Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сопромат - это просто. Введение в предмет. Учебное пособие
.pdf
ГЛАВА 4
могли применить лишь при проектировании корабельных мачт
и других стоек. Серьезный интерес к явлению потери устойчивости возник лишь столетие спустя и был связан с возросшим
использованием листовой стали. Стальные листы были, естественно, тоньше, чем каменная кладка и деревянные детали,
к которым так привыкли инженеры. В 1848 г. при постройке железнодорожного моста через пролив Менай расчеты на устойчивость впервые делались для серьезных практических целей, ими
занимались выдающиеся английские ученые: Вильям Фейрберн,
Роберт Стифенсон, Итон Ходжинсон. Этот мост был спроектирован из клетчатых коробчатых балок и до сих пор находится
в эксплуатации.
71
О НЕКОТОРЫХ
ВЫДАЮЩИХСЯ УЧЕНЫХ,
ВНЕСШИХ ВКЛАД В НАУКУ
СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
Аристотель (384 г. до н. э. – 322 г. до н. э., Халкида, остров
Эвбея) – древнегреческий философ и учёный. Ученик Платона.
С 343 г. до н. э. – воспитатель Александра Македонского.
В 335/4 г. до н. э. основал Ликей (Лицей, или перипатетическую
школу). Древнегреческий натуралист классического периода, философ, создатель логики и наиболее влиятельный из диалектиков
древности; основоположник формальной логики. Создал понятийный аппарат, который до сих пор пронизывает философский
лексикон и сам стиль научного мышления. Аристотель был первым мыслителем, создавшим всестороннюю систему философии,
охватившую все сферы человеческого развития – социологию,
философию, политику, логику, физику. Его взгляды на онтологию
имели серьёзное влияние на последующее развитие человеческой
мысли. Метафизическое учение Аристотеля было принято Фомой
Аквинским и развито схоластическим методом.
Чарльз Роберт Дарвин (англ. Charles Robert Darwin;
12 февраля 1809 г. – 19 апреля 1882 г.) – английский натуралист
и путешественник, одним из первых осознал и наглядно продемонстрировал, что все виды живых организмов эволюционируют во времени от общих предков. В своей теории, первое
развёрнутое изложение которой было опубликовано в 1859 году
в книге «Происхождение видов« (полное название: «Происхождение видов путём естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь»), основной движущей
72
О НЕКОТОРЫХ ВЫДАЮЩИХСЯ УЧЕНЫХ
силой эволюции Дарвин назвал естественный отбор и неопределённую изменчивость. Существование эволюции было признано большинством учёных ещё при жизни Дарвина, в то время
как его теория естественного отбора как основное объяснение
эволюции стала общепризнанной только в 30-х годах XX столетия. Идеи и открытия Дарвина в переработанном виде формируют фундамент современной синтетической теории эволюции
и составляют основу биологии, как обеспечивающие логическое
объяснение биоразнообразия. Ортодоксальные последователи
учения Дарвина развивают направление эволюционной мысли,
носящее его имя (дарвинизм).
Роберт Гук (англ. Robert Hooke; Роберт Хук, 18 июля 1635 г.,
остров Уайт – 3 марта 1703 г., Лондон) – английский естествоиспытатель, учёный-энциклопедист. Гука можно смело назвать одним из отцов физики, в особенности экспериментальной, но и во многих других науках ему принадлежат зачастую
одни из первых основополагающих работ и множество открытий.
В течение своей 68-летней жизни Роберт Гук, несмотря на
слабость здоровья, был неутомим в занятиях, сделал много научных открытий, изобретений и усовершенствований.
Более 300 лет назад он открыл клетку, женскую яйцеклетку
и мужские сперматозоиды.
