Основное меню
План-конспект урока
Начальная школа
Русский язык
Литература
Английский язык
Немецкий язык
Французский язык
Испанский язык
История России
Всемирная история
Биология
География
Математика
Призыв к наблюдению и опыту
Развивавшееся горное дело и промышленность ставили задачи, требовавшие для их разрешения знания механики. Рудничные выработки встречали подземную воду. Нужно было найти способ бороться с ее притоком.
В XIII–XV веках уже возводились большие здания и сооружения. Во Флоренции был построен огромный собор. Проектирование его купола представляло серьезную задачу статики: чтобы соорудить этот купол, понадобилась сложная система рычагов и наклонных плоскостей.
Путь полета пушечного ядра
Одновременно с Леонардо да Винчи к опыту призывали и другие сторонники эксперимента. Их голоса не остались не услышанными современниками. Появилось много наблюдателей и экспериментаторов, не имевших связи с схоластической наукой. Правда, не многие из них правильно понимали, что такое научный опыт.
Одни годами просиживали в темных лабораториях, занимаясь алхимическими опытами. Другие трудились над изготовлением «живых» автоматов — голубей, уток. Даже прославленный в XVI веке математик Иероним Кардан (1501–1576) еще не видел в опытах воспроизведения в желаемых условиях физического явления.
Система мира Коперника
Движение планет по эпициклам вокруг ничем не отмеченных в пространстве центров не могло быть понято с механической точки зрения. Некоторые астрономы пришли к мысли, что действительные движения планет непознаваемы.
Между сторонниками Птолемея и Аристотеля шла борьба. Одни видели спасение в возвращении к твердым сферам, другие возражали, что только схема Птолемея дает возможность предвычислять положение планет.
Борьба за учение о движении Земли
Гениальная идея Коперника, «толкнувшего» Землю в мировое пространство, нашла последователей. Одним из первых среди них был итальянский философ Джордано Бруно (1548–1600).
Бруно, воспитанный в доминиканском монастыре, должен был стать монахом. Но, познакомившись с учением древних философов-материалистов и с трудом Николая Коперника, он сделался ярым врагом аристотелианства. Не стеснявшийся высказывать открыто свои взгляды, Бруно скоро был вынужден бежать из Италии от преследования инквизиторов.
Ниспровержение аристотелианства
Интерес к астрономическим открытиям и системе мира Коперника охватил в XVI веке широкие слои общества в Италии. Шли оживленные разговоры не только во дворцах герцогов, но и в мастерских художников и ремесленников. По вечерам на паперти собора во Флоренции сходились врачи, учителя, аптекари, ремесленники, художники, чтобы беседовать о новостях литературы и науки.
Хотя прошло всего несколько лет после выхода в свет (и к тому же на латинском языке) бессмертного труда Коперника, а его идея уже обсуждалась флорентийцами.
Галилей — основоположник динамики
Для введения экспериментального метода в механику было недостаточно лишь сознания его необходимости. Требовалось не только уметь ставить опыты, но и выводить из них теоретические правила — законы. Вывод законов мог быть сделан путем математической обработки результатов экспериментов.
В XVI веке в Италии уже работало много математиков — последователей Тартальи. Эти ученые обладали достаточными познаниями для вывода законов механики. Но они не были экспериментаторами и не могли дать новое направление этой науке.
Открытие равномерности колебаний маятника
Несомненно, что с древнейших времен люди были знакомы с колебаниями подвешенных тяжестей. Например, моряки часто наблюдали, как колеблется подвижный блок, который спускают сверху, чтобы захватить корабельную снасть. Но ученые долго не интересовались законами колебаний. Впервые изучать их экспериментально начал Галилей.
Еще в студенческие годы Галилей заметил, что хотя размах колебаний маятника с течением времени становится все меньше, но период их остается одинаковым. Это открытие было сделано им в соборе, где он наблюдал качание люстр, измеряя время биениями своего пульса.
О наклонной плоскости
Инженеры, строители зданий, моряки часто пользовались наклонной плоскостью. Например, по наклонно положенным доскам перетаскивали грузы с пристани на борт судна. Но почему наклонная плоскость позволяет выиграть в силе, это стало известным лишь в XIII веке в связи с развитием городского строительства.
