На плечах гигантов I, или Как механика спустилась с небес на землю

Во времена моего детства издавалось очень много научно-популярной литературы, в том числе и по истории науки. Нетрудно было найти книжку, рассказывающую увлекательную историю исследования электромагнетизма от опытов Вольта до появления уравнений Максвелла. Не хуже обстояли дела с историей квантовой механики и релятивистских теорий. Была у меня даже книга по истории гидродинамики – одного из прикладных разделов механики. Но с историей становления классической механики дела обстояли плохо. И это при том, что собственно со становления классической механики в XVII веке началось формирование современной физики и множества других наук.

 

Кое-что по этой теме нам объясняли в школе. Всё сводилось примерно к следующему: Земля вращается вокруг Солнца, да вдобавок ещё и вокруг своей оси, эти столь очевидные факты учёные, заботясь о благе человечества, на протяжении столетий отстаивали, преодолевая упорное сопротивление церковников, которые в силу изначальной ошибочности религии как таковой доказывали какую угодно чепуху, а только не то, что есть в мире на самом деле. И, как только, церковники под давлением прогрессивной общественности смирились с истинным положением дел, так сразу же и началась научная революция, приведшая нас ко всем благам современной цивилизации – от карманных фонариков до стратегических бомбардировщиков.

 

Вот это больше всего и запомнилось: гонимые учёные, которых мало того, что регулярно сжигали, так нет ведь, хуже – их не признавали; героическое отстаивание истины (разумеется, исключительно с заботой о благе будущих поколений); упрямое духовенство, которое маниакально отлавливает этих учёных, не признаёт их заслуг перед человечеством и время от времени сжигает. Духовенство, конечно же, вело свою родословную от коварных жрецов древнего Египта, которые, наблюдая за движением небесных светил, научились предсказывать лунные и солнечные затмения, что использовали исключительно для устрашения народа.

 

Ещё нам говорили о законах движения и даже катали по лабораторному столу какие-то тележки, но какую пользу можно извлечь из знания законов движения – этого нам почему-то не объяснили. Ещё нам рассказывали, как Исаак Ньютон внезапно наоткрывал кучу всего, и поэтому он – гений, а мы – двоечники.

 

Да ещё вдобавок к этому каким-то колдовским образом в наших головах оседал налёт околонаучных легенд, который, как выяснилось, был чрезвычайно прочен и со временем превратился в трудно смываемую коросту стереотипов. Ну, например, в этом я абсолютно уверен, гигантское число людей и по сих полагает, что на открытие закона всемирного тяготения Ньютона натолкнуло яблоко, свалившееся ему на голову, хотя то, что яблоки падают вниз, и при этом иногда могут и треснуть по башке, знали и за тысячи лет до Ньютона. И никто ни в какие времена не сомневался, что всё брошенное тем или иным образом шлёпнется на землю и только с пола, как утверждает закон Мэрфи, упасть нельзя.

 

Потом, спустя много лет, рассказывая детям о разных природных явлениях, когда мы вместе с ребятнёй ставили эксперименты и, пусть заново, но сами открывали разные законы природы, я задумался и о том, как эти законы были открыты на самом деле. И я попробовал разобраться – откуда взялась классическая механика как очень точная, я бы сказал, изящная наука.

 

Самое что забавное – абсолютно все необходимые для этого сведения ещё в советское время можно было взять из открытых и общедоступных источников, хотя бы из энциклопедий. Нужно было только отследить хронологию, увидеть то, что по каким-то причинам не вошло в школьные учебники, и передо мной открылась совсем не та картина, которую рисовали, да и по сей день продолжают рисовать школьные учителя.

 

И это натолкнуло меня на мысль нарисовать картину открытия законов механики не так, как её рисуют в школе. Давайте найдём ответы на вопросы:

 

• Каким образом «искусство построения машин» объясняет движение небесных тел?

• В какой момент стало возможным открытие законов движения и закона всемирного тяготения?

• Какую роль в открытии законов движения сыграли астрономия и баллистика?

• Для чего люди наблюдали за движением солнца, луны, звёзд, планет?

• Зачем строили Стоунхендж и другие подобные сооружения?

• Почему механика как чистая наука ведёт своё начало от небесной механики?

• Какое отношение к механике имеет музыка сфер?

• За какие научные достижения сожгли Джордано Бруно?

• В чём обвиняли Николая Коперника?

• Что общего у пушечного ядра и планеты?

• Почему Ньютон не желал публиковать закон всемирного тяготения?

• Что предвещала науке комета Галлея?

• Могло ли падающее яблоко дать объяснение закона всемирного тяготения?

