Природа описывается формулами. Галилей. Научный метод

Древние греки считали, что все небесные тела являются частью единого целого — космоса. Почему светила движутся? Почему они подвешены в небе? Какова структура Вселенной? На эти вопросы Аристотель пытался дать логичный и рациональный ответ.

По его мнению, космос был совокупностью вращающихся сфер, заключенных одна в другую. Они состояли из вечного, неразрушающегося и прозрачного материала, называемого эфиром или квинтэссенцией. Все светила (планеты, Луна и Солнце) были включены в одну из этих сфер, все вместе они составляли единый механизм, как если бы космос был огромными часами, и шестеренки в них задавали движение всех планет. Круг и сфера были главными фигурами, описывавшими весь мир.

Граница конечной Вселенной, сфера неподвижных звезд, начала перемещаться благодаря первому импульсу, который идентифицировался с божеством, и это движение увлекало за собой соседнюю сферу. Вращение охватило сферы планет и промежуточные сферы, функция которых заключалась только в передаче движения и заполнения пустоты (Аристотель считал, что вся Вселенная заполнена). В аристотелевской системе насчитывалось 52 сферы. Передача импульса от первого движителя происходила сверху вниз до последней сферы, в которой находилась Луна.

Эта система объясняла физические и механические причины перемещения светил (их влечет движение, передающееся с верхних сфер), а также причину, по которой они держатся в небе: светила просто закреплены на сфере.

Лунная сфера была границей, делившей Вселенную на две области: надлунный мир — сферический мир с совершенными движениями небес по окружности, и

В августе 1609 года Галилей вместе с многочисленными представителями венецианской знати поднялся на башню Сан Марко, чтобы продемонстрировать им полезное для защиты города изобретение. Оно показывало объекты на большом расстоянии и увеличивало их размеры, позволяя заметить вражеские корабли, когда они были еще достаточно далеко, и заранее приготовиться к их встрече.

Галилей справедливо предполагал, что использование прибора принесет ему деньги и почести, но очень скоро он нашел еще одно применение телескопа, которое могло удовлетворить его интеллектуальные амбиции, — изучение звезд. Это открытие лежало в начале нового витка развития науки, зародившейся еще в Египте и Древней Греции и на тот момент существовавшей тысячи лет. До настоящего времени телескопы предоставляют нам важнейшие сведения, которые расширяют знания о Вселенной.

В 1637 году Галилей сделал еще одно научное открытие — либрацию Луны. Это был его последний вклад в науку: год спустя ученый потерял зрение. В письме другу Галилей так описывает свое положение:

это движение делится на две части, которые можно рассматривать как отдельные и дополняющие друг друга.

Исходя из этой теории ученые делили движение снаряда на три части: сначала он движется прямолинейно, под действием силы, сообщенной ему; потом сила уменьшается, так как импетус уравновешивается силой притяжения, и траектория становилась полукруглой; наконец, в третьей части снаряд падает вертикально.

Галилей же предложил сделать обобщение, которое позволяло выйти за рамки теории толчка. Он придумал такой эксперимент: возьмем шар, равномерно движущийся по горизонтальной плоскости. Когда он дойдет до края, его движение должно разделиться на две четкие составляющие. Это, с одной стороны, горизонтальное движение, остающееся равномерным, то есть при нем тело преодолевает равные расстояния за равные промежутки времени (если мы применим принцип инерции, это было бы движение с сопротивлением, которым можно пренебречь). С другой стороны, это вертикальная составляющая, в которой движение тела равноускоренное, так что пройденные расстояния пропорциональны квадратам времени, как было установлено раньше. Комбинация этих двух движений даст параболическую траекторию.

Сейчас для определения положения точки (х, у) траектории снаряда, выпущенного горизонтально, используются следующие уравнения:

х= vx · t

y=½gt²

где vx — горизонтальная составляющая скорости, являющаяся постоянной величиной, a g — ускорение свободного падения, на уровне моря равное 9,81 м/с².

Еще одна центральная проблема математиков того времени касалась траектории снарядов.

В случае когда тело находится в состоянии свободного падения, ускорение (а) равно 9,81 м/сек². Галилей излагает эти выводы так:

«Если тело, выйдя из состояния покоя, падает равномерно ускоренно, то расстояния, проходимые им за определенные промежутки времени, относятся между собою, как квадраты времени».

Сравнивая второй столбец с последним, мы видим, что расстояние равно квадрату времени. Из предыдущего уравнения следует, что пройденное расстояние (s) всегда пропорционально квадрату затраченного времени. Таким образом:

Как мы говорили в первой главе, Галилей измерял время водяными часами. Он отметил положение шара на наклонной плоскости в равные промежутки времени. По этим отметкам он увидел, что расстояния, пройденные за эти промежутки, соотносились друг с другом так же, как нечетные числа: 1:3:5:7. Поскольку эти пропорции не менялись с увеличением угла наклона, они должны были сохраняться и при свободном падении.

Время, необходимое для того, чтобы пройти каждый интервал расстояния, равно 1, 3, 5, 7 и так далее, а это значит, что для прохождения первого промежутка затрачивается одна единица времени, в конце второго промежутка оказывается затрачено 1+3 = 4 единицы времени. Пройденные промежутки расстояния все увеличиваются, и каждой единице времени соответствуют 1, 4, 9, 16 единиц расстояния. Рассмотрим следующую таблицу.

Свободное падение было одной из главных физических задач, которые пришлось решать Галилею. Это было связано с огромными трудностями: чтобы экспериментально изучать этот тип движения, необходимо прибегнуть к технике моментальной фотографии, которой в то время не существовало. Предметы падают слишком быстро, и чтобы верно изучить их движение, нужны очень точные приборы. Галилей преодолел эту трудность интереснейшим образом: он использовал наклонные плоскости, способ, «уменьшающий притяжение», чтобы проделать опыт, поддающийся измерению. Угол наклона этих плоскостей можно было постоянно увеличивать, вплоть до вертикального положения.