Голландский ученый Симон Стевин и Галилей почти одновременно дали вывод закона наклонной плоскости.
Инерция движения
Некоторое представление об инерции тел было известно с древнейших времен. Всегда люди знали, что предметы не начинают двигаться сами по себе, без действия на них силы: тяжести перевозились лошадьми, пыль переносилась ветром, мельницы приводились в движение водой.
Из таких наблюдений и вытекали воззрения древних ученых на движение тел. Например, Аристотель не имел никакого понятия об инерции движения. Он был уверен, что тело движется только под действием силы и немедленно останавливается, как только прекращается ее действие.
Законы свободного падения
Свободное падение издавна привлекало наибольшее внимание механиков и мыслителей. В средние века оно занимало умы уже не только ученых. О нем велись оживленные беседы при дворах итальянских герцогов, в «академиях», в мастерских художников и ремесленников. Всех удивляло, почему свинцовый шар при падении не обгоняет деревянный, хотя первый гораздо тяжелее второго.
Проверка опытом законов падения
Как же можно было проверить законы Галилея на опыте? Нельзя же заметить, какое расстояние пролетает свободно падающее тело в первую, вторую, третью и так далее секунду. С большим трудом, и не очень точно, можно было, пожалуй, лишь установить время, в течение которого падающее тело проходит расстояние от вершины башни до земли.
Галилей избрал, однако, другой путь для проверки теоретически найденных им законов. Он прибег к помощи наклонной плоскости.
Проблема траектории брошенного тела
Открытие законов свободного падения было началом динамики. Оно позволило немедленно же разрешить давнишнюю проблему о траектории пушечного ядра, которая имела важный практический характер.
Ядро вылетает из пушки под огромным давлением расширяющихся горячих газов. По выходе из ствола оно двигалось бы по инерции равномерно и прямолинейно, если бы его не притягивала Земля. Но как только оно покинет ствол пушки, притяжение Земли заставляет его падать.
Траектория брошенного тела определяется сложением поступательного движения и свободного падения.
Гидростатика в XVI–XVII веках
До XVI века ученые и инженеры при определении условий равновесия жидкости пользовались только работами Архимеда. Дальнейшее развитие гидростатика получила в трудах упоминавшегося ранее современника Галилея — Симона Стевина.
Проведя свою молодость в далеких плаваниях, Стевин близко познакомился с вопросом об устойчивости судна. Позднее он был инспектором водных сооружений Голландии, имевших огромное значение для существования этой маленькой страны. Ему пришлось столкнуться с определением давления на ворота шлюзов и тому подобными задачами.
Возникновение гидродинамики
Гидромеханические исследования Галилея продолжил итальянский физик и математик Эванджелиста Торричелли (1608–1647).
Познакомившись с «Беседами о двух новых науках» Галилея, Торричелли увлекся вопросами механики и написал сочинение «Трактат о движении под действием тяжести». В этом труде он развивал идеи Галилея, стремясь дать его законам динамики новые доказательства.
Узнав об этой работе молодого ученого, Галилей пригласил его к себе. Торричелли приехал в 1641 году к Галилею в его домик в Арчетри, где и остался до кончины великого механика.
Механика газов в XVII веке
Древние натурфилософы думали, будто воздух заполняет все мировое пространство. Поэт-философ Лукреций Кар предполагал, что воздух поддерживает Землю «на весу», не давая ей упасть «вниз». Эту мысль он изложил в своей поэме «О природе вещей». Воззрения ученых XV–XVI веков на атмосферу также не были ясны. Леонардо да Винчи, например, не отошел еще от взглядов Лукреция.
В первой половине XVII века еще не было известно, что воздух с большой силой давит на земную поверхность. Действие воздушного насоса оставалось непонятым.
Открытие закона колебаний маятника
Исследования Галилея были продолжены голландским физиком, математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом (1629–1695).
Сын богатого землевладельца, Гюйгенс получил, по желанию отца, юридическое образование в Лейденском университете. Но юноша не хотел стать адвокатом: его влекли к себе астрономия, физика, математика и механические исследования.