• На плечах каких гигантов стоял Ньютон?

 

И, по ходу дела, попробуем прояснить ещё многие не совсем понятные вещи.

 

Искусство построения машин

 

Часто и в литературе и в живой речи мы встречаем слова «механика», «механизм», «механично», «механически», а ещё, но это уже точно чаще в литературе – «классическая механика», «квантовая механика» и даже «небесная механика».

 

Само слово «механика» греческого происхождения и обозначает «искусство построения машин», поскольку греческое mēchanē обозначает «машина, орудие, инструмент».

 

Странно, не правда ли, что законы движения планет называют небесной механикой? При чём здесь орудия, машины и инструменты? Ведь в планеты не встроены какие-нибудь моторчики! Да и вообще, механика в современном понимании – это наука, которая рассматривает не только машины и механизмы, она изучает любое движение материальных тел и происходящие при этом взаимодействия между ними. Это может быть и движение тех же небесных тел, но и движение молекул в газе; сюда входят и морское течение, и полёт самолёта или ракеты, и движение автомобиля, и, конечно же, движение разных деталей всяческих и всевозможных механизмов.

 

А поскольку такая наука как физика изучает все формы движения и взаимодействия материи, можно сказать, что механика лежит в основе всей физики вообще. Теперь, если вспомнить о том, что физика является основой всех естественных наук, то окажется, что без «искусства построения машин» невозможно приступать к таким наукам как астрономия, биология, биофизика, биохимия, география, геология, химия, квантовая механика и ко многим другим!

 

В основе всех разновидностей и отраслей механики лежит классическая механика – точная наука, изучающая законы изменения положений тел в пространстве со временем и причины это вызывающие. Проще говоря, классическая механика изучает движение чего угодно – от телеги до космического корабля, от пылинки до звезды-красного гиганта. Есть, правда, области, где законы классической механики «не работают».

 

Микроскопические тела – атомы и элементарные частицы ведут себя «странно», законы их движения описывает квантовая механика. «Странно» ведут себя физические тела при скоростях, близких к скорости света, движением с такими сумасшедшими скоростями занимается релятивистская механика. Но и релятивистская и квантовая механики появились не только позже механики классической, но и благодаря ей. Да и списывать на свалку классическую механику никто не собирается, в огромном числе случаев используют именно её: она и даёт хороший результат и гораздо проще релятивистской и квантовой механик.

 

Ещё классическую механику называют механикой Ньютоновой, потому что законы движения тел открыл именно Ньютон. Давайте вспомним эти законы так, как их сформулировал сам Ньютон.

 

1. Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

 

2. Изменение количества движения пропорционально приложенной силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

 

 

3. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе, взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.

 

 

В современной формулировке они выглядят так:

 

1. Не пнёшь – не полетит.

 

2. Как пнёшь, так и полетит.

 

3. Как пнёшь, так и получишь.

 

Ой, то есть вот так:

 

1. Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго.

 

2. В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.

 

3. Материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению.

 

Ещё Ньютон, как известно, открыл закон всемирного тяготения.

 

Cила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними – то есть:

 

 

Но, конечно, вы это и так знаете из школьного курса физики.

 

И вот этих открытий и по сей день достаточно, чтобы сделать расчёт едва ли не любого движения – детали механизма, автомобиля на дороге, спутника в космосе, колец Сатурна, баллистической ракеты, бильярдного шара или вагончика американских горок.

 

Создаётся впечатление, что не будь Ньютона, человечество так и мыкалось бы в потёмках невежества, спутники запускало бы на глазок, и бестолково пялилось бы на обычную телегу, недоумевая, почему это она движется.

 

Исаак Ньютон был, конечно, очень умным человеком, настолько умным, что таких вообще принято называть гениями. Но ни с того ни с сего никакой гений не мог бы открыть законы движения. Чтобы изобрести велосипед, для начала нужно, чтобы кто-нибудь изобрёл колесо. И законы движения не были открыты случайно, внезапно. Над этими законами бились многие поколения исследователей, накапливая опыт, совершая великие открытия и… путаясь в ошибочных представлениях. И вот так получилось, что ко времени жизни такого великого человека как Исаак Ньютон у учёных имелись все данные, чтобы открыть вот эти самые законы Ньютона.

 

Кроме того, можно сказать, что к этому времени эти законы уже были нужны до зарезу. И если бы и не было на свете такого гения как Ньютон, эти законы были бы открыты всё равно, хотя, пожалуй, чуть позже, всё же Ньютон был ну очень умным дядькой. Сам он говорил: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов». И вовсе не из скромности говорил так великий учёный, он-то прекрасно понимал, что если бы он не изучил всего, до чего додумались другие умные дядьки, его предшественники, ему не удалось бы достичь таких высот в науке.