К числу открытий Гука принадлежат:
• открытие пропорциональности между упругими растя-
жениями, сжатиями и изгибами и производящими ими
напряжениями (закон Гука). Закон пропорциональности
применяется не только к металлам, но и к дереву, камням,
рогу, костям, стеклу, шёлку, волосу и проч. В настоящее
время этот закон Гука в обобщённом виде служит основанием математической теории упругости,
• правильная формулировка закона всемирного тяготения
(приоритет Гука оспаривался Ньютоном, но, по-видимому,
не в части формулировки; кроме того, Ньютон утверждал
73
СОПРОМАТ – ЭТО ПРОСТО. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ
о независимом и более раннем открытии этой формулы,
которую, однако, до открытия Гуком никому не сообщал),
• открытие цветов тонких пластинок (то есть, в конечном
итоге, явления интерференции света),
• идея о волнообразном распространении света (более или
менее одновременно с Гюйгенсом), экспериментальное
обоснование её открытой Гуком интерференцией света,
волновая теория света,
• гипотеза о поперечном характере световых волн,
• открытия в акустике, например, демонстрация того, что
высота звука определяется частотой колебаний,
• теоретическое положение о сущности теплоты как дви-
жения частиц тела,
• открытие постоянства температуры таяния льда и кипе-
ния воды,
• закон Бойля (каков здесь вклад Гука, Бойля и его ученика
Ричарда Таунли (Richard Townley) – не до конца ясно),
• живая клетка (с помощью усовершенствованного им ми-
кроскопа; Гуку же принадлежит сам термин «клетка» –
англ. cell),
• непосредственное доказательство вращения Земли во-
круг Солнца изменением параллакса звезды γ Дракона
(см. Боголюбов) (во второй половине 1669 г.).
Изобретения Гука весьма разнообразны. Во-первых, следует сказать о спиральной пружине для регулирования хода часов;
изобретение это было сделано им в течение времени от 1656 г.
до 1658 г. По указаниям Гука часовой мастер Томпсон сделал для
Карла II первые часы с регулирующей пружиной. Нидерландский механик, физик и математик Христиан Гюйгенс применил
регулирующую спираль позже Гука, но независимо от него; зацепляющие части (echappement), придуманные ими, неодинаковы. Идею о применении конического маятника к регулированию
часов Гук приписывал себе и оспаривал первенство у Гюйгенса.
В 1684 году изобрёл первую в мире систему оптического
телеграфа. Изобрёл множество различных механизмов, в част-
74
О НЕКОТОРЫХ ВЫДАЮЩИХСЯ УЧЕНЫХ
ности для построения различных геометрических кривых (эллипсов, парабол). Предложил прототип тепловых машин. Кроме того, он изобрёл оптический телеграф, термометр-минима,
усовершенствованный барометр, гигрометр, анемометр, регистрирующий дождемер; делал наблюдения с целью определить
влияние вращения Земли на падение тел и занимался многими
физическими вопросами, например, о влияниях волосности,
сцепления, о взвешивании воздуха, об удельном весе льда, изобрёл особый ареометр для определения степени пресности речной воды (water-poise).
Установив постоянство температур замерзания и кипения
воды, вместе с Гюйгенсом, около 1660 г. предложил эти точки
в качестве реперных для шкалы термометра.
Гук был главным помощником Кристофера Рена при восстановлении Лондона после великого пожара 1666 г. В сотрудничестве с Реном он в качестве архитектора строил множество
зданий (например, Гринвичскую обсерваторию, церковь Вилленского прихода в Милтон Кинсе). Также совместно с Реном
принимал участие в строительстве лондонского Собора св. Павла, купол которого построен с использованием метода, придуманного Гуком. Внёс серьёзный вклад в градостроительство,
предложив новую схему планировки улиц при восстановлении
Лондона.
Галилео Галилей (итал. Galileo Galilei; 15 февраля 1564 г.,
Пиза – 8 января 1642 г., Арчетри) – итальянский физик, механик,
астроном, философ и математик, оказавший значительное влияние на науку своего времени. Он первым использовал телескоп
для наблюдения небесных тел и сделал ряд выдающихся астрономических открытий. Галилей – основатель экспериментальной
физики. Своими экспериментами он убедительно опроверг умозрительную метафизику Аристотеля и заложил фундамент классической механики.
Галилей родился в 1564 году в итальянском городе Пиза,
в семье родовитого, но обедневшего дворянина Винченцо Гали-
75
СОПРОМАТ – ЭТО ПРОСТО. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ
лея, видного теоретика музыки и лютниста. Полное имя Галилео
Галилея: Галилео ди Винченцо Бонайути де Галилей (итал.Galileo
di Vincenzo Bonaiuti de’ Galilei). Представители рода Галилеев
упоминаются в документах с XIV века. Несколько его прямых
предков были приорами (членами правящего совета) Флорентийской республики, а прапрадед Галилея, известный врач,
тоже носивший имя Галилео, в 1445 году был избран главой
республики.
