Открытие основных закономерностей

Грандиозные события, как правило, происходят на стыке различных эпох, когда рождаются неординарные личности, такие как Иоган Кеплер (1571 - 1630), Галилео Галилей (1564 - 1642), Исаак Ньютон (1642 - 1727).

Г алилей одним из первых отошёл от античного метода мучительного угадывания таинственных сил обожествлённой множественно природы и стал использовать остроумные эксперименты, совершенно новые оценочные методики и строгие математические формулировки. Пифагорейская идея о Мире как гармонии чисел стала возрождаться Галилеем на новом витке эволюционной спирали естествознания.

Пожалуй, впервые так плодотворно в науке была реализована Галилеем идея формулировки общих законов природы на основании наблюдения отдельных их частных проявлений и наоборот. С одной стороны, исследования простых механизмов были интегрированы в общие механические законы, с другой - астрономические наблюдения дали возможность исследовать свойства не только отдельных небесных тел, но и трансформировать их на вполне земные явления.

Масштабы наблюдаемого мира существенно расширились после реконструкции Г алилеем микроскопа голландского механика Захария Янсена в телескоп. Открытие Галилеем спутников Юпитера сделало очередную брешь в, казалось бы, непотопляемом конгломерате аристотелевского представления об исключительности Земли. Оказалось, что привилегией иметь собственные спутники обладает не только третья планета Солнечной Системы.

Наблюдения неба в телескоп, позволившие обнаружить скопление звёзд в туманности Андромеды, заставило вспомнить гипотезу Демокрита о том что Млечный путь, т.е. Галактика в которой расположена и наша Солнечная Система, состоит из множества звёзд.

Вопрос о сущности движения был одним из основных в древнегреческой натурфилософии. Движением стали интересоваться не только с целью его практического использования, но и с позиций установления неких общих закономерностей.

Стали разбираться, так сказать, в философской стороне многообразия двигательных процессов. В трудах древнегреческих натурфилософов можно обнаружить первые попытки классификации движений, по крайней мере, исходя из принципов рассмотрения.

В явном виде обрисовались контуры интересов статики, как науки о состоянии покоя с описанием условий равновесия. Этот частный случай движения особо был востребован: статическими методами стали возможными предсказания выигрышей в силе при использовании простейших механических приспособлений, а так же

аналитические методы анализа необходимых и достаточных условий равновесия. Развитие статики стало возможным при использовании математических методов, геометрических, тригонометрических и алгебраических.

В описании движения наметились два принципиально различных подхода, кинетический и динамический. Древние греки считали, что природе абсолютно чужды самодвижения - сами по себе объекты природы могут пребывать исключительно в состоянии относительного покоя.

Движение возникает только при проявлениях внешних активных начал, под которыми подразумевались, по всей вероятности, современные понятия сил. В частности Эмпедокл из Акраганта (ок. 490 - 430 гг. до н.э.) полагал, что движение возникает при противоборстве двух мировых сил, любви и вражды. Это были явно динамические подходы, несмотря на несколько экзотическую классификацию обстоятельств, сопутствующих движению.

Представители кинетической школы, наоборот, полагали природу склонной к самодвижению и отвергали влияние каких-либо особых внешних причин. Яркими приверженцами кинетической концепции были древнегреческие атомисты - Левкипп из Милета (V в. до н.э.), Демокрит Фракийский (ок. 560 - 470 гг. до н.э.), Эпикур Афинский (341 - 270 гг.

Высказав идею структурного строения материи, т.е. введя в обиход понятие атомов, как неделимых вечных частиц, атомисты полагали, что природа состоит из материи, движущейся в пустом пространстве.

Гераклит Эфесский (ок. 530 - 470 гг. до н.э.) писал, что всё существующее в природе возникает из огня, находящегося в состоянии вечного движения. Огонь Гераклитом представлялся не в виде обыкновенного пламени, а как некая огненная первооснова всех вещей.

Окружающий мир по Гераклиту не сотворён богами или человеком, он был, есть и будет вечно, движимый огнём, закономерно возникающим и не менее закономерно угасающим.

