Испытывая и снова испытывая

Если кары, обрушенные инквизицией на голову Галилея, научили чему-нибудь ученых Западной Европы, так в первую очередь тому, что с церковью — все равно католической или протестантской — шутить опасно и что самый надежный способ избежать неприятностей — только изучать факты, но не истолковывать их. Именно поэтому во второй половине XVII века наука сосредоточила внимание исключительно на опытных исследованиях. Так, возникшая в 1657 году во Флоренции знаменитая Академия дель Чименто, избрав своим девизом слова Данте «Испытывая и снова испытывая», не оставила после себя никакого теоретического направления и ограничилась бессвязным набором экспериментальных исследований. Только «развитием физико-математического знания» желали ограничить деятельность своей корпорации основатели Лондонского Королевского общества, в 1660 году начертавшие на его гербе девиз из Горация: «Ничего на веру». Читайте так же про достопримечательности португальского города — Синтра. Хочется туда поехать, это самый романтический город Португалии, который расположен недалеко от Лиссабона.

«Развивать посредством опытов естествознание и полезные искусства, мануфактуры, практическую механику, машины, изобретения, не вмешиваясь в богословие, метафизику, мораль, политику, грамматику, риторику и логику»

, — к этим словам знаменитого Роберта Гука с готовностью присоединились бы организаторы подобных обществ во Франции, Германии, Италии. Вот почему в первые десятилетия после смерти Галилея не было недостатка в экспериментаторах, жаждавших найти количественные закономерности в тех проблемах, которым он дал такое блестящее объяснение на чисто качественном уровне, и прежде всего это относилось к свободному падению тел в сопротивляющейся среде.

Среди экспериментаторов прежде всего были флорентийские академики, описавшие в двенадцатой главе единственного тома своих «Трудов» проведенные ими исследования. Затем за дело принялся французский ученый-иезуит К. Деталь (1621—1678) — математик и физик, известный как первый издатель Евклида во Франции и как исследователь, который провел тысячу опытов по свободному падению.

Хотя эксперименты Риччоли, флорентийских академиков и Дешаля не открыли ничего нового по сравнению с тем, что давали законы Галилея, они, если так можно выразиться, привили ученым вкус к исследованию новых сторон свободного падения тел в пустоте, воздухе и воде. На протяжении почти 250 лет, начиная с середины XVII века и кончая началом XX, ученые разных стран время от времени ставят все более и более точные опыты, в ходе которых постепенно накапливается тот экспериментальный материал, который является фундаментом всякого сколько-нибудь серьезного научного обобщения. Среди добывателей фактов, извлекаемых из опытов свободного падения,- мы видим наряду со сравнительно малоизвестными учеными — Гауксби, Бенценбергом, Рейхом — и великих корифеев науки — Ньютона, Менделеева, Жуковского. А открывает этот список Эдм Мариотт, имя которого всем нам знакомо из школьной физики по закону Бойля — Мариотта.

Уроженец Бургундии Эдм Мариотт (1620—1684) рано принял духовное звание и всю жизнь был настоятелем монастыря Сен Мартин Су Бон близ Дижона. Этот увлеченный и увлекающийся человек в 1666 году стал одним из основателей и первых членов Парижской академии наук, первый том трудов которой украшен множеством его статей: о природе цвета, о барометре, о растворах воздуха в воде, о замерзании воды и о разнице между теплом и холодом. В 1677 году Мариотт издал в Париже небольшой «Трактат о соударении тел», в котором описаны проведенные им опыты свободного падения. Зажав . между двумя пальцами два шарика, исследователь одновременно выпускал их. Один — груз полусекундного маятника — начинал отсчитывать время, другой устремлялся вниз. По удару о препятствие, установленное на точно отмеренном расстоянии от точки начала падения, определялось время падения, причем делалась поправка на скорость звука. Опыты проводились в парижской обсерватории, где свинцовые,- восковые, пробковые и золотые шарики диаметром от 13,5 до 27 мм падали в сквозное свободное пространство винтовой лестницы с башни обсерватории в ее подвалы. Эти опыты наглядно показали, как велика может быть разница в скоростях падения легких и тяжелых шаров в воздухе. Предельная постоянная скорость, достигаемая свинцовым шариком диаметром 13,5 мм, составила 45,5 м/с, а для легкого пробкового шарика диаметром 27 мм она оказалась равной всего лишь 10,1 м/с.

Следующим «шаробросателем» стал И. Ньютон, который не только лично провел обширные опыты с падением шаров, но и привлек к подобным экспериментам двух помощников. Первым из них был искусный экспериментатор Лондонского Королевского общества Ф. Гауксби (1650—1713), известный своими исследованиями в области электричества. В июне 1710 года он вместе с Ньютоном провел опыты, бросая шары в соборе св. Павла в Лондоне с высоты 67 м. Шары были изготовлены из стекла — диаметром 20 мм, наполненные ртутью, и диаметром 130 мм, наполненные воздухом.

Еще более эффектными были эксперименты второго ньютонова помощника Ж. Дезагюлье (1683—1744) — геолога, оксфордского профессора, Читавшего лекции по физике и в других университетах и под конец жизни ставшего капелланом наследника английского престола. Дезагюлье много занимался исследованиями статического электричества, кстати, именно он ввел в научный обиход термин «электропроводник». В 1719 году Ньютон и Дезагюлье провели в соборе св. Павла еще серию опытов, в которых свиные пузыри и свинцовые шары весом около 900 г падали с высоты 83 м.

