Razmišljaju li ljudi često o pitanju kada i koji je izumio visak promatrati njihanje klatna u satu? Ovaj izumitelj bio je Galileo. Nakon razgovora s ocem, (opširnije:) Galileo se vratio na sveučilište, ali ne na Medicinski, već na Filozofski fakultet, gdje su predavali matematiku i fiziku. U to vrijeme te znanosti još nisu bile odvojene od filozofije. Na Filozofskom fakultetu odlučio je strpljivo studirati Galileo, čije se učenje temeljilo na kontemplaciji i nije bilo potvrđeno eksperimentima.
Galileo u katedrali u Pisi
Svi su studenti, prema sveučilišnim pravilima, trebali ići u crkvu. Galileo, budući da je bio vjernik, naslijedio je od oca ravnodušnost prema crkvenim obredima i nije se mogao nazvati revnim moliteljem. Prema riječima njegova učenika Viviani, 1583. godine Galileo, nalazeći se tijekom službe u Katedrala u Pisi, primijetio luster, obješen sa stropa na tankim lancima. Poslužitelji koji su palili svijeće u lusterima očito su je gurnuli, a teški se luster polako zaljuljao. Galileo ju je počeo promatrati: njihanje lustera postupno se skraćivalo i slabilo, ali Galileju se činilo da, iako se njihanje lustera smanjilo i utihnulo, vrijeme jednog zamaha ostaje nepromijenjeno. Da bi se provjerilo ovo nagađanje, bio je potreban točan sat, ali Galileo nije imao sat - oni još nisu bili izumljeni. Mladić se dosjetio upotrijebiti otkucaje svog srca umjesto štoperice. Opipavši pulsirajuću venu na ruci, Galileo je brojao otkucaje pulsa i istovremeno njihanje lustera. Činilo se da je nagađanje potvrđeno, ali, nažalost, luster se prestao njihati, a Galileo se nije usudio gurnuti ga tijekom službe.Galileo je izumio visak
Vraćajući se kući, Galileo potrošeno eksperimenti. Zavezao ga je na konce i počeo njihati razne predmete koji su mu došli pod ruku: ključ od vrata, kamenčiće, praznu tintarnicu i druge utege. Objesio je ove domaće klatne sa stropa i gledao ih kako se njišu. I dalje je vrijeme brojao po otkucajima pulsa. Prije svega, Galileo je bio uvjeren da se laki predmeti njišu jednako često kao i teški ako vise na nitima iste duljine. A Ljuljačke ovise samo o duljini niti: što je nit duža, to se visak rjeđe njiše, a što je kraća, to se češće njiše. Frekvencija njihanja ovisi samo o duljini njihala, ali ne i o njegovoj težini. Galileo je skratio konac na kojem je visjela prazna tintarnica; učinio da se njiha u ritmu otkucaja pulsa i za svaki otkucaj srca bio je jedan zamah njihala. Zatim je gurnuo tintarnicu, sjeo na stolicu i počeo brojati puls, promatrajući visak. Isprva je tintarnica, ljuljajući se, prilično široko zamahivala i brzo letjela s jedne strane na drugu, a onda su joj zamasi postajali sve manji i kretanje sporije; Dakle, vrijeme jednog zamaha nije se osjetno promijenilo. I veliki i mali zamasi njihala i dalje su se podudarali s otkucajima pulsa. Ali tada je Galileo primijetio da je od uzbuđenja njegova "štoperica" - njegovo srce - počelo brže kucati i ometati eksperiment. Tada je počeo ponavljati svoje iskustvo mnogo puta za redom kako bi smirio svoje srce. Kao rezultat ovih eksperimenata, Galileo se uvjerio da se vrijeme jednog zamaha ne mijenja primjetno - ono ostaje isto (da je Galileo imao moderan točan sat, mogao je primijetiti da još uvijek postoji mala razlika između velikih i malih zamaha. , ali je vrlo malen i gotovo neuhvatljiv).Uređaj za pulsologiju