Не все натурфилософы разделяли такие подходы. Так, например, Парменид из Элеи (ок. 515 - 445 гг. до н.э.) считал, что концепция вечности движения делает принципиально невозможным процесс его познания. О том, что постоянно меняется, нельзя определённо сказать ничего.

Самым знаменитым древнегреческим исследователем движения стал Аристотель из Стагиры (384 - 322 гг. до н.э.), который на основе анализа движения предложил одну из самых долгоживших теорий мироздания - геоцентрическую.

Судя по записям знаменитого Диогена Лоэртского ( III в. до н.э.), биографические труды которого о Пифагоре, Аристотеле, Платоне, Эмпедокле и др. дошли до нашего времени в оригинале, Аристотель шепелявил, имел тощие ноги, маленькие глазки и выделялся своими нарядами, кольцами и причёской.

Космологическая платформа Аристотеля базировалась на ранее разработанных греческими учёными теориях. Он был великим логиком и прекрасным систематизатором.

Поскольку Земля была объявлена центром Мира, то это подтверждало предположение пифагорейцев о сферичности человеческой обители. Все тяжёлые предметы стремились к центру Мира, а лёгкие, такие как огонь и воздух, наоборот - от центра мира, но не уходили за границы «подлунной сферы».

За границами «подлунной сферы» начиналось царство небесных тел, построенное целиком из особого эфира - «квинтэссенции».

Основные свои представления о небесной механике Архимед изложил в книге «О небе», написанной около 340 г. до н.э. Он писал там: «Что Земля по необходимости должна находиться в центре и быть неподвижной, видно потому, что тела, с силой бросаемые вверх, падают снова на то же место, даже если сила забросит их на бесконечно большое расстояние. Из этого ясно, что Земля не движется и не находится вне центра Вселенной».

Форма Земли должна быть шарообразной, ибо каждая из её частей имеет вес и стремится вниз до тех пор, пока не достигнет центра. Части Земли подвергаются взаимному давлению и уступают одна другой до тех пор, пока не будет достигнуто ближайшее положение к центру».

Особый интерес представляют теоретические суждения Аристотеля о движении, т.к. он стал первым естествоиспытателем, который, наряду с общими вопросами мироздания удосужился начать объяснение некоторых частных вопросов.

Аристотель движению придавал более широкий смысл, чем простое изменение относительного положения предметов друг относительно друга. Движение рассматривалось им как всякое изменение, происходящее в природе. Механическое же движение он считал локальным.

Сочинения Аристотеля «Физика», «О небе», «О возникновении и уничтожении», «О методах», «Метафизика» содержали самые полные на то время сведения о движении. Движение понимается Аристотелем в широком его смысле, как всякие изменения вообще, механические, психологические и социальные.

Смысл движения Аристотель видит в переходе материи из одного состояния в другое, например бытия в небытие. Механическое движение рассматривается, таким образом, как некая частность.

Аристотель выделяет четыре причины, по которым может происходить движение: материальную, действующую, формальную и финальную. Эти идеи о причинности движения впоследствии были взяты на вооружение средневековыми схоластами.

Механические движения Аристотель классифицирует, как прямолинейные - ограниченные и круговые - неограниченные. Круговое движение Аристотель считает более совершенным, потому что оно свойственно небесным телам.

По мнению Аристотеля, все движения можно поделить на «естественные» и «насильственные». «Естественные» движения совершаются сами по себе, без вмешательства со стороны. «Насильственные» же, наоборот, возникают и продолжаются только при внешнем вмешательстве.

Причинами, приводящими к возникновению движения, Аристотель считал силы, причём движение продолжалось только во время действия силы. Исчезновение силы, должно было прекращать движение.

Эти Аристотелевы заблуждения, как и многие его не корректные выводы долгое время не подвергались экспериментальной экспертизе. В частности, в средние века, военные инженеры, следуя идеям Аристотеля, полагали, что ядра, выстреливаемые пушками под углом к горизонту, движутся по прямолинейной траектории до тех пор, пока на них действует сила, затем падают отвесно вниз.

На рис. 1.1 приведена схема полёта ядра из средневекового наставления для артиллеристов. Движение в верхнюю точку траектории К является насильственным, а падение - естественным. Всё по Аристотелю.