Удар тел
Давление, производимое весом тела, издавна измерялось при помощи весов. Было известно, как изменяется оно в зависимости от веса тела. Давление каждого тела всегда остается одинаковым. Иное дело — удар. Ученых XVII века поражало, что удар небольшого, но быстро движущегося тела производит большее действие, чем давление значительно превосходящего его по тяжести: например, небольшим молотком можно легко забить в пень гвоздь, едва поддающийся давлению положенного на него тяжелого молота.
Возникновение идеи о всемирном тяготении
Непосредственное действие давления и удара одним телом другого казалось всем понятным: оно является следствием непроницаемости тел.
Но как Земля заставляет падать на ее поверхность брошенное тело? Как воздействует Солнце на планеты, удерживая их на орбитах?
Коперник, размышлявший о строении солнечной системы, не ставил себе этих вопросов. Не думал о природе тяжести и Галилей, исследуя законы свободного падения тел. Впервые на вопрос о причине движения планет по орбитам пытался ответить современник Галилея — немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571–1630).
Заложение основ небесной механики
Инерция, законы свободного падения и центростремительного ускорения были важнейшими открытиями в механике. Но ни Галилей, ни Гюйгенс не привели в систему механические познания своего времени.
Возвести стройное здание механики, дать строгие формулировки и доказательства ее принципам и, наконец, создать небесную механику оказалось по силам только английскому физику и математику Исааку Ньютону (1643–1727).
Механика Ньютона
Ньютон впервые ввел в механику понятие о массе. До него обычно говорили о ней как о весе тела. Вес тела определял количество вещества в нем.
Но, открыв закон всемирного тяготения, Ньютон уже знал, что масса и вес — не одно и то же.
С древнейших времен люди измеряли массу тела весом, как количество материи.
Возникновение аналитической механики
Изложив доказательства теорем механики геометрическим методом, Ньютон при их выводе иногда пользовался изобретенным им «исчислением флюксий». Одновременно с Ньютоном исчисление бесконечно малых было изобретено немецким философом и математиком Готфридом Вильгельмом Лейбницем (1646–1716). В XVIII веке анализ бесконечно малых был развит математиками континента Европы. Он получил широкое применение в механике и обеспечил быстрые успехи этой науки.
Законы вращения тел
Изучая обращение планет, можно было принимать их за материальные точки — так малы их размеры по сравнению с космическими расстояниями.
Но как движутся части машин? Какие усилия возникают в них при работе?
Части машин — не материальные точки, движущиеся под действием сил. В них возникают напряжения, и они действуют одна на другую. Чтобы рассчитывать машины, стало необходимым разработать механику твердого тела, едва затронутую в работах Гюйгенса и Ньютона.
Вращение твердых тел
Законами вращения, выведенными теоретически Эйлером, объясняются замечательные свойства вращающихся тел, например волчка и гироскопа. Эйлер и Лагранж изучили два рода волчков.
Волчок Эйлера представляет собой подобие колокольчика с утолщенным нижним краем. Точка опоры его находится внутри и совмещается с центром тяжести волчка.
Вращение Земли
О вращении волчка мы судим, наблюдая его движение относительно окружающих предметов. Подобно этому можно изучать и вращение Земли по отношению к звездам, которые в этом случае считаются неподвижными.
Суточное движение звездного неба — кажущееся явление. Это отражение вращения самой Земли. Когда Земля повернется около своей оси на какой-либо угол, на такой же угол в обратном направлении изменится и направление, в котором мы видим каждую звезду.
Начало Даламбера
В первой половине XVIII века французский механик и математик Жан Лерон Даламбер (1717–1783) дал замечательный новый метод решения задач динамики.
Жизнь этого ученого может служить примером достижения больших успехов личным трудом.
Даламбер не знал своих родителей. Он был найден ребенком на паперти одной из церквей в Париже. Воспитанный в семье стекольщика, Даламбер занимался для заработка юридическими науками. Но, увлекшись математикой, он проявил в ней большие способности и быстро приобрел известность среди ученых.
«Инерционные» силы на вращающейся Земле
Земля — вращающееся тело. Вращение — ускоренное движение. Поэтому при изучении движений тел на земной поверхности пользуются понятием о фиктивных инерционных силах, облегчая таким способом решение задач.
