Часы и время. Галилео галилей, пизанская башня и маятниковые часы Как сделать часы галилея по физике
Новый физический прибор - сердце
Всем хорошо знакома по многочисленным картинам и фотографиям стройная башня, расположенная в итальянском городе Пиза. Знакома не только своими пропорциями и изяществом, но и нависшей над ней бедой. Башня медленно, но заметно отклоняется от вертикали, будто кланяясь.
«Падающая» Пизанская башня расположена в городе, где родился и выполнил многие научные исследования современник великий итальянский ученый Галилео Галилей . В родном городе Галилей стал профессором университета. Профессором математики, хотя занимался он не только математикой, но и оптикой, астрономией, механикой.
Вообразим, что в один из прекрасных летних дней в те далекие годы мы стоим около Пизанской башни, поднимаем голову и видим на верхней галерее… Галилея. Ученый любуется прекрасным видом на город? Нет, он, как шаловливый школьник, бросает вниз разнообразные предметы!
Ажурная Пизанская башня была невольным свидетелем опытов Галилео Галилея.
Вероятно, наше удивление еще больше возрастет, если кто-нибудь в это время скажет, что мы присутствуем при одном из важнейших физических экспериментов в истории науки.
Аристотель, мыслитель широчайшего кругозора, живший в IV веке до нашей эры, утверждал, что легкое тело падает с высоты медленнее тяжелого. Авторитет ученого был так велик, что это утверждение в течение тысячелетий считалось совершенно верным. Наши повседневные наблюдения к тому же часто, казалось бы, подтверждают мысль Аристотеля - медленно и плавно слетают легкие листья с деревьев в осеннем лесу, тяжело и быстро стучит крупный град по крыше…
Но Галилей недаром однажды сказал: «…в науках тысячи авторитетов не стоят одного скромного и верного утверждения». Он усомнился в правоте Аристотеля.
Внимательное наблюдение за раскачиванием светильников в соборе помогло Галилею установить закономерности движения маятников.
Как будут вести себя оба тела - легкое и тяжелое, если их скрепить вместе? Задав себе этот вопрос, Галилей рассуждал далее: легкое тело должно замедлять движение тяжелого, но вместе они составляют еще более тяжелое тело и, следовательно, обязаны (по Аристотелю) падать еще быстрее.
Где выход из этого логического тупика? Остается только предположить, что оба тела должны падать с одинаковой скоростью.
На эксперименты заметно влияет воздух - сухой лист дерева медленно опускается на землю благодаря ласковым дуновениям ветра.
Эксперимент надо поставить с телами разного веса, но примерно одинаковой обтекаемой формы, чтобы воздух не вносил своих «поправок» в изучаемое явление.
И Галилей сбрасывает с Пизанской башни в один и тот же момент пушечное ядро массой 80 килограммов и значительно более легкую мушкетную пулю - массой всего 200 граммов. Оба тела достигают земли одновременно!
Галилео Галилей. В нем гармонично сочетались таланты физика-теоретика и экспериментатора.
Галилею хотелось изучить поведение тел, когда они двигаются не так быстро. Он смастерил из длинных деревянных брусков прямоугольный желоб с хорошо отполированными стенками, поставил его наклонно и пускал вниз по нему (осторожно, без толчка) тяжелые шары.
Хороших часов тогда еще не существовало, и Галилей судил о времени, которое уходило на каждый опыт, взвешивая количество воды, вытекавшей через тонкую трубку из большой бочки.
С помощью таких «научных» приборов Галилей установил важную закономерность: пройденное шаром расстояние пропорционально квадрату времени, что подтвердило созревшую у него мысль о возможности движения тела с постоянным ускорением.
Однажды в соборе, наблюдая, как раскачиваются светильники разного размера и длины, Галилей пришел к выводу, что у всех светильников, подвешенных на нитях одинаковой длины, период раскачивания от одной верхней точки до другой и высота подъемов одинаковы и постоянны - независимо от веса! Как подтвердить необычный и, как выяснилось затем, совершенно верный вывод? С чем сопоставить колебания маятников, где взять эталон времени? И Галилей пришел к решению, которое для многих поколений ученых будет служить образцом блеска и остроумия физической мысли: он сравнил колебания маятника с частотой биения собственного сердца!
