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 >>>
|
Зато у себя дома в рабочем кабинете, который стал первой на нашей планете физической лабораторией, Галилей ухитрился замедлить падение. Оно стало доступно и взгляду и тщательному, неторопливому изучению.
Ради этого Галилей построил длинный (в двенадцать локтей) наклонный желоб. Изнутри обил его гладкой кожей. И спускал по нему отшлифованные шары из железа, бронзы, кости.
Делал, например так.
К шару, находившемуся в желобе, прикреплял нитку. Перекидывал ее через блок, а к другому ее концу подвешивал гирю, которая могла опускаться или подниматься отвесно. Гирю тянула вниз ее собственная тяжесть, а вверх, через нить, - шарик из наклонного желоба. В результате шарик и гиря двигались так, как хотел экспериментатор - вверх или вниз, быстро или медленно, смотря по наклону желоба, весу шарика и весу гири. Шарик и гиря могли, таким образом, перемещаться под действием силы тяжести. А это и было падение. Правда, не свободное, искусственно замедленное.
Сперва Галилей отыскал закон устойчивого состояния этой системы: вес гири, помноженный на высоту поднятого конца наклонного желоба, должен быть равен весу шарика, помноженному на длину желоба. Так появилось условие равновесия системы - галилеевский закон наклонной плоскости.
О падении и его секретах еще ничего не было сказано.
Неподвижность изучать нетрудно: она постоянна во времени. Проходят секунды, минуты, часы - ничто не меняется.
Весы да линейки - вот и все, что нужно для измерений * .
* (Потому-то с глубокой древности начала развиваться статика-область физики, занимающаяся всякого рода неподвижностями: уравновешенными весами, блоками, рычагами. Все это вещи нужные, понимать их важно и полезно, недаром им посвятил много времени прославленный грек Архимед. Даже в неподвижности он подметил многое, что необходимо изобретателям "возможных машин Тем не менее, если быть придирчивым, это еще не была настоящая физика. Это была только подготовка к ней. подлинная физика началась с изучения движений. )
Затем Галилей стал изучать движение шаров. Этот-то день и был днем рождения физики (увы, календарная дата его неведома). Потому что именно тогда подвергся первому лабораторному исследованию процесс, изменяющийся во времени. Пошли в ход не только линейки, но и часы. Галилей научился отмеривать длительность событий, то есть исполнять главную операцию, присущую всякому физическому эксперименту.
Поучительна легенда о лабораторных часах Галилея. В то время нельзя было купить в магазине секундомер. Даже ходиков еще не изобрели. Галилей же вышел из положения совсем особым образом. Он отсчитывал время ударами своего пульса, потом, как уверяют давние биографы, устроил неплохие лабораторные часы из неожиданных составных частей: ведра, весов и хрустального бокала. В дне ведра проделал дырочку, через которую текла ровная струйка воды. По солнцу замечал, сколько унций воды вытекало за час, и затем высчитывал вес воды, вытекающей за минуту и за секунду.
И вот опыт. Ученый опускает в желоб шар и тут же подставляет под струйку бокал. Когда шар достигает заранее намеченной точки, быстро отодвигает бокал. Чем дольше катился шар, тем больше натекло воды. Ее остается поставить на весы - и время измерено. Чем не секундомер!
"Мои секунды мокрые, - говорил Галилей, - но зато их можно взвешивать".
Соблюдая элементарную строгость, стоит, впрочем, заметить, что эти часы не так просты, как может показаться. Вряд ли Галилей учитывал уменьшение давления (а значит, и скорости) водяной струи с понижением уровня воды в ведре. Этим можно пренебречь, лишь если ведро очень широкое, а струйка - узкая. Возможно, так оно и было.
13/05/2002
Более трехсот лет длилась эволюция маятниковых часов. Тысячи изобретений на пути к совершенству. Но в исторической памяти надолго останутся лишь те, кто поставил первую и последнюю точку в этой великой эпопее
Более трехсот лет длилась эволюция маятниковых часов. Тысячи изобретений на пути к совершенству. Но в исторической памяти надолго останутся лишь те, кто поставил первую и последнюю точку в этой великой эпопее.