Одна из таких фиктивных сил, которую вводят при изучении силы тяжести, — «центробежная» сила. Она отсутствует на полюсах и достигает наибольшей величины на экваторе, где составляет силы тяжести. В других точках земной поверхности «центробежная» сила имеет среднее значение и направлена перпендикулярно к земной оси в противоположную сторону от нее.
Возникновение понятия о работе
XVIII век ознаменовался развитием производства и техники.
В Европе появилось большое количество ранее мало известных товаров: хлопка и других колониальных продуктов. Цеховое ручное производство не могло справиться с задачами, возникшими в промышленности. В Англии, где быстро развивалось капиталистическое производство, изобретались машины — двигатели и станки.
Сохранение кинетической энергии
Идея о неуничтожаемости движения возникла еще в древности. Она была тесно связана с философским представлением, что в природе нет ничего, кроме движущихся атомов.
Вот как писал об этом поэт-философ Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей»:
Вся совокупность материи не была сжата плотнее
В целом своем никогда, как и не была более редкой,
Развитие механики в России
В эпоху Петра I в России строились суда, сооружались заводы, закладывались рудники… Русские строители, техники и моряки в своих расчетах почувствовали необходимость в знании механики.
Уже «Арифметика» Магницкого (1669–1739), вышедшая в 1703 году, содержала некоторые сведения по механике. В этом учебнике были даны понятия о равновесии, движении, скорости и силе.
Дальнейшее развитие аналитической механики
Конец XVIII и начало XIX века ознаменовались быстрым развитием техники. Началась постройка железных дорог. Сооружались пароходы. Возрастал интерес к механике.
В России один за другим открывались университеты — в Казани, Петербурге, Харькове. Они стали выпускать русских математиков и механиков.
Движение тел переменной массы
С развитием капитализма возникли новые технические задачи. Прогресс промышленности требовал экспериментальной и теоретической разработки новых проблем. Одна из них, например, движение вращающегося на станке веретена, на которое навивается нить, увеличивающая массу веретена. Разматывающийся рулон бумаги на валу типографской машины представляет, наоборот, пример уменьшения массы движущегося тела.
Разрешение проблем техники
Механики не только решали теоретические задачи, возникавшие перед техниками. Они часто заглядывали далеко вперед и указывали путь техникам.
Замечательный пример влияния теоретиков на развитие техники — деятельность известного русского математика П. Л. Чебышева (1821–1894).
Решение проблемы полета
Наблюдение парящего полета птиц и воздушного змея убеждало, что если воздушный поток встречает плоскость, наклонную к его направлению, то возникает подъемная сила. Следовательно, двигаясь вперед, наклонная плоскость может подняться вместе с прикрепленным к ней грузом.
Руководствуясь этим соображением, русский морской офицер и изобретатель А. Ф. Можайский (1825–1890) создал в 1876 году первую в мире модель самолета, которая могла свободно лететь, сохраняя равновесие.
Полет в мировое пространство
Законы небесной механики позволяют сделать безошибочный расчет скоростей и направлений полета межпланетного корабля. Затруднение в осуществлении путешествия на планеты заключается главным образом в трудностях безопасного взлета и посадки.
Впервые проблема полета в мировое пространство теоретически была разрешена русским ученым К. Э. Циолковским (1857–1935). Сын лесничего, К. Э. Циолковский был самоучкой. Не имея средств, чтобы получить систематическое образование, он сам прорабатывал курсы начальной и высшей математики, физики и механики.
Заключение
Механика — наука о движении тел и о силах, сообщающих им движение. Она могла быть создана только на основе данных опыта и наблюдений. Аксиомы механики — истины, полученные из опыта. Законы механики только тогда оправдываются, когда они выведены из таких аксиом.
В древности Архимеду удалось установить закон равновесия сил, приложенных к рычагу. Доказательство закона рычага, данное этим математиком, основывалось на опытах со взвешиванием тел. Происхождение этих аксиом проявило себя даже в их формулировке.
Поиск
Информатика
Физика
Астрономия
Химия
ОБЖ
Естествознание
МХК
Черчение
ИЗО
Музыка
Физкультура
Рефераты
Сочинения
Педсовет
Право
Классному руководителю
Детский психолог
Семья и школа
Головоломки, задачки
Инклюзивное обучение
| |
|