасно делал. По долгу службы он общался с лучшими механиками, токарями, слесарями, часовщиками, стеклодувами и другими ремесленниками Лондона. С одной стороны, он многому учился у них, а с другой, будучи, в силу своей должности, в курсе всех новшеств, он мог их консультировать по различным вопросам, получая за консультации значительные суммы. Его деятельность в качестве высококвалифицированного консультанта, а в последующем и архитектора, позволила ему создать со временем большой капитал. Рукописи Роберта Гука с протоколами заседаний Лондонского Королевского

Гук внес усовершенствования в конструкцию микроскопа и произвел исследования по строению растений. Свои результаты он опубликовал в труде « Микрография » («Micrographia») вышедшей в 1665 году, где впервые привел рисунок клетки бузины, укропа, моркови, привел изображения весьма мелких объектов, таких как глаз мухи, комара и его личинки, детально описал клеточное строение пробки, крыла пчелы, плесени, мха. Кстати, сам термин « клетка » был введен Гуком. После его работы исследования с помощью микроскопа стали весьма популярными. В этой же работе Гук изложил свою теорию цветов, объяснил окраску тонких слоёв отражением света от их верхней и нижней границ.

В марте 1665 года Гука избрали профессором геометрии Грешемовского колледжа Лондонского университета. В здании колледжа Гук получил квартиру, в которой и прожил до самой смерти. В этом же здании размещалось и Королевское общество. В 1665 году в Лондоне вспыхнула эпидемия бубонной чумы, а в следующем году произошел сильнейший пожар, свирепствовавший пять дней, уничтоживший весь центр города и оставивший половину жителей без крова. На следующий год Гука в качестве представителя Сити включили в комиссию по восстановлению Лондона. С этого времени он начал работать в качестве архитектора. В это же время он проводил опыты по гравитации. С января 1667 года он начал читать « Кутлеровские лекции ». Сэр Д. Кутлер предложил Гуку за 50 фунтов в год читать по 16 лекций в помещении заседаний Королевского общества по темам, предложенным самим Обществом и охватывающим все современное знание. И хотя Гуку, в результате, ничего не было заплачено, он регулярно читал лекции, чем внес огромный вклад в развитие науки. Рэглей Холл (Ragley Hall), спроектированный Гуком. В марте 1673 года Ньютон обратился с просьбой к президенту Общества исключить его из членов оного из-за критики его корпускулярной теории света Гуком. Сам Гук причиной света считал волновое движение, распространяющееся в однородной среде, так что каждое колебание светящегося тела производит в этой среде сферическую волну. Причем, он отмечал, что направление колебания перпендикулярно скорости распространения этих волн (говоря современным языком, свет – это поперечные волны). Гук объединил все главные явления в физике, известные в то время: свет, тяготение, тепло и звук в единый феномен колебательного движения. Но его попытка объяснить явление окрашивания тонких пленок с помощью своей теории, была признана неудачной, поэтому сообществом была принята более разработанная теория Ньютона.

В 1674 году возник спор о приоритете в области изготовления часового механизма. Когда пришло сообщение об изготовлении карманных часов Гюйгенсом, Гук заявил, что он еще два года назад докладывал устройство таких часов обществу. Но соответствующей записи в протоколах не оказалось. В этом же году вышел трактат Гука « Опыт доказательства вращения Земли ». Он близко подошел к опытам Фуко (1851 года ) с маятником, доказывающим вращение Земли. В этой работе он высказал идею, что все небесные тела тяготеют друг к другу. Здесь он предвосхитил небесную механику И. Ньютона. Гуку принадлежит определенный вклад в медицину. В 1675 году он поставил ряд экспериментов над мускулами человека и животных, вскрывал собак, чтобы выяснить процесс дыхания и роль воздуха в поддержании жизни. В 1678 году провел опыты по созданию искусственных мускулов и опубликовал свой « закон Гука ». Гук высказывал мысли об изменении земной поверхности, которое, по его мнению, повлекло изменение фауны. Гук считал, что окаменелости – это остатки прежде живших существ, по которым можно воспроизвести историю Земли. С 1677 года по 1682 он был секретарем Лондонского королевского общества.

Гук был недоверчив к другим и ревнив к своим трудам, мелочен, любил спорить и имел весьма неуживчивый характер. С возрастом это только усиливалось. В начале своей научной карьеры он с максимальной подробностью сообщал о своих открытиях и изобретениях, но со временем стал замкнутым и сдержанным, т. к. считал, что некоторые люди присваивают его изобретения и совершенствуют то, что он сам еще не успел завершить, пользуясь его намеками. Со временем он решил ничего не сообщать, пока сам не доведет дело до конца. Положение секретаря Общества обязывало его быть в курсе всех новых явлений в науке. А экспериментальные способности позволяли ему не только повторять чужие эксперименты, но и вносить в них много нового. К сожалению, нахождение на острие науки породило у Гука мнение, что он первым все знал, первым собирался все сделать. Он участвовал в бесконечных спорах о приоритете с другими учеными и инженерами ( изобретателями ). И во многих случаях ему не удавалось доказать свою правоту. Его даже называли научным разбойником и обвиняли в том, что он, пользуясь властью секретаря, придерживал приходившие к нему сообщения. Но при этом ему нельзя было отказать в точности его наблюдений. Универсальный шарнир Гука

В годах Гук проводил опыты по оптике и акустике. Им были открыты фигуры, получающиеся при сложении различных колебаний, переоткрытые через 60 лет Ж. Лиссажу и носящие имя последнего. В 1686 году Гук вступил в спор с Ньютоном о приоритете в открытии закона всемирного тяготения. В 1691 году за свои работы по медицине он получил степень доктора медицины. Гук имел весьма специфический внешний вид. С детства он начал горбиться, т. к. привык к работе на токарном станке и иными искривляющим тело занятиям. Поэтому он казался низкого роста, хотя, на самом деле, был достаточно высок. Он всегда был бледен и худ, а к концу жизни от него остались только кожа и кости. У него были серые на выкате глаза, тонкий нос и губы. Голова его была средней величины с большим лбом, но из - за того, что он горбился, она казалась непропорционально большой по отношению к телу. Он имел длинные темно - каштанового цвета волосы и поэтому не носил парик.

Он очень мало спал. Ложился в два, три или четыре часа ночи. А когда была срочная работа, не ложился вообще, заменяя ночной сон часом сна днем. В 1697 году у него появляются признаки диабета и цинги. Он начал слепнуть. В 1699 году он прочитал свой последний доклад в Королевском обществе. А в феврале 1701 года Галлей доложил на заседании Королевского общества о морском барометре – последнем изобретении Гука. Последняя запись, сделанная Гуком, датируется 17 декабря 1702 года и относится к инструменту для определения диаметра Солнца с точностью до десятой доли секунды. После продолжительной болезни он скончался 3 марта 1703 года в своей квартире в Грешемовском колледже, и был похоронен в церкви Св. Елены После его смерти И. Ньютон согласился принять на себя обязанности президента Королевского общества. До этого он побаивался критики со стороны Гука, с которым он разошелся во мнении по поводу учения о всемирном тяготении и в вопросе о природе света. Роберт Гук был универсалом и энциклопедистом, он интересовался всем, рождал множество глубоких мыслей и идей, но, не имея, порой, времени на исследования, он оставлял их на полпути. Обладая широчайшими научными познаниями, он, по существу, один дублировал все Лондонское королевское общество.