Razmišljajući o svom otkriću, Galileo je smatrao da bi moglo biti korisno liječnicima za brojanje pulsa bolesnih ljudi. Mladi znanstvenik smislio je mali uređaj, imenovan pulsologija. Pulsologija je brzo ušla u medicinsku praksu. Liječnik je došao do bolesnika, jednom rukom opipao puls, a drugom je zatezao ili izduživao visak svoje naprave tako da se njihaji klatna poklapaju s otkucajima pulsa. Zatim je pomoću duljine njihala liječnik odredio frekvenciju otkucaja srca pacijenta. Ova priča Galileijevo prvo znanstveno otkriće pokazuje da je Galileo imao sve osobine pravog znanstvenika. Odlikovao se izvanrednom moći zapažanja; tisuće, milijuni ljudi vidjeli su lustere, ljuljačke, stolarske viske i druge predmete obješene na vezice, niti ili lančiće kako se njišu, a samo je Galileo uspio vidjeti ono što je mnogima izmaklo pažnji. Svoj je zaključak provjerio pokusima i odmah pronašao praktičnu primjenu za ovo otkriće. Do kraja svog života, znanstvenik je to dokazao njihalo koje je izumio moglo bi biti izvrstan regulator za sat. Od tada se njihalo koristi u zidnim satovima. Galileo je načinio sat s njihalom jednim od najpreciznijih mehanizama.Huygensov sat s regulatorom klatna i vretenom
Najznačajnija poboljšanja satnog mehanizma učinjena su u drugoj polovici 17. stoljeća od strane poznatog nizozemskog fizičara Huygensa, koji je stvorio nove regulatore i za opružne i za satove s utezima. Klackalica, koja se koristila prije nekoliko stoljeća, imala je mnoge nedostatke. Teško ga je čak nazvati regulatorom u pravom smislu te riječi. Uostalom, regulator mora biti sposoban za neovisne oscilacije s vlastitom frekvencijom. Klackalica je, općenito govoreći, bila samo zamašnjak. Mnogi vanjski čimbenici utjecali su na njegov rad, što je utjecalo na točnost sata. Mehanizam je postao mnogo savršeniji kada je visak korišten kao regulator.
Po prvi put na ideju o korištenju njihala u najjednostavnijim instrumentima za mjerenje vremena došao je veliki talijanski znanstvenik Galileo Galilei. Postoji legenda da je 1583. godine devetnaestogodišnji Galileo, dok je bio u katedrali u Pisi, primijetio njihanje lustera. Primijetio je, brojeći otkucaje pulsa, da vrijeme jednog titraja lustera ostaje konstantno, iako je njihanje postajalo sve manje. Kasnije, nakon što je započeo ozbiljno proučavanje njihala, Galileo je utvrdio da s malim zamahom (amplitudom) njihanja (samo nekoliko stupnjeva), period oscilacije njihala ovisi samo o njegovoj duljini i ima konstantno trajanje. Takve su oscilacije nazvane izokronim. Vrlo je važno da kod izokronih oscilacija period titranja njihala ne ovisi o njegovoj masi. Zahvaljujući ovom svojstvu, njihalo se pokazalo vrlo zgodnim uređajem za mjerenje kratkih vremenskih razdoblja. Na temelju njega Galileo je razvio nekoliko jednostavnih brojača koje je koristio u svojim pokusima. Ali zbog postupnog prigušivanja oscilacija, visak se nije mogao koristiti za mjerenje dugih vremenskih razdoblja.