Галилей по праву считается основателем не только экспериментальной, но – в значительной мере – и теоретической физики. В своём научном методе он осознанно сочетал продуманный
эксперимент с его рациональным осмыслением и обобщением,
и лично дал впечатляющие примеры таких исследований. Иногда из-за недостатка научных данных Галилей ошибался (например, в вопросах о форме планетных орбит, природе комет
или причинах приливов), но в подавляющем большинстве случаев его метод приводил к цели. Характерно, что Кеплер, располагавший более полными и точными данными, чем Галилей,
сделал правильные выводы в тех случаях, когда Галилей ошибался.
Галилей считается одним из основателей механицизма. Этот
научный подход рассматривает Вселенную как гигантский механизм, а сложные природные процессы – как комбинации простейших причин, главная из которых – механическое движение.
Анализ механического движения лежит в основе работ Галилея.
Для проектирования эксперимента и для осмысления его
результатов нужна некоторая предварительная теоретическая
модель исследуемого явления, и основой её Галилей считал математику, выводы которой он рассматривал как самое достоверное знание: книга природы «написана на языке математики».
«Тот, кто хочет решать вопросы естественных наук без помощи
математики, ставит неразрешимую задачу. Следует измерять
то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является».
76
О НЕКОТОРЫХ ВЫДАЮЩИХСЯ УЧЕНЫХ
Опыт Галилей рассматривал не как простое наблюдение,
а как осмысленный и продуманный вопрос, заданный природе.
Он допускал и мысленные эксперименты, если их результаты не
вызывают сомнений. При этом он ясно представлял, что сам по
себе опыт не даёт достоверного знания, и полученный от природы ответ должен подвергнуться анализу, результат которого
может привести к переделке исходной модели или даже к замене её на другую. Таким образом, эффективный путь познания,
по мнению Галилея, состоит в сочетании синтетического (в его
терминологии, композитивный метод) и аналитического (резолютивный метод), чувственного и абстрактного.
Эта позиция,
поддержанная Декартом, с этого момента утвердилась в науке.
Тем самым наука получила свой метод, собственный критерий
истины и светский характер.
Физика и механика в те годы изучались по сочинениям
Аристотеля, которые содержали метафизические рассуждения
о «первопричинах» природных процессов. В частности, Аристотель утверждал:
• Скорость падения пропорциональна весу тела.
• Движение происходит, пока действует «побудительная
причина» (сила), и в отсутствие силы прекращается.
Находясь в Падуанском университете, Галилей изучал инерцию и свободное падение тел. В частности, он заметил, что ускорение свободного падения не зависит от веса тела, таким образом, опровергнув первое утверждение Аристотеля.
В своей последней книге Галилей сформулировал правильные законы падения: скорость нарастает пропорционально
времени, а путь – пропорционально квадрату времени. В соответствии со своим научным методом он тут же привёл опытные данные, подтверждающие открытые им законы. Более того,
Галилей рассмотрел (в 4-й день «Бесед») и обобщённую задачу:
исследовать поведение падающего тела с ненулевой горизонтальной начальной скоростью. Он совершенно правильно предположил, что полёт такого тела будет представлять собой супер-
77
СОПРОМАТ – ЭТО ПРОСТО. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ
позицию (наложение) двух «простых движений»: равномерного
горизонтального движения по инерции и равноускоренного
вертикального падения. Галилей доказал, что указанное, а также
любое брошенное под углом к горизонту тело летит по параболе.
В истории науки это первая решённая задача динамики. В заключение исследования Галилей доказал, что максимальная
дальность полёта брошенного тела достигается для угла броска 45° (ранее это предположение высказал Тарталья, который,
однако, не смог его строго обосновать). На основе своей модели
Галилей (ещё в Венеции) составил первые артиллерийские таблицы.
Галилей опроверг и второй из приведённых законов Аристотеля, сформулировав первый закон механики (закон инерции):
при отсутствии внешних сил тело либо покоится, либо равномерно движется. То, что мы называем инерцией, Галилей поэтически назвал «неистребимо запечатлённое движение». Правда,
он допускал свободное движение не только по прямой, но и по
окружности (видимо, из астрономических соображений). Правильную формулировку закона позднее дали Декарт и Ньютон;
тем не менее общепризнанно, что само понятие «движение по
инерции» впервые введено Галилеем, и первый закон механики
по справедливости носит его имя.