Внешний вид и устройство первых маятниковых часов, изобретенных Христианом Гюйгенсом.
Лишь триста с лишним лет спустя, в середине XX века, другой великий итальянец - Энрико Ферми поставит эксперимент, напоминающий достижения Галилея по простоте и точности. Ферми определит силу взрыва первой опытной атомной бомбы по расстоянию, на которое взрывная волна отнесет с его ладони лепестки бумаги…
Постоянство колебаний светильников и маятников одинаковой длины было доказано Галилеем, и на основе этого замечательного свойства колеблющихся тел Христиан Гюйгенс в 1657 году создал первые маятниковые часы с регулярным ходом.
Всем нам хорошо известны уютные часы с живущей в них «говорящей» кукушкой, возникшие благодаря наблюдательности Галилея, не покидавшей его даже во время богослужения в соборе.
Часы Гюйгенса с маятниковым регулятором и шпиндельным спуском
Самые значительные усовершенствования в механизм часов были внесены во второй половине 17 века знаменитым голландским физиком Гюйгенсом, создавшим новые регуляторы как для пружинных так и для гиревых часов. Использовавшееся до этого в течении нескольких веков коромысло имело много недостатков. Его даже трудно назвать регулятором в собственном смысле этого слова. Ведь регулятор должен быть способен к самостоятельным колебаниям с собственной частотой. Коромысло же было, вообще говоря, только маховиком. Множество посторонних факторов влияло на его работу, что отражалось на точности хода часов. Механизм стал гораздо совершеннее, когда в качестве регулятора стал использоваться маятник.
Впервые мысль применить маятник в простейших приборах для измерения времени пришла великому итальянскому ученому Галилео Галилею. Сохранилось предание, что в 1583 г. девятнадцатилетний Галилей, находясь в Пизанском соборе, обратил внимание на раскачивание люстры. Он заметил, отсчитывая удары пульса, что время одного колебания люстры остается постоянным, хотя размах делается все меньше и меньше. Позже, приступив к серьезному изучению маятников, Галилей установил, что при малом размахе (амплитуде) раскачивания (всего несколько градусов) период колебания маятника зависит только от его длины и имеет постоянную длительность. Такие колебания стали называть изохронными. Очень важно, что при изохронных колебаниях период колебания маятника не зависит от его массы. Благодаря этому свойству маятник оказался очень удобным прибором для измерения небольших отрезков времени. На его основе Галилей разработал несколько простых счетчиков, которые использовал при проведении своих экспериментов. Но из-за постепенного затухания колебаний, маятник не мог служить для измерения длительных промежутков времени.
Создание маятниковых часов состояло в соединении маятника с устройством для поддержания его колебаний и их отсчета. В конце жизни Галилей стал конструировать такие часы, но дальше разработок дело не пошло. Первые маятниковые часы были созданы уже после смерти великого ученого его сыном. Однако устройство этих часов держалось в строгом секрете, поэтому они не оказали никакого влияния на развитие техники. Независимо от Галилея в 1657 г. механические часы с маятником собрал Гюйгенс. При замене коромысла на маятник первые конструкторы столкнулись со сложной проблемой: как уже говорилось, маятник создает изохронные колебания только при малой амплитуде, между тем, шпиндельный спуск требовал большого размаха. В первых часах Гюйгенса размах маятника достигал 40-50 градусов, что неблагоприятно сказывалось на точности хода. Чтобы компенсировать этот недостаток, Гюйгенсу пришлось проявить чудеса изобретательности. В конце концов он создал особый маятник, который в ходе качания изменял свою длину и колебался по циклоидной кривой. Часы Гюйгенса обладали несравнимо большей точностью, чем часы с
коромыслом. Их суточная погрешность не превышала 10 секунд (в часах с коромысловым регулятором погрешность колебалась от 15 до 60 минут).