Stvaranje sata s njihalom sastojalo se od povezivanja njihala s uređajem za održavanje njegovih oscilacija i njihovo brojanje. Na kraju svog života Galileo je počeo dizajnirati takav sat, ali razvoj nije otišao dalje. Prve satove s njihalom stvorio je njegov sin nakon smrti velikog znanstvenika. Međutim, struktura ovih satova držana je u strogoj tajnosti, tako da nisu imali nikakvog utjecaja na razvoj tehnologije. Neovisno o Galileu, Huygens je 1657. sastavio mehanički sat s njihalom. Prilikom zamjene klackalice s njihalom, prvi dizajneri su se suočili s teškim problemom: kao što je već spomenuto, njihalo stvara izokrone oscilacije samo s malom amplitudom, dok je klizač vretena zahtijevao veliki zamah. U prvom Huygensovom satu, njihanje njihala je doseglo 40-50 stupnjeva, što je nepovoljno utjecalo na točnost pokreta. Da bi kompenzirao taj nedostatak, Huygens je morao pokazati čuda domišljatosti. Na kraju je stvorio posebno njihalo, koje je, dok se njihalo, mijenjalo svoju duljinu i osciliralo po cikloidnoj krivulji. Huygensov sat imao je neusporedivo veću točnost od satova s
klackalica. Njihova dnevna pogreška nije prelazila 10 sekundi (kod satova s klackalicom pogreška se kretala od 15 do 60 minuta).
Već 1530. godine pokušavaju se stvoriti mehanički satovi. Ali na tom putu bilo je mnogo poteškoća koje je trebalo prevladati. Satovi koji su tada postojali nisu mogli pokazivati točno vrijeme. Godine 1581. Galileo Galilei otkrio je da period titranja njihala s malim zamahom ne ovisi o amplitudi tog zamaha. Godine 1636. konstruirao je uređaj koji je koristio svojstvo njihala – mjerač vremena. U biti, to je bio sat s klatnom. Godine 1641., prema Galileovom učeniku V. Vivianiju, (Galileju) je "palo na pamet da se visak može dodati satu s utezima i oprugom."
Galileo je te planove ispričao svom sinu Vincenzu. Otac i sin odlučili su izraditi mehanizam s domišljatim uređajem za bijeg (tzv. "kuka za bijeg"). Takav sat zapravo je konstruirao Viviani, koji je ostavio crtež ovog sata.
Christian Huygens je dvadesetak godina svog života posvetio radu na satovima s njihalom, pokušavajući ih prilagoditi uvjetima plovidbe. Nadopunio ih je mnogim značajnim uređajima, a stvorio je i nekoliko satova povećane preciznosti. Godine 1657. Huygens je najavio stvaranje sata s njihalom. Ovaj je sat radio jednako dobro kao i Galileov sat, ali je uteg zamijenjen oprugom s vagom. Sam Huygens rekao je da mu je cilj bio stvoriti sat s kojim bi bilo moguće odrediti zemljopisnu dužinu na moru. Međutim, nije uspio postići svoj glavni cilj - natjerati visak da se pravilno zanjiha kada je brod bio na otvorenom oceanu.
Više su obećavali satovi s kosom i regulatorom ravnoteže koje je oko 1658. izumio Englez Hooke za navigaciju. Kako je problem točnog određivanja zemljopisne dužine postajao sve gorući za navigatore, vlade i pojedinci nudili su nagrade za njegovo rješenje. Godine 1714. engleska je vlada ustanovila bonus od 10 do 20 tisuća funti sterlinga, ovisno o postignutoj točnosti. Sve je to, naravno, uvelike potaknulo daljnji rad.
Najteži zadatak bio je osigurati postojanost sata na bilo kojoj temperaturi - uostalom, veličina metalnih dijelova sata ovisila je o temperaturi, što je, naravno, utjecalo na njegovu točnost. Problem je riješen tek sredinom 18. stoljeća. gotovo istovremeno Harrison (Engleska), Le Rossi (Francuska) i Berthoud (Švicarska). Nagrada engleske vlade dodijeljena je Harrisonu, koji je do 1759. napravio četiri kronometra (kako su se ovi precizni satovi počeli nazivati). Ipak, daljnji razvoj mehanizama satova proveden je na temelju kronometra Francuza Le Rossija, koji je napravio 1766. godine.
