Da li ljudi često razmišljaju o pitanju kada i koji je izmislio klatno gledati kako se klatno njiše u satu? Ovaj pronalazač je bio Galileo. Nakon razgovora sa ocem, (detaljnije:) Galileo se vratio na fakultet, ali ne na Medicinski, već na Filozofski, gdje su predavali matematiku i fiziku. U to vrijeme ove nauke još nisu bile odvojene od filozofije. Na Filozofskom fakultetu Galileo je odlučio strpljivo studirati, čije je učenje bilo zasnovano na kontemplaciji i nije potvrđeno eksperimentima.
Galileja u katedrali u Pizi
Svi studenti, prema pravilima univerziteta, trebali su ići u crkvu. Galileo je, kao vjernik, od svog oca naslijedio ravnodušnost prema crkvenim obredima i nije se mogao nazvati revnosnim molitvom. Prema rečima njegovog učenika Viviani godine, 1583. godine Galileo, tokom službe u Katedrala u Pizi, primetio luster, visi sa plafona na tankim lancima. Poslužitelji koji su palili svijeće u lusterima očigledno su je gurnuli, a teški luster se polako zaljuljao. Galileo je počeo da je posmatra: zamah lustera se postepeno skraćivao i slabio, ali Galileju se činilo da, iako se zamah lustera smanjio i utihnuo, vrijeme jednog zamaha ostaje nepromijenjeno. Da bi se testirala ova pretpostavka, bio je potreban tačan sat, ali Galileo nije imao sat - oni još nisu bili izmišljeni. Mladić je pomislio da umjesto štoperice koristi otkucaje srca. Osjetivši pulsirajuću venu na ruci, Galileo je brojao otkucaje pulsa i istovremeno zamah lustera. Činilo se da je nagađanje potvrđeno, ali, nažalost, luster je prestao da se ljulja, a Galileo se nije usudio da ga gurne tokom službe.Galileo je izumeo klatno
Povratak kući, Galileo potrošeno eksperimenti. Vezao ga je na konce i počeo da ljulja razne predmete koji su mu došli pod ruku: ključ od vrata, kamenčiće, praznu mastionicu i druge utege. Okačio je ova domaća klatna o plafon i gledao ih kako se njišu. I dalje je brojio vrijeme prema otkucajima pulsa. Prije svega, Galileo je bio uvjeren da se laki predmeti ljuljaju jednako često kao i teški ako vise na nitima iste dužine. A Zamasi zavise samo od dužine konca: što je duži konac, to se klatno rjeđe njiše, a što je kraće, to se češće ljulja. Frekvencija ljuljanja zavisi samo od dužine klatna, ali ne i od njegove težine. Galileo je skratio nit na kojoj je visila prazna mastionica; učinio da se ljulja u skladu sa otkucajima pulsa i za svaki otkucaj srca postojao je jedan zamah klatna. Zatim je gurnuo mastionicu, seo je u stolicu i počeo da broji puls, posmatrajući klatno. U početku je mastionica, ljuljajući se, pravila prilično široke zamahe i brzo letjela s jedne na drugu stranu, a zatim su njeni zamasi postajali sve manji, a kretanje sporije; Dakle, vrijeme jednog zamaha nije se primjetno promijenilo. I veliki i mali zamahi klatna i dalje su se poklapali sa otkucajima pulsa. Ali tada je Galileo primijetio da je od uzbuđenja njegova "štoperica" - njegovo srce - počela brže kucati i ometati eksperiment. Onda je počeo da ponavlja svoje iskustvo mnogo puta zaredom da smiri srce. Kao rezultat ovih eksperimenata, Galileo se uvjerio da se vrijeme jednog zamaha ne mijenja primjetno - ostaje isto (da je Galileo imao moderan tačan sat, mogao je primijetiti da još uvijek postoji mala razlika između velikih i malih zamaha , ali je vrlo mala i gotovo neuhvatljiva).Pulsološki aparat
Razmišljajući o svom otkriću, Galileo je pomislio da bi lekarima moglo biti od koristi da izbroje puls bolesnima. Mladi naučnik smislio je mali uređaj, imenovani pulsologija. Pulsologija je brzo ušla u medicinsku praksu. Doktor je došao do pacijenta, jednom rukom opipao puls, a drugom je stezao ili produžio klatno svog uređaja tako da su se zamahi klatna poklapali sa otkucajima pulsa. Zatim, koristeći dužinu klatna, doktor je odredio učestalost otkucaja srca pacijenta. Ova priča Galilejevo prvo naučno otkriće pokazuje da je Galileo imao sve kvalitete pravog naučnika. Odlikovao se svojom izvanrednom moći zapažanja; hiljade, milioni ljudi vidjeli su lustere, ljuljaške, stolarske olovke i druge predmete obješene na vezice, niti ili lančiće kako se ljuljaju, a samo je Galileo mogao vidjeti ono što je mnogima izmaklo pažnji. Svoj zaključak je testirao eksperimentima i odmah pronašao praktičnu primjenu ovom otkriću. Do kraja života naučnik je to dokazao klatno koje je izumio moglo bi biti odličan regulator za sat. Od tada se klatno koristi u zidnim satovima. Galileo je sat s klatnom napravio jednim od najpreciznijih mehanizama.Huygens sat sa regulatorom klatna i vretenom
Najznačajnija poboljšanja satnog mehanizma u drugoj polovini 17. stoljeća napravio je poznati holandski fizičar Huygens, koji je stvorio nove regulatore i za satove sa oprugama i za tegove. Preklopna ruka, koja se koristila nekoliko vekova ranije, imala je mnogo nedostataka. Teško ga je čak i nazvati regulatorom u pravom smislu te riječi. Na kraju krajeva, regulator mora biti sposoban za nezavisne oscilacije sa svojom frekvencijom. Uopšteno govoreći, klackalica je bila samo zamašnjak. Mnogi vanjski faktori utjecali su na njegov rad, što je utjecalo na točnost sata. Mehanizam je postao mnogo savršeniji kada se kao regulator koristilo klatno.