Часы из телевизора
Перед любыми программами новостей на телевидении мы видим часы, секундная стрелка которых с большим достоинством отсчитывает последние мгновения до начала передачи. Этот циферблат - видимая часть айсберга под названием АЧФ-3, астрономические часы Федченко. Не каждый прибор носит имя конструктора, не обо всех изобретениях сообщают в энциклопедиях.
Часы Феодосия Михайловича Федченко удостоены такой чести. В любой другой стране об изобретателе подобного уровня знал бы каждый школьник. А у нас уже 11 лет назад тихо и скромно ушел из жизни выдающийся конструктор и никто о нем даже вспоминает. Почему? Наверное, в свое время был упрям, не умел льстить и лицемерить, что так не нравилось чиновникам от науки.
Помогла изобрести Федченко знаменитые часы случайность. Одна из тех загадочных случайностей, которая так украшает историю науки.
Две первые точки в истории маятниковых часов поставили два великих ученых - Галилео Галилей и Христиан Гюйгенс независимо друг от друга, создавшие часы с маятником, причем открытие законов колебания маятника пришло к Галилею тоже случайно. Кому-то на голову упадет кирпич -и ничего, даже сотрясения мозга не произойдет, а другому достаточно простого яблока, чтобы разбудить дремавшую в подсознании мысль для открытия закона всемирного тяготения. Великие случайности происходят, как правило, с великими личностями.
В 1583 году в Пизанском соборе любознательный юноша по имени Галилео Галилей не столько слушал проповедь, сколько любовался движением люстр. Наблюдения за светильниками показались ему интересными и, вернувшись домой, девятнадцатилетний Галилей изготовил опытную установку для исследования колебаний маятников - свинцовых шариков, укрепленных на тонких нитях. Собственный пульс служил ему хорошим секундомером.
Так, экспериментальным путем, Галилео Галилей открыл законы колебания маятника, которые сегодня изучают в каждой школе. Но Галилей в то время был слишком молод, чтобы думать о внедрении в жизнь своего изобретения. Вокруг столько интересного, надо спешить. И только в конце жизни, старый, больной и слепой старик, вспомнил о своих юношеских опытах. И его осенило - приставить к маятнику счетчик колебаний, - и получатся точные часы! Но силы Галилея были уже не те, ученый смог сделать только чертеж часов, завершил же работу его сын Винченцо, который вскоре умер и широкой огласки создание маятниковых часов Галилеем не получило.
Впоследствии Христиану Гюйгенсу всю жизнь необходимо было доказывать, что именно ему принадлежит честь создания первых маятниковых часов. По этому поводу в 1673 году он писал:
"Некоторые утверждают, что Галилей пытался сделать это изобретение, но не довел дело до конца; эти лица скорее уменьшают славу Галилея, чем мою, так как выходит, что я с большим успехом, чем он, выполнил ту же задачу".
Не так уж важно кто из этих двух великих ученых "первее" в деле создания часов с маятником. Гораздо значительнее то, что Христиан Гюйгенс не просто изготовил очередной тип часов, он создал науку хронометрию. С этого времени в деле конструирования часов был наведен порядок. "Лошадь" (практика) уже не бежала впереди "паровоза" (теории). Идеи Гюйгенса воплощал в жизнь парижский часовой мастер Исаак Тюре. Так увидели свет часы с различными конструкциями маятников, изобретенных Гюйгенсом.
Начало "карьеры" учителя физики
Феодосии Михайлович Федченко, родившийся в 1911 году ничего не знал о страстях по маятнику трехсотлетней давности. Да и вообще о часах он не думал. Его "карьера" началась в бедной сельской школе. Простой учитель физики вынужден был стать невольным изобретателем. Как же иначе, не имея должного оборудования, объяснить любознательным детишкам основополагающие законы природы.