Prekrasan primjer iz povijesti primjene fizičkih otkrića je povijest satova.
Godine 1583. devetnaestogodišnji student Galileo Galilei, promatrajući oscilacije lustera u katedrali, primijetio je da je vremenski period tijekom kojeg se dogodila jedna oscilacija gotovo neovisan o amplitudi oscilacija. Za mjerenje vremena mladi Galileo koristio se svojim pulsom, jer još nije bilo točnih satova. Tako je Galileo došao do svog prvog otkrića. Kasnije je postao veliki znanstvenik (njegovo ime ćemo više puta vidjeti na stranicama ovog udžbenika).
Ovo Galilejevo otkriće koristio je u 17. stoljeću nizozemski fizičar Christiaan Huygens (o njegovim ćemo otkrićima učiti u srednjoj školi, kada proučavamo svjetlosne pojave). Huygens je dizajnirao prvi sat s njihalom: u njima se vrijeme mjeri brojem oscilacija utega obješenog na šipku. Satovi s njihalom bili su puno precizniji od svojih prethodnika - pješčanih, vodenih i sunčanih satova: zaostajali su ili žurili samo 1-2 minute dnevno. I danas u nekim kućama još uvijek možete vidjeti satove s klatnom (Sl. 2.4, a): oni redovito otkucavaju, pretvarajući sekunde budućnosti u sekunde prošlosti.
Riža. 2.4. Prvi precizni satovi bili su satovi s njihalom, ali su bili prilično glomazni. Proljetni satovi su puno praktičniji - mogu se nositi na ruci (b). Danas su najčešći kvarcni satovi (c)
No, satovi s klatnom su prilično glomazni: mogu se staviti na pod ili objesiti na zid, ali se ne mogu staviti u džep ili nositi na ruci. U 17. stoljeću engleski fizičar Robert Hooke, proučavajući svojstva opruga, otkrio je zakon koji je kasnije nazvan po njemu (s tim zakonom ćemo se uskoro upoznati). Jedna od posljedica Hookeovog zakona slična je otkriću mladog Galilea: pokazuje se da je i vrijeme tijekom kojeg opruga izvrši jedan titraj gotovo neovisno o amplitudi titraja. To je omogućilo izgradnju proljetnog sata (18. stoljeće). Urari su ih naučili napraviti tako male da se ti satovi mogu nositi u džepu ili na ruci (slika 2.4, b). Točnost opružnog sata približno je ista kao i sata s njihalom, ali opružne satove treba navijati svaki dan, a osim toga ponekad počnu žuriti ili zaostajati, ili čak potpuno zastati. Koliko je ljudi propustilo vlak ili sastanak samo zato što im je sat bio spor ili su ga taj dan zaboravili naviti!
U 20. stoljeću, nakon proučavanja električnih svojstava kvarca (uobičajenog minerala), znanstvenici i inženjeri stvorili su kvarcne satove - puno pouzdanije i preciznije od opružnih satova. Kvarcne satove ne treba navijati: napaja ih baterija koja traje nekoliko mjeseci ili čak godina, a greška im nije veća od nekoliko minuta godišnje. Danas su kvarcni satovi postali najčešći (slika 2.4, c).
A najprecizniji su danas atomski satovi čije se djelovanje temelji na vibracijama atoma.
Ali kod kuće u svom uredu, koji je postao prvi fizički laboratorij na našem planetu, Galileo je uspio usporiti svoj pad. Postao je dostupan i oku i pažljivom, ležernom proučavanju.
U tu svrhu Galileo je sagradio dugačak (dvanaest lakata) kosi jarak. Unutrašnjost je bila presvučena glatkom kožom. I spustio je uglačane kugle od željeza, bronce i kostiju niz nju.
Ovo sam, na primjer, napravio.