Встаёт очевидный вопрос о точности попадания в цель с такими понятиями о траектории. Следует иметь в виду, что в средние века на заре артиллерийских методов ведения боевых действий «богу войны» отводилась особая роль. Пушки либо стреляли по крепостям, либо по скоплению живой силы противника.

Рис. 1.1. Траектория движения пушечного ядра по Аристотелю

Поскольку сооружение крепостей проходило под девизом: «В меньший периметр - больше построек», то всякое ядро, переметнувшееся через крепостную стену, непременно куда-нибудь да попадало.

Пуля, попавшая в любую точку планера, нарушает не менее полусотни жизненно важных коммуникаций электрического, механического или гидравлического свойства. Касаемо живой силы, которая имела обыкновение наступать стройными плотными рядами, плечом к плечу, так сказать, тоже попасть было несложно, главное задать правильное направление.

Аристотель свято верил в существование перводвигателя, под которым средневековые и последующие теологи разумели Бога. Причём первичный двигатель предполагался неподвижным.

В его функцию входило порождать простые, однородные, непрерывные и бесконечные движения. Бесконечное и непрерывное вращение небесных сфер, по мнению Аристотеля, было несомненным доказательством существования таких вечных первичных двигателей.

Таким образом, только движение небесных сфер является вечным. Движения же, возникающие на неподвижной Земле имели местные масштабы, возникали под действием причины (силы) и по исчезновению последней, тоже прекращались: «С прекращением причины прекращается её следствие».

Между движением небесных и земных тел, а так же состоянием покоя и движения проводилось жёсткое разграничение, что следовало из «житейского опыта и наблюдений и что доставляло особое идеологическое удовольствие средневековым толкователям Библии.

Аристотель пытался дать количественную характеристику силам. В соответствии с его рассуждениями, в современных терминах, силу F можно представить следующим образом

F = Zv = z s,

где z - сопротивление движению тела (вес), v - скорость, s - пройденное расстояние, t - время. Следует отметить, однако, что понятия скорости во времена Аристотеля не существовало, быстроту изменения положения тел сравнивали по отрезкам пути, пройденного за одинаковые промежутки времени.

У Аристотеля было понятие «равноскорого» движения. Рассуждал Аристотель в своих трактатах и о сопротивлении движению со стороны среды и со стороны тела: «Чем бестелеснее среда, через которую происходит движение, чем меньшее она показывает сопротивление и чем легче разделима, тем быстрее перемещение». Условием начала движения является превышение силы F над сопротивлением z

Аристотель начисто отвергал пустоту. Его рассуждения были таковы. В пустоте не могут проявляться силы сопротивления, поэтому всякое движение будет мгновенным и незаметным. Наблюдаемые движения возможны только в наполненных пространствах.

Обращаясь к повседневному опыту, Аристотель обращает внимание, что падение тел представляется естественным, т.к. тела стремятся занять свои естественные места. Естественность разделялась на землю, воду и воздух, которые в пространстве располагались концентрически.

Всё, кроме огня должно иметь «тяжесть», находясь в своём естественном месте. Такими рассуждениями древний натурфилософ объяснял тот факт, что дерево, падая в воздухе, способно плавать в воде. Скорость падения тел, таким образом, получалась пропорциональной их «тяжести». Два тела одинакового объёма и формы падает в воздухе быстрее то, которое обладает большей «тяжестью».

Рассуждал Аристотель о пространстве и времени. Пространство представлялось им как совокупность мест, которые занимают тела, т.е. Физическое пространство является свойством и сущностью бытия материи.

Объём занимаемый телами является понятием абсолютным, независящим от самих тел, объём определяет границы соприкосновения данного тела с объемлющим телом.

По поводу времени Аристотель придерживался мнения, что вращение небесных сфер служит средством для измерения времени: «Время не есть движение, но и не существует без движения». Из этого вытекало, что время не есть движение, но и не существует без движения. В своём знаменитом трактате «Физика» Аристотель записал: «Время отлично от движения, так как движения могут иметь различную скорость и, следовательно, они должны измеряться временем. Время же есть число движений или мера движения».

