Концепции механики

1. Развитие статики

До XVI века статика базировалась на трудах Архимеда. В конце XVI века голландский ученый Симон Стевин (1548 – 1620) и Галилей усовершенствовали доказательство закона рычага и разрешили вопрос о равновесии грузов на наклонной плоскости. Галилей применил для этой цели условие равновесия косого рычага. Стевин использовал принцип невозможности вечного двигателя.

Стевин и французский ученый Роберваль установили принцип параллелограмма сил.

Другое направление в статике XVII века заключалось в сведении задач на равновесие системы грузов к рассмотрению возможных движений. Начало этому направлению было положено Героном Александрийским, который сформулировал «золотое правило механики». Этим принципом пользовались Галилей и Декарт, которые придали ему свои формулировки. Общая формулировка принципа возможных перемещений была дана Иоганном Бернулли (1667 – 1748): «Тело, на которое действуют любые силы, находится в равновесии, если сумма положительных энергий равна сумме отрицательных энергий. При этом под энергией понимается произведение сил на проекцию перемещения на направление этой силы. Это произведение имеет положительный знак, если направление проекции совпадает с направлением действия силы, и отрицательный знак, если они противоположны». Здесь под перемещениями Бернулли понимает уже бесконечно малые перемещения, допустимые связями.

Ученик Галилея Евангелиста Торричелли (1608 – 1647) указал принцип статики, согласно которому, два связанных груза находятся в равновесии, если при взаимном перемещении их центр тяжести не может опускаться.

2. Физика жидкостей и газов

Гидростатика средних веков ничем существенно не отличалась от гидростатики Архимеда. Более того, схоласты вернулись к представлениям Аристотеля, согласно которым способность тела плавать зависит от его формы. Галилей возродил теорию Архимеда о плавании тел и предложил новое доказательство его закона, основанное на применении принципа возможных перемещений в элементарной форме.

Еще раньше Галилея исследованиями по гидростатике занимался Стевин, будучи инспектором водяных и сухопутных сооружений. Стевин установил, что давление на дно сосуда зависит только от высоты уровня воды и не зависит от формы сосуда. Он определил также давление воды на боковые стенки сосуда и доказал, что оно зависит только от высоты уровня воды. Наконец, он исследовал вопрос о равновесии плавающих тел.

Дальнейшее развитие гидростатика получила в трудах французского ученого Блеза Паскаля (1623—1662). Паскаль установил известный закон, носящий его имя. Он решил также задачу сообщающихся сосудов и разработал принцип гидростатического пресса.

В XVII в. появляются первые работы по гидродинамике. Торичелли, применяя к жидкостям исследования Галилея о падении тел, вывел формулу для скорости воды, вытекающей из малого отверстия, в зависимости от уровня воды.

Кроме физики жидкостей с начала XVII в. начинает развиваться и физика газов — область, которая почти совсем не была развита в древности и в средние века. Галилей опроверг теорию «боязни пустоты» Аристотеля. Исследование этого вопроса было вызвано наблюдениями над работой всасывающего насоса, который выкачивает воду из колодца только в том случае, если его глубина не превышает примерно 10 м. Анализируя это явление, Галилей показал, что «боязнь пустоты» в природе ограничена.

Торичелли и Паскаль развили учение об атмосферном давлении. Торичелли в 1643 г. проделал свой первый опыт с трубкой, наполненной ртутью, и пришел к заключению о возможности существования пустоты, а также измерил величину атмосферного давления.

Факт получения вакуума (торичеллевой пустоты) также послужил доказательством несостоятельности тезиса Аристотеля о том, что «природа боится пустоты».

После того как опыт Торичелли стал известен в Европе, Декарт высказал мысль, что атмосферное давление должно уменьшаться с высотой и что это можно проверить, проделав опыт на вершине горы. Такой опыт проделал Паскаль и установил, что действительно высота ртутного столба с подъемом уменьшается. Опыты Торичелли и Паскаля привели к изобретению нового прибора — барометра, который быстро распространился в Европе и стал применяться для метеорологических исследований.

Торричелли усовершенствовал термоскоп Галилея и создал спиртовой термометр. Он впервые установил, что ветер – это движение воздушных масс, возникающее из-за разности атмосферного давления.

Немецким ученым Отто Герике (1602—1686) был изобретен воздушный насос. Впоследствии Герике усовершенствовал этот вначале весьма примитивный насос и с его помощью проделал целый ряд опытов. Одним из них был известный опыт с «магдебургскими полушариями», проведенный Герике в 1654 г. в Магдебурге. Применяя свой насос, Герике определил удельный вес воздуха, взвесив стеклянный шар сначала с воздухом, а затем пустой. Герике также выяснил, что звук не может распространяться в безвоздушном пространстве.

Воздушный насос был в дальнейшем усовершенствован английским физиком и химиком Робертом Бойлем (1627—1691), проделавшим с его помощью целый ряд исследований над свойствами воздуха, которые его привели к открытию закона зависимости давления воздуха от объема. Независимо от Бойля этот закон был открыт Мариоттом (закон Бойля-Мариотта).