Талантливый педагог конструировал сложные демонстрационные установки и, вероятно, его уроки школьники не пропускали. Война внесла коррективу в судьбу молодого изобретателя, Федченко стал незаурядным механиком танковых приборов. И вот первый звоночек судьбы - после окончания войны Феодосию Михайловичу предложили работу в Харьковском институте мер и измерительных приборов, в лаборатории, где среди научных тем была записана и такая: "Изыскание возможности увеличения точности хода часов со свободным маятником типа "Шорт"".
Его настольной книгой стал "Трактат о часах" Христиана Гюйгенса. Так заочно познакомился Ф. М. Федченко со своими знаменитыми предшественниками Христианом Гюйгенсом и Вильгельмом X. Шортом.
Предпоследняя точка в истории часов с маятником была поставлена английским ученым Вильгельмом X. Шортом. Правда, долгое время считалось, что создать часы с маятником точнее, чем часы Шорта невозможно. В 20-е годы XX века решили, что эволюция маятниковых приборов времени завершена. Каждая обсерватория не считалась достаточно оснащенной, если не имела астрономических часов Шорта, но платить за них приходилось золотом.
Один экземпляр часов Шорта приобрела Пулковская обсерватория. Английская фирма, установившая хранитель времени, запрещала к ним даже прикасаться, иначе снимала с себя всякую ответственность за настройку хитрого механизма. В 30-е годы Главной палате мер и весов в Ленинграде поручили разгадать секрет часов Шорта и начать изготавливать подобные устройства собственными силами. Талантливый метролог И. И. Кванберг долго разглядывал механизм часов через герметическое стекло цилиндра и попытался, не имея чертежей, изготовить копию. Копия была достаточно хорошей, но не идеальной. Всех английских тонкостей через стекло разглядеть было невозможно. Тем не менее, до войны на заводе "Эталон" было выпущено несколько экземпляров часов Кванберга.
Вот такую "простенькую" тему - изготовить часы точнее, чем это сделал Шорт - и поручили новичку Ф. М. Федченко, пришедшему после войны в харьковский
институт.
Возвращение к истокам
Харьковский умелец установил, что еще в 1673 году Христиан Гюйгенс в "Трактате о часах" практически все сказал о том, как делать маятниковые часы. Оказывается, для того, чтобы часы были точными, необходимо, чтобы центр тяжести маятника в пространстве описывал не дугу окружности, а часть циклоиды: кривой, по которой движется точка на ободе колеса, катящегося по дороге. В этом случае колебания маятника будут изохронными, не зависящими от амплитуды. Сам Гюйгенс теоретически все обосновавший, пытался достичь цели, делая тысячи изобретений, но к идеалу не приблизился.
Последователи Гюйгенса, в том числе и Шорт, добивались точности другим путем -максимально изолировали маятник от внешних влияний, помещая точные часы глубоко в подвал, в вакуум, где минимально изменяется вибрация, температура
Федченко же, захотел осуществить мечту Гюйгенса и создать изохронный маятник. Говорят, что все идеальное - просто. Так и Федченко всего на всего подвесил маятник на три пружины - две длинные - по бокам и одну короткую - в середине. Казалось бы, ничего особенного, но на пути к открытию, были тысячи опытов. Были перепробованы пружины толстые и тонкие, длинные и короткие, плоские и с переменным сечением. Пять долгих лет терпеливой и кропотливой работы, неверие коллег, на него уже просто перестали обращать внимание и вдруг счастливый случай, благодаря элементарной ошибке в сборке подвеса.
Несколько винтов плохо закрутили, и подвес повел себя так, что маятник начал совершать изохронные колебания. Опыты проверяли и перепроверяли, все оставалось по-прежнему. Трех пружинный подвес маятника решал задачу Гюйгенса - при изменении амплитуды колебания, период оставался неизменным.
Столица, конечно, переманила талантливого изобретателя. В 1953 году Ф.М. Федченко перевели в Москву, в лабораторию маятниковых приборов времени создававшегося Всесоюзного научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений.