В этом же году Дезагюлье продемонстрировал королю Георгу 1 и его свите поразительный эксперимент… В галилеевых «Беседах» простец — Симпличио, полемизируя с Сальвиати, восклицает:

«Я никогда не поверю, что бы в пустом пространстве, если только в нем можно наблюдать падение, клочок шерсти двигался с такою же быстротою, как кусок свинца!»

«А почему бы и нет?» — подумал Дезагюлье. Воздушные насосы достигли к тому времени достаточного совершенства, а апелляция к королю обещала финансирование, необходимое для изготовления «протяженной пустоты» — стеклянной трубы длиной около 5 м. Откачав из нее воздух, Дезагюлье показал, а потому и убедительно доказал: золотая монета и кусок бумаги достигли дна трубы одновременно. А в наполненной воздухом — бумага отстала от монеты на половину высоты трубы. Поскольку измерений не производилось, эксперимент Дезагюлье имел чисто демонстрационное значение.

Забегая вперед, укажем, что эксперименты с падением шаров продолжались вплоть до 1880-х годов, хотя и не все они ставились с целью получить данные для измерения аэродинамического сопротивления. Так, еще неаполитанец Дж. Борелли (1608—1679) догадывался, что падающее с высокой башни тело должно вследствие вращения Земли отклоняться к востоку. Позднее подобную же мысль высказал Ньютон, и в 1789 году итальянец Дж. Гульельмини (?— 1817), вычислив, что при падении с высоты собора св. Петра в Риме отклонение должно составить около 12 мм, начал готовиться к экспериментам. Они были проведены в 1790—1791 годах на башне Азинелли в Болонье, на которой некогда экспериментировали Риччоли и Гримальди. К своему удивлению, Гульельмини, кроме восточного, обнаружил еще и таинственное южное отклонение. Этот результат вызвал в научных кругах большие кривотолки, что побудило профессора физики и математики Дюссельдорфского лицея и основателя обсерватории близ Дюссельдорфа И. Бенценберга (1777—1846) предпринять более тщательные эксперименты.

Первая серия из 31 опыта была произведена в 1802 году в Гамбурге внутри колокольни св. Михаила. Шары из тяжелого свинцового сплава диаметром 33 мм сбрасывались с высоты 77 м, причем ценной особенностью этих экспериментов было то, что фиксировалось не только время бросания и падения, но и время пролета промежуточных точек. В опытах Бенценбергу удалось зафиксировать восточное отклонение величиной около 9 мм и южное — 3,4 мм. Повторные опыты, проведенные в следующем году в каменноугольной шахте в Шлебуше, дали аналогичные результаты.

Наиболее точные эксперименты этого рода повторил в 1833 году немецкий физик Ф. Рейх (1799—1882). Шары из олова, свинца и кости диаметром от 28 до 40 мм он бросал на дно одной из знаменитых фрейбургских шахт, глубина которой составляла 158 м. Эти эксперименты положили конец разговорам о южном отклонении, а для восточного дали значения, считающиеся самыми точными: по 106 бросаниям при высоте 158 м оно составило 28,3 мм.

Хотя эти грандиозные эксперименты и содержали данные, по которым можно было оценивать сопротивление воздуха, они преследовали иные цели и из-за сравнительно высоких скоростей падения были не очень-то удобны для измерения нужных величин. Поэтому исследователи, интересующиеся собственно сопротивлением, предпочитали изучать падение шаров в жидкостях, где постоянная скорость устанавливается быстрее, чем в воздухе.

Так, Ньютон экспериментировал с деревянным сосудом высотой 3—4,5 м, наполненным дождевой водой. В этот сосуд он бросал восковые шары диаметром 18—32 мм с вплавленным в них свинцом. В зависимости от веса они достигали скоростей 0,06—0,74 м/с. После Ньютона подобные опыты были проведены лишь в 1811—1815 годах шведами П. Лагерхьёльмом, И. Форселесом и Г. Кальстениусом: в деревянном сосуде высотой около 9 м они заставляли тонуть шары диаметром от 31 до 90 мм из олова и дерева, утяжеленного свинцом. Достигаемые в опытах скорости составляли 0,27—1,08 м/с. Зимой 1879—1880 года опыты с шарами провел Д. И Менделеев: латунный шар диаметром 40 мм тонул в цилиндрическом сосуде, наполненном водой, достигая предельной скорости порядка 0,16 м/с.

Итак, за двести лет накопился довольно большой опытный материал. Но что означали полученные в экспериментах пестрые цифры? Проливали ли они свет на величину сопротивления, оказываемого средой движущемуся телу? Ведь исследователи не измеряли непосредственно саму силу сопротивления, а только отрезки времени, за которые шары проходили определенные расстояния. Из сопоставления полученных данных они могли установить момент, когда вес падающего тела уравновешивается силой сопротивления; достигнутая к этому моменту скорость в дальнейшем остается постоянной. Но это все!

Для того чтобы сопоставить между собой результаты всех опытов, чтобы сравнить результаты разных исследователей, требовалась идея, принцип, способный придать осмысленность накопившемуся экспериментальному материалу. И XVII век дал миру ученого, который попытался сформулировать такой принцип — первую теорию гидроаэродинамического сопротивления
galileo_PisaExp

Навигация

Предыдущая статья: ←

Оставить свой комментарий

Пожалуйста, зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.

Поиск
Поделись интересным!
Рубрики
Яндекс.Метрика

Посетите наши страницы в социальных сетях!

ВКонтакте.      Facebook.      Google Plus.      Twitter.      YouTube.      Одноклассники.      RSS.
Вверх
© 2017    Копирование материалов сайта разрешено только при наличии активной ссылки   //    Войти