Рисунок Леонардо да Винчи, изображающий часовой механизм
Так и оказалось: каждый ход люстры-маятника, имел одну и ту же длительность. Позже Галилей установил: эта длительность или, как говорят физики, период колебаний, нисколько не зависит от массивности маятника, а лишь - от его длины. Чем он короче, тем меньше времени занимает каждое колебание.
Только в конце жизни на вилле Арчетри (близ Флоренции) осужденный инквизицией за признание учения Коперника и едва не отправленный на костер Галилей смог заняться созданием давно задуманных им часов. Близкий друг ученого Вивиани вспоминал: «В один из дней 1641 года, когда я находился на вилле Арчетри, Галилей поделился со мной своими мыслями о возможности присоединить маятник к часам».
Но старый ученый (ему шел уже 78 год), ослепший и потерявший силы, не смог закончить начатую работу. Он попросил сделать это своего сына Винченцо. Вскоре Галилей умер. Винченцо выполнил просьбу отца, сделал модель часов, но судьба ее оказалась печальной.
Великий итальянский ученый Галилео Галилей
Механизм маятниковых часов Галилея
Сын ученого Винченцо Галилей показывает модель маятниковых часов своего отца
Винченцо ненадолго пережил своего гениального отца. Перед смертью в приступе тяжелой душевной болезни он уничтожил часы, и много лет о них никто ничего не знал.
Потерянное первенство
Не знал о часах Галилея и голландский ученый Христиан Гюйгенс. В 1658 году (через 16 лет после смерти Галилея) в Гааге вышла его небольшая книжка под коротким названием «Часы». В ней Гюйгенс писал об изобретенных им маятниковых часах. И только эта небольшая книжка была издана, как возникла неприятная шумиха.
Вивиани (его имя уже упоминалось) заявил, что первенство в изобретении часов с маятником принадлежит вовсе не Гюйгенсу, а Галилею, который на много лет опередил голландца.
Маятниковые часы Христиана Гюйгенса со шпиндельным ходом
Гюйгенс был честным человеком и не стал отрицать первенство Галилея. Когда один французский ученый прислал ему рисунок галилеевских часов, он написал в ответ: «Вы доставили мне большое удовольствие, переслав чертеж часов, начатых Галилеем. Я вижу, что они имеют маятник, однако он применен не так, как у меня».
Гюйгенс заверял, что маятниковые часы создал совершенно самостоятельно, «руководствуясь только своим собственным умом и ничем другим», да и по устройству они сильно отличаются от часов Галилея. Он может лишь гордиться тем, что вслед за великим Галилеем пришел к той же мысли.
Хотя Гюйгенс и потерял первенство, все равно его заслуги в часовом деле, в науке о часах огромны. После него началась новая страница в истории часов.
Но каково же было устройство часов Гюйгенса?
Знаменитый голландский ученый Христиан Гюйгенс
Они, как и часы с билянцем, имели коронное колесо (только расположенное иначе, горизонтально) и шпиндель с палетами. При качании маятника связанный с ним шпиндель своими палетами так же то задерживал, то отпускал коронное колесо на один зубец, получая в ответ толчок. Это не позволяло мятнику остановиться. А вращение коронного колеса передавалось другим шестеренкам и стрелкам. Двигателем же часов по-прежнему служила гиря, подвешенная на цепочке.
Суточная погрешность часов Гюйгенса не превышала десяти секунд, но оказалось, что можно сделать и лучше. Английский ученый Роберт Гук предложил анкерный ход - более точный, чем шпиндельный. Над зубчатым ходовым колесиком Гук поместил анкер, деталь, напоминающую маленький якорь. Соединенный с маятником, он тоже раскачивался и, цепляясь за зубцы ходового колеса, регулировал его движение. А в ответ, получая от зубцов толчки, сам раскачивал маятник.