Na kuglicu, koja je bila u utoru, bila je pričvršćena nit. Bacio ga je preko bloka, a na njegov drugi kraj objesio uteg koji se mogao okomito spuštati ili podizati. Uteg je dolje vukla vlastita težina, a gore, kroz nit, kuglica iz nagnutog žlijeba. Kao rezultat toga, lopta i uteg su se kretali onako kako je eksperimentator htio - gore ili dolje, brzo ili sporo, ovisno o nagibu padobrana, težini lopte i težini utega. Lopta i uteg bi se tako mogli kretati pod utjecajem gravitacije. A ovo je bila jesen. Istina, ne besplatno, umjetno usporeno.
Prvo je Galileo pronašao zakon za stabilno stanje ovog sustava: težina utega, pomnožena s visinom uzdignutog kraja nagnutog padobrana, mora biti jednaka težini lopte pomnoženoj s duljinom padobrana. Tako se pojavio uvjet za ravnotežu sustava - Galilejev zakon nagnute ravnine.
O padu i njegovim tajnama još ništa nije rečeno.
Nepokretnost nije teško proučavati: ona je konstantna tijekom vremena. Prolaze sekunde, minute, sati - ništa se ne mijenja.
Vaga i ravnala - to je sve što vam je potrebno za mjerenja *.
* (Zato se od davnina počela razvijati statika, grana fizike koja se bavi svim vrstama nepokretnosti: uravnoteženim vagama, blokovima, polugama. Sve su te stvari potrebne, njihovo razumijevanje je važno i korisno, nije uzalud slavni Grk Arhimed posvetio njima puno vremena. Čak iu nepokretnosti uočio je mnogo toga potrebnog izumiteljima “mogućih strojeva.” No, da budemo izbirljivi, to još nije bila prava fizika, bila je to samo priprema za nju.Prava fizika je počela proučavanjem gibanja.)
Tada je Galileo počeo proučavati kretanje lopti. Ovaj dan je bio rođendan fizike (nažalost, njegov kalendarski datum nije poznat). Jer tada je vremenski promjenjivi proces podvrgnut prvom laboratorijskom istraživanju. Nisu se koristila samo ravnala, već i satovi. Galileo je naučio mjeriti trajanje događaja, odnosno izvesti glavnu operaciju svojstvenu svakom fizičkom eksperimentu.
Poučna je legenda o Galilejevom laboratorijskom satu. U to je vrijeme bilo nemoguće kupiti štopericu u trgovini. Čak ni hodalice još nisu izumljene. Galileo se iz situacije izvukao na sasvim poseban način. Vrijeme je brojao otkucajima svog pulsa, a potom je, kako uvjeravaju dugogodišnji biografi, napravio dobar laboratorijski sat od neočekivanih dijelova: kante, vage i kristalne čaše. Napravio je rupu na dnu kante kroz koju je tekao ravnomjeran mlaz vode. Iz sunca je zabilježio koliko unci vode istječe na sat, a zatim izračuna težinu vode koja istječe u minuti i sekundi.
I evo iskustva. Znanstvenik spušta loptu u oluk i odmah stavlja čašu pod mlaz. Kada kuglica dosegne unaprijed određenu točku, on brzo odmakne staklo. Što se lopta duže kotrljala, to je više vode ulazilo. Još samo da se stavi na vagu – i vrijeme je izmjereno. Zašto ne štoperica!
"Moje sekunde su mokre", rekao je Galileo, "ali mogu se izvagati."
Međutim, promatrajući elementarnu strogost, vrijedi napomenuti da ovi satovi nisu tako jednostavni kao što bi se mogli činiti. Malo je vjerojatno da je Galileo uzeo u obzir smanjenje tlaka (a time i brzine) vodenog mlaza s smanjenjem razine vode u kanti. Ovo se može zanemariti samo ako je kanta vrlo široka, a potok uzak. Možda je i bilo tako.
