9. Развитие механики

9.1. Зарождение знаний в области механики

Народы, создавшие великие цивилизации Древнего Востока, широко использовали простейшие механизмы – рычаг, клин, наклонную плоскость. Однако объяснений принципов их работы ни в Египте, ни в Вавилоне не сохранилось. По всей видимости, применение этих механизмов было эмпирическим знанием. В Древней Греции наряду со стихийным применением простых механизмов, появляются и механические теории. Это принципиально отличает античную механику от достижений Древнего Востока.

Характерной чертой античной механики является разобщенность учения о движении – кинематики и учения о равновесии – статики. Статика была непосредственно связана с запросами практики, ее основными проблемами были расчет выигрыша в силе при использовании простых механизмов и вывод условий равновесия при плавании тел и взвешивании. Основой античной статики служил «принцип рычага». Установление первых принципов механики приписывается Архиту Тарентскому (ок. 428 – 365 до н.э.), он также разрабатывал теорию блока и полиспаста. Архит первый упорядочил механику, приложив к ней математические основы, и первый свел движение механизмов к геометрическому чертежу. Отрывки из его трудов «О математических науках» и «Беседы» цитируются в сочинениях Аристотеля и других античных авторов. Среди его учеников был Евдокс Книдский.

Кинематическое направление в статике развивает Аристотель. наиболее полно оно изложено в труде «Механические проблемы», которое приписывается Аристотелю. Позже Герон Александрийский выводит из него «Золотое правило механики».

Основоположником геометрического направления в статике является Архимед. Он впервые подошел к механике как к математической дисциплине и математически строго вывел закон рычага. После этого описание работы всех простых механизмов он сводит к рычагу.

Динамика же античности основывалась на ошибочных представлениях Аристотеля, который, основываясь на бытовых повседневных наблюдениях, считал, что для поддержания равномерного прямолинейного движения тела к нему необходимо постоянно прикладывать силы. Его усилиями также утвердилась геоцентрическая система строения мира. Католическая церковь, первоначально враждебно настроенная к Аристотелю, с XIII века признала его величайшим авторитетом по всем вопросам, не касавшихся, правда, догматов религии. Хотя философы считают Аристотеля «основателем истинного естествознания», он отнюдь не считается таковым у физиков и механиков.

Развитие механики в странах ислама началось в Средние века с переводов и комментариев античных авторов – Аристотеля, Архимеда, Герона, и в дальнейшем шло по тем же направлениям. В противовес Аристотелеву объяснению причин механического движения возникла теория импетуса – «движущей силы», источником которой является орудие, с помощью которого брошено тело. В процессе движения импетус расходуется и тело останавливается. Основы теории импетуса заложил александрийский ученый VI века Иоанн Филопон. Дальнейшее развитие теория получает в трудах Ибн Сины и ал Бируни.

9.2. Механика эпохи возрождения

Истинно научная динамика зародилась в конце XVI века и с ее появлением механика превратилась в науку о движении, в которой появились попытки объяснить все явления природы на основе развития логических принципов. Достоверность научных представлений в рамках механической картины мира тесно была связана с развитием экспериментальных методов исследования. Статика, в отличие от динамики, не подтверждалась в такой степени экспериментами. Динамика, отвечая на вопрос о переходе тела или механической системы из начального состояния к последующему под действием заданных сил, могла быть подтверждена соответствующим экспериментом. Это и придало механическому естествознанию ту необратимость развития и ту досто­верность, которые отличают науку XVII века от научных представлений предыдущего периода.

Наиболее выдающимися учеными механиками в XVI веке были:

- итальянский ученый-самоучка Николо Фонтана, прозванный Тарталья (1499 – 1557). В сочинении «Новая наука» он дал результат решения баллистической задачи, не сообщая при этом, как оно получено;

- Джероламо Кардано (1501 – 1576) заложил основы теории механизмов и машин. Изобрел шарнир, передающий вращение между валами, составляющими произвольный изменяющийся угол, предложил разложение механизма на элементарные звенья, ввел передаточное число;

- испанский ученый, последователь Оксфордской школы Доменико Сото (1494–1560). Утверждает, что движение падающего тела является равномерно-переменным, и дает для пройденного падающим телом пути закон, совпадающий с современным;

- голландский математик, механик и физик Симон Стевин (1548 – 1620). Автор «Начал статики» (1586). Первым сформулировал теорему о треугольнике сил, дал новое доказательство закону равновесия сил на наклонной плоскости, основанное на невозможности вечного двигателя, предложил способ изображения сил с помощью линий. Сформулировал закон гидростатического давления, ввел понятие метацентра.

Решительный удар по аристотелевой механике нанес ученик Тартальи Джамбаттиста Бенедетти (1530 – 1590). Он работал при дворе герцога Савойского в Турине и является одним из основоположников современной механики. С помощью принципа инерции объясняет ускорение, которое приобретает тело под действием постоянной силы. Бенедетти выдвинул теорию сообщающихся сосудов, ввел понятие момента силы относительно точки. Он был последователем Коперника.