Вопросами прикладной механики в Древней Греции наиболее успешно занимался Архимед из Сиракуз (ок. 287 - 212 гг. до н.э.). Не возможно указать ту область естествознания в Древней Греции, который бы заинтересовался Архимед и не достиг выдающихся успехов.

Он был великим исследователем и гениальным инженером. Он один из немногих греческих философов, научные идеи которого были воплощены «в металл». На Сицилии Фидий, отец Архимеда, был астрономом при дворе правителя Сиракуз, с которым был в дальних родственных отношениях.

Эрастофен, занимаясь географией, теоретически показал возможность кругосветных путешествий и вычислил протяжённость александрийского меридиана 6311 км, что не очень сильно разнится с точными данными. Эти два учёных сыграли исключительно важную роль в формировании научных взглядов Архимеда.

Подводя итоги античным представлениям о движении, можно сказать следующее. Во-первых, античные естествоиспытатели поставили многие фундаментальные проблемы движения, которые на долгое время обеспечили последующие поколения исследователей пищей для размышлений и деяний.

Во-вторых, разработанные античными учёными конкретные вопросы движения легли в основу последующих теорий, в частности, в эпоху Возрождения. Например, довлеющее влияние идей Аристотеля на развитие представлений о движении продолжалось до середины XVII в.

К настоящему времени, среди специалистов, устоялось мнение о том, что последовательная переработка идей античного периода составляет значительную часть содержания современной физики, астрономии и теоретической механики.

Экспериментальные исследования выполненные в те далёкие времена по сути своей и используемым методикам не уступают лучшим опытным исследованиям Гильберта, Галилея, Бойля и других учёных, создавших фундамент современных знаний о движении.

Сложилось так, что исследование простых движений стало первым опытом применения научного метода к реалиям окружающего человека физического мира. Можно с уверенностью сказать, что тема движения открыла широкие возможности науки, продемонстрировав всю практическую значимость фундаментальных знаний.

Сведения, методы и средства, накопленные в процессе изучения движения, успешно использовались в смежных областях, таких как молекулярная физика, термодинамика, атомная и ядерная физика.

Окружающий нас материальный мир имеет трудно представимый с позиций обыденности диапазон размеров. Так, например, протон имеет диаметр порядка 8-10 - 16 м, а видимые размеры Вселенной составляют = 1 • 1027 м.

Другими словами, динамический диапазон доступных человеку размеров простирается на 43 порядка, которые принято делить на микромир, макромир и мега- мир.

Наука о движении началась в области макромира, соизмеримого с размерами планеты Земля. Это естественно, потому что в описанных выше временах, судя по оставшимся сведениям, инструментов, простирающих возможности природных человеческих органов чувств, практически не было.

Люди были принуждены обстоятельствами наблюдать только те явления, которые были доступны непосредственным ощущениям. С изобретением телескопа и микроскопа диапазон размеров, доступных исследователям, расширился.

Законы движения, сформулированные для масштабов макромира, стали распространяться на мегамир и микромир. Процесс этот продолжается и поныне. Новые открытия порождают новые вопросы. Вопросы, касающиеся исследования движения были, есть и будут актуальны и практически значимы, хотя бы потому, что в Мире нет абсолютного покоя. Всё в этом Мире движется!

В принципе весь комплекс естественнонаучных дисциплин в той или иной степени представляет собой теории разнообразных движений. Самым простым видом движения является механическое движение, т.е. изменение взаимного положения разнообразных объектов в пространстве и времени. Этот тип движения начали изучать первым, что и определило заметные успехи.

Исследование особенностей механического движения привело к необходимости разработки новых отраслей знаний в рамках уже существующих дисциплин. Так например для описания механических процессов движения Ньютону потребовалось разработать методы исчисления бесконечно малых величин, т.е. разработать основы математического анализа.

По мере открытия законов движения возникали самостоятельные разделы физики, такие как: теоретическая механика, сопротивление материалов, механика сплошных сред, аэро и гидромеханика и т.д.

Сформулированные законы механического движения исследователи пытались использовать в смежных областях знаний, распространяя уравнения в области микромира и мегамира. В ряде случаев такие попытки стали плодотворными.