Часто ли задумываются люди над вопросом, когда и кто изобрел маятник , наблюдая за качанием маятника в часах? Этим изобретателем был Галилео . После бесед с отцом, (подробнее: ) Галилей вернулся в университет, но уже не на медицинский факультет, а на философский, где преподавали математику и физику. В те времена эти науки еще не отделялись от философии. На философском факультете Галилей решил терпеливо изучить , учение которого основывалось на созерцании и не подтверждалось опытами.
Галилей в Пизанском соборе
Всем студентам, по университетским правилам, полагалось посещать церковь. Галилео, будучи верующим человеком, унаследовал от отца равнодушие к церковным обрядам, и ревностным молельщиком назвать его было нельзя. Как сообщает его ученик Вивиани , в 1583 году Галилей , находясь во время богослужения в Пизанском соборе , обратил внимание на люстру , подвешенную к потолку на тонких цепочках. Служители, зажигавшие свечи в люстрах, видимо, толкнули ее, и тяжелая люстра медленно раскачивалась. Галилей стал наблюдать за ней: размахи люстры постепенно укорачивались, ослабевали, но Галилею показалось, что, хотя размахи люстры уменьшаются и затихают, время одного качания остается неизменным . Чтобы проверить эту догадку, нужны были точные часы, а часов Галилей не имел - их тогда еще не изобрели. Юноша догадался использовать вместо секундомера биение своего сердца. Нащупав на руке пульсирующую жилку, Галилей считал удары пульса и одновременно качание люстры. Догадка как будто подтверждалась, но люстра, к сожалению, перестала качаться, а подтолкнуть ее во время богослужения Галилей не решился.Изобрел маятник Галилей
Вернувшись домой, Галилей провел опыты . Он привязал на нитки и стал раскачивать разные предметы, попавшиеся ему под руку: ключ от двери, камешки, пустую чернильницу и другие грузики. Эти самодельные маятники он подвесил к потолку и смотрел, как они качаются. Отсчет времени он по-прежнему вел по ударам пульса. Прежде всего Галилей убедился, что легкие предметы качаются так же часто, как и тяжелые, если они висят на нитках одинаковой длины. А зависят качания только от длины нити : чем нитка длиннее, тем реже качается маятник, а чем короче, тем качания чаще. Частота качаний зависит только от длины маятника, но отнюдь не от его веса . Галилей укоротил нитку, на которой висела пустая чернильница; сделал так, чтобы она качалась в такт биению пульса и на каждый удар сердца приходилось одно качание маятника. Затем он подтолкнул чернильницу, а сам уселся в кресло и стал считать пульс, наблюдая за маятником. Сначала чернильница, раскачиваясь, делала довольно широкие размахи и быстро летала из стороны в сторону, а потом ее размахи становились все меньше, а движение медленнее; таким образом время одного качания заметным образом не изменялось. И большие и малые размахи маятника все равно совпадали с ударами пульса. Но тут Галилей заметил, что от волнения его «секундомер» - сердце - начал биться быстрее и мешать опыту. Тогда он стал повторять свой опыт много раз подряд, чтобы успокоить сердце. В результате этих опытов Галилей убедился, что время одного качания заметным образом не меняется - оно остается одинаковым (если бы у Галилея имелись современные точные часы, он мог бы заметить, что небольшая разница между большими и маленькими качаниями все же есть, но она очень мала и почти неуловима).Прибор пульсологий
Размышляя о своем открытии, Галилей подумал, что оно может пригодиться врачам, для того чтобы считать пульс у больных людей. Молодой ученый придумал небольшой приборчик , названный пульсологием . Пульсологий быстро вошел во врачебную практику. Врач приходил к больному, одной рукой щупал пульс, а другой подтягивал или удлинял маятник своего прибора так, чтобы качания маятника совпадали с ударами пульса. Потом по длине маятника врач определял частоту биения сердца больного. Эта история первого научного открытия Галилея показывает, что Галилей обладал всеми качествами настоящего ученого. Он отличался незаурядной наблюдательностью; тысячи, миллионы людей видели, как раскачиваются люстры, качели, плотницкие отвесы и другие предметы, подвешенные на шнурках, нитках или цепочках, и только Галилей сумел увидеть то, что ускользало от внимания многих. Он проверил свой вывод опытами и тотчас же нашел практическое применение этому открытию. К концу своей жизни ученый доказал, что изобретенный им маятник может стать прекрасным регулятором для часов . С тех пор маятник служит в стенных часах. Галилей сделал часы с маятником одним из точнейших механизмов.Ускорение силы тяжести
Галилей обратил внимание на то, что всякое падающее тело сначала летит медленно, а потом все быстрее и быстрее - его движение ускоряется. Ученому хотелось измерить, насколько именно ускоряется падение, то есть насколько возрастает в каждую секунду скорость падающего предмета. Но как провести такие измерения? Сбрасывать шарики с высокой башни бесполезно: они падают слишком быстро, а измерять короткие промежутки времени Галилею было нечем - часов-секундомеров тогда не существовало.