 

Давайте же познакомимся с гигантами, на плечах которых стоял Ньютон! Давайте узнаем, как эти гиганты на протяжении тысяч лет совершали великие открытия и впадали в великие заблуждения, и что увидел Ньютон, опираясь на их плечи!

 

Сферические в вакууме

 

Понятное дело, что механика это не та наука, с которой человечество столкнулось внезапно, как, скажем, с микробиологией после изобретения микроскопа. Механические приспособления использовали всегда. Ну, обычная дубина, при помощи которой превращали того или иного зверя в кулинарный полуфабрикат – уже суть механическое приспособление. И поначалу механикой называлось именно искусство построения машин.

 

Архимед Сиракузский за 200 с лишним лет до нашей эры открыл ряд законов прикладной механики. Прикладной – это значит не чистой универсальной теории, а науки, имеющей практическое применение, как правило, достаточно узкое. Конечно, совсем уж без теории не обошёлся и Архимед. В своей книге «О равновесии плоских фигур» он ввёл в механику понятие силы, изложил теорию рычага, математически объяснил работу механических передач.

 

Собственно, с тех давних пор механические передачи принципиально не изменились, так что труд Архимеда можно считать первым учебником прикладной механики. Открытия Архимеда в области механики носили преимущественно практический характер, они описывали работу механизмов, которые применяются и по сей день: рычаги, блоки, полиспасты, шнеки (не путать со Шреками!!!) и тому подобных. Прикладная механика и по сегодня одна из важнейших наук. Ею каждый день пользуются инженеры, разрабатывая различные механизмы. Инженеры пользуются справочниками, которые составили другие инженеры, первым из которых был, конечно же, Архимед Сиракузский с его справочником «О равновесии плоских фигур».

В инженерных справочниках, если, конечно, суметь в них разобраться, можно найти ценную информацию: сколько зубьев должно быть у шестерёнки, какой толщины нужно сделать ось автомобиля, из какого металла изготовить сопло реактивного двигателя. Словом, в справочниках есть ответы на вопросы, что и как нужно делать в каждом отдельном механическом случае. А механика как чистая наука описывает движение любого тела в любых условиях.

 

Это потом, когда Ньютон во всём разобрался, стало ясно, что движение хоть бы и пятого колеса в телеге подчиняется красивым и точным законам движения. А до этого чего только народ не нагородил про это самое движение, каких только теорий не настроил!

 

Классическая, чистая механика в первую очередь, конечно, описывает движение не тележных колёс или игрушечных пароходиков, а сферических тел в вакууме. Самое смешное, что такие тела в природе существуют, это не что иное, как звёзды и планеты. Вот и получилось, что для того, чтобы досконально разобраться со всеми нюансами движения колеса в какой-нибудь скрипучей телеге, для начала нужно было разобраться с движением сферических тел в вакууме – звёзд и планет. А это было не так уж просто, это не шестерёнки тебе, которые можно и руками пощупать и на весах взвесить! Наблюдая с Земли движение небесных светил, не так-то просто понять по каким траекториям они движутся, что заставляет их двигаться так, а не иначе.

 

Тот же Архимед, кстати, изучал и движение планет. Он построил удивительный механизм для расчёта движения небесных тел, что-то вроде карманного планетария. Сейчас мы не знаем, задумывался ли Архимед о том, почему, по каким причинам звёзды и планеты движутся определённым образом, именно так, а не иначе. Но некую так называемую «модель мира», то есть примерную схему движения небесных тел он себе по некоторым данным представлял.

 

 

Считается, что Архимед принимал Землю неподвижной, вокруг Земли, по представлениям Архимеда, вращались Луна, Солнце и неподвижные звёзды. А планеты вертелись вокруг Солнца. Неизвестно, достоверно занимался ли Архимед систематическими наблюдениями неба. Может быть да, а, может быть, и нет.

 

В первую-то очередь он был математиком, даже на своей могиле он завещал высечь шар, вписанный в цилиндр.

 

Это было одно из математических открытий Архимеда, до него никто не умел математически точно определить объём шара – так, прикидывали на глазок. А Архимед доказал, что объём шара будет равен 2/3 от объёма цилиндра, описанного вокруг шара. Это он считал своим главным достижением.

 

Вот так исследователи всех времён искали гармонию нашего мира, и если где-то находили её, то ужасно радовались. И с подобными случаями нам ещё не раз придётся столкнуться.

 

Продолжение следует.