Галилей является одним из основоположников принципа
относительности в классической механике, который также был
позже назван в его честь. В «Диалоге о двух системах мира» Галилей сформулировал принцип относительности следующим
образом:
Для предметов, захваченных равномерным движением, это по-
«
следнее как бы не существует и проявляет своё действие только
на вещах, не принимающих в нём участия
Эти открытия Галилея, кроме всего прочего, позволили ему
опровергнуть многие доводы противников гелиоцентрической
системы мира, утверждавших, что вращение Земли заметно ска-
78
»
О НЕКОТОРЫХ ВЫДАЮЩИХСЯ УЧЕНЫХ
залось бы на явлениях, происходящих на её поверхности. Например, по мнению геоцентристов, поверхность вращающейся
Земли за время падения любого тела уходила бы из-под этого
тела, смещаясь на десятки или даже сотни метров. Галилей уверенно предсказал:
Будут безрезультатны любые опыты, которые должны были бы
«
указывать более против, чем за вращение Земли
Галилей опубликовал исследование колебаний маятника и заявил, что период колебаний не зависит от их амплитуды (это приблизительно верно для малых амплитуд). Он также
обнаружил, что периоды колебаний маятника соотносятся как
квадратные корни из его длины. Результаты Галилея привлекли
внимание Гюйгенса, который изобрёл часы с маятниковым регулятором (1657); с этого момента появилась возможность точных
измерений в экспериментальной физике.
Многие рассуждения Галилея представляют собой наброски открытых много позднее физических законов. Например,
в «Диалоге» он сообщает, что вертикальная скорость шара, катящегося по поверхности сложного рельефа, зависит только от
его текущей высоты, и иллюстрирует этот факт несколькими
мысленными экспериментами; сейчас мы бы сформулировали
этот вывод как закон сохранения энергии в поле тяжести. Аналогично он объясняет (теоретически незатухающие) качания
маятника.
»
Мариотт Эдме (Edme Mariotte) – аббат, франц. физик XVII в.,
род. в Бургундии в 1620 г. Проживал вблизи Дижона и был приором в городке St. Martin sous Beaune. Мариотт был одним из основателей (1666) и первых членов Академии наук, созданной в
Париже. Умер в Париже в 1684 г. Важнейшие работы Мариотта
собраны в его «Essais de Physique» (4 выпуска, 1676–1681);
из них наиболее известен второй выпуск: «De la rature de l’aire»
(1679), содержащий изложение известной зависимости между упругостью газа и его объемом; тот же закон найден был
79
СОПРОМАТ – ЭТО ПРОСТО. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ
на 17 лет раньше Бойлем и называется обыкновенно «законом
Бойля – Мариотта» (см. Бойля – Мариотта. закон, Газы). Другие
«Essais» касаются вопросов природы и движения жидкостей,
падения тел и т. д.; четвертый представляет любопытную монографию о цветах и красках с физической и физиологической
стороны вопроса; среди множества интересных наблюдений
Мариотта следует отметить открытие им слепого пятна в глазу.
Сборник «Recueil des ouvrages de MM. de l’Academie des Science»
(П., 1693) и первый том «Histoire et Memoires de l’Academie» содержат множество статей Мариотта по гидродинамике. Опираясь на выводы Галилея и Торичелли, Мариотт приходит к большому числу важных заключений о течении жидкостей, о трубах,
о давлении внутри труб, о равновесии жидких тел и т. д. Работы Мариотта собраны в «Oeuvres de Mariotte» (2 издания, 2 т.
Лейден, 1717 г. и 2 т. La Haye, 1740 г.).
Сэр Исаак Нью тон (англ.Sir Isaac Newton, 25 декабря 1642 г. –
20 марта 1727 г. по юлианскому календарю, действовавшему в
Англии до 1752 года; или 4 января 1643 г. – 31 марта 1727 г. по
григорианскому календарю) – английский физик, математик и
астроном, один из создателей классической физики. Автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил закон всемирного тяготения и
три закона механики, ставшие основой классической механики.
Разработал дифференциальное и интегральное исчисление, теорию цвета и многие другие математические и физические теории.
Исаак Ньютон, сын мелкого, но зажиточного фермера, родился в деревне Вулсторп (англ. Woolsthorpe, графство Линкольншир), в год смерти Галилея и в канун гражданской войны.
Отец Ньютона не дожил до рождения сына. Мальчик родился
преждевременно, был болезненным, поэтому его долго не решались крестить. И всё же он выжил, был крещён (1 января),
и назван Исааком в честь покойного отца. Факт рождения под
Рождество Ньютон считал особым знаком судьбы. Несмотря
на слабое здоровье в младенчестве, он прожил 84 года.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]