Ученый решил замедлить падение так, чтобы оно стало доступным измерению с его скудными средствами. Пусть, решил Галилей, шарик скатывается по наклонному желобку. Если наклон невелик, шарик покатится так медленно, что можно успеть проследить за изменением его скорости.
Галилей взял доску толщиной в три пальца и длиной в двенадцать локтей (на наши меры это приблизительно семь метров), поставил ее на ребро и вдоль всей доски вырезал желобок. Желобок он оклеил самым гладким пергаментом, а пергамент старательно выгладил и отполировал, чтобы небольшой бронзовый шарик катился по желобку без помех.
Однако для измерений все равно ему нужны были часы. Некоторое подобие часов тогда имелось, но с очень несовершенным механизмом. Современник Галилея - астроном Тихо Браге купил для своей обсерватории механические часы, но почти не пользовался ими. Они были на редкость капризны и ненадежны.
Словом, часов Галилей не имел. Такое препятствие, конечно, не могло его остановить. Галилей изготовил самодельные водяные часы.
Взял ведро, просверлил в его днище отверстие и подставил под него стакан. В ведро Галилей налил воды, а дырочку заткнул.
Во время опытов ученый одной рукой пускал шарик по желобу, а другой управлял своими часами: пустит шарик и откроет отверстие, а как только шарик докатится до намеченной черты, затыкает дырочку и убирает стакан с набежавшей в него водой.
Галилей взвешивал стакан и по количеству собравшейся в нем воды определял промежутки времени. Он в шутку говорил:
Мои секунды мокрые, но зато я могу их взвешивать.
Конечно, при таком способе измерения времени очень легко было ошибиться. Чтобы уменьшить величину возможной ошибки, Галилей каждый опыт повторял по нескольку раз, стараясь натренироваться так, чтобы как можно проворнее открывать и закрывать дырочку в ведре с водой. В этом хлопотливом деле ученый приобрел большую сноровку.
Сначала Галилей пускал шарик с верхнего конца наклонного желоба так, чтобы он прокатился по всей его длине. Воды в этом случае набирался полный стаканчик. Потом Галилей разметил желобок по длине на четыре равные части и стал замечать время, в течение которого шарик пробегал только четвертую часть всего пути. Воды при этом набиралось только полстаканчика - ровно вдвое меньше, чем в первом случае.
Затем ученый скатывал шарик с середины желоба, то есть давал ему пробежать половину пути, и опять взвешивал набежавшую воду.
Галилей сделал несколько сотен таких опытов и убедился, что падение шарика по наклонному желобу не просто ускоренное движение, а равномерно-ускоренное.
Скорость падения шарика возрастает равномерно - она прибывает каждую секунду, так сказать, одинаковыми порциями. Свободное падение предметов происходит по тому же закону.
Однако точно измерить, насколько возрастает скорость падающих предметов, самому Галилею так и не удалось - он допустил ошибку, уменьшившую величину ускорения ровно, вдвое. Эту ошибку Галилея исправили другие ученые. Теперь установлено, что свободно падающее тело за одну секунду ускоряет свое движение на 9,81 метра в секунду.
Величина 9,81 метра в секунду называется ускорением свободного падения под действием силы тяжести.
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