Конечно, в Харькове это не понравилось. Федченко нанесли удар ниже пояса, - не отдали высокоточный импортный станок, стоивший громадных денег. В Москву изобретатель привез только три экземпляра первых опытных часов АЧФ-1. Для продолжения работы станок был необходим, в магазинах страны подобное оборудование не продавали. У частников, с трудом, но можно было найти нужный станок, и Федченко нашел. Но как платить? Наличные деньги в государственном учреждении не выдавали, тем более такую сумму -одиннадцать тысяч рублей.
Отчаявшийся Федченко, понимая, что без прецизионного оборудования он, как без рук, пошел на настоящую авантюру. Он напрямую обратился к управляющему Госбанка и нашел такие убедительные слова о значение своего изобретения, что умный и смелый человек, профессионал в своем деле, поверив мастеру, выдал ему нужную сумму наличными, в качестве документа потребовав просто расписку. Это один из примеров "очевидного, но невероятного".
Еще несколько десятилетий совершенствовали механизм астрономических часов Федченко, пока не появилась знаменитая модель - "АЧФ-3", принесшая славу, как автору, так и стране. Высокоточные часы демонстрировались на Всемирной выставке в Монреале, награждены медалями ВДНХ; описания часов включены в энциклопедии и в различные серьезные издания по хронометрии.
Блеск и трагедия изобретения Федченко
Ф. М. Федченко - создал высокоточные электронно-механические маятниковые часы в то время, когда уже начали появляться кварцевые, молекулярные и атомные приборы времени. Эти системы нельзя сравнивать. Каждая выполняет свои конкретные задачи и в своей области незаменима. Но, к сожалению, не все это понимают. Феодосии Михайлович Федченко никогда не был обделен вниманием ученых, своих коллег. Но вот чиновники, от которых часто зависит как судьба самого изобретателя, так и его изобретения, не всегда ведают, что творят.
В Госстандарте СССР относились к знаменитому конструктору прохладно. В 1973 году ВНИИФТРИ предложил выплатить изобретателю достойное вознаграждение за более чем двадцатипятилетнюю работу по созданию отечественных астрономических часов, принесших стране громадный экономический эффект и независимость от импорта прецизионных часовых механизмов. В Госстандарте сочли возможным урезать предложенное вознаграждение в 9 раз, сославшись на то, что "точность хода часов АЧФ-3 ниже действующих атомных часов". Конечно, ниже. Но атомные часы одни на всю страну, их обслуживает целый коллектив сотрудников, это Государственный эталон времени и частоты, а у часов Федченко совершенно другое назначение - это хранители времени. До сих пор часами Федченко оснащены многие телецентры, аэропорты, космодромы, обсерватории.
Разве кто-нибудь додумается сравнивать по скорости велосипед и космическую ракету. А в Госстандарте сравнили маятниковые часы Федченко, дающие погрешность в одну секунду за 15 лет с атомными часами, ошибающимися на ту же секунду за триста тысяч лет. Оценивать можно только аналогичного класса системы. Например, часы Федченко по сравнению с часами Шорта, намного дешевле, экономичнее, надежнее, удобнее в эксплуатации и на порядок точнее. Не будем обращать внимания на недальновидных и недобросовестных чиновников всех рангов. Главное, запомним, и будем гордиться, что наш соотечественник Феодосии Михайлович Федченко поставил последнюю точку в развитии маятниковых часов. Послушайте, как это гордо звучит - от Галилея и Гюйгенса до Федченко!
Мастер, конечно, знал цену себе и знал, что найдутся злопыхатели, которые попытаются умалить значение его изобретения. Чтобы не забыли о деле всей его жизни, Федченко сам пришел в 1970 году в Политехнический музей с предложением принять в дар и экспонировать часы его конструкции. Сегодня в маленьком зале московского музея можно увидеть многие шедевры часового искусства, в том числе и часы - изобретателя с большой буквы - Феодосия Михайловича Федченко
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.
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.