Po prvi put ideja o korištenju klatna u najjednostavnijim instrumentima za mjerenje vremena došla je velikom talijanskom naučniku Galileu Galileiju. Postoji legenda da je 1583. godine devetnaestogodišnji Galileo, dok je bio u katedrali u Pizi, primetio ljuljanje lustera. Primijetio je, računajući otkucaje pulsa, da je vrijeme jedne oscilacije lustera ostalo konstantno, iako je zamah postajao sve manji. Kasnije, započevši ozbiljno proučavanje klatna, Galileo je ustanovio da sa malim zamahom (amplitudom) zamaha (samo nekoliko stepeni), period oscilovanja klatna zavisi samo od njegove dužine i ima konstantno trajanje. Takve oscilacije su se nazvali izohronim. Veoma je važno da kod izohronih oscilacija period oscilovanja klatna ne zavisi od njegove mase. Zahvaljujući ovoj osobini, klatno se pokazalo kao vrlo zgodan uređaj za mjerenje kratkih vremenskih perioda. Na osnovu toga, Galileo je razvio nekoliko jednostavnih brojača koje je koristio u svojim eksperimentima. Ali zbog postepenog prigušenja oscilacija, klatno se nije moglo koristiti za mjerenje dugih vremenskih perioda.
Stvaranje sata sa klatnom sastojalo se od povezivanja klatna sa uređajem kako bi se održavale njegove oscilacije i brojale. Na kraju svog života, Galileo je počeo da dizajnira takav sat, ali razvoj nije išao dalje. Prvi satovi sa klatnom stvoreni su nakon smrti velikog naučnika od strane njegovog sina. Međutim, struktura ovih satova držana je u strogoj tajnosti, tako da nisu imali nikakvog uticaja na razvoj tehnologije. Nezavisno od Galilea, Hajgens je 1657. sastavio mehanički sat sa klatnom. Prilikom zamjene klackalice s klatnom, prvi dizajneri su se suočili s teškim problemom: kao što je već spomenuto, klatno stvara izokrone oscilacije samo s malom amplitudom, dok je klizač vretena zahtijevao veliki zamah. U prvom Huygensovom satu, zamah klatna dostigao je 40-50 stepeni, što je negativno uticalo na tačnost kretanja. Da bi nadoknadio ovaj nedostatak, Hajgens je morao da pokaže čuda domišljatosti. Na kraju je stvorio posebno klatno koje je, kako se ljuljalo, mijenjalo svoju dužinu i osciliralo duž cikloidne krivulje. Hajgensov sat imao je neuporedivo veću tačnost od satova sa
rocker. Njihova dnevna greška nije prelazila 10 sekundi (kod satova sa preklopnim regulatorom greška se kretala od 15 do 60 minuta).
Već 1530. godine pokušano je da se naprave mehaničke satove. Ali na ovom putu bilo je mnogo poteškoća koje je trebalo savladati. Satovi koji su postojali u to vrijeme nisu mogli pokazati tačno vrijeme. Godine 1581. Galileo Galilei je otkrio da period oscilacije klatna sa malim zamahom ne zavisi od amplitude ovog zamaha. Godine 1636. dizajnirao je uređaj koji je koristio svojstvo klatna - mjerač vremena. U suštini, to je bio sat sa klatnom. Godine 1641, prema Galileovom učeniku V. Vivijaniju, (Galileju) je „palo na pamet da se satu sa tegovima i oprugom može dodati klatno“.
Galileo je ove planove ispričao svom sinu Vincenzu. Otac i sin odlučili su da naprave mehanizam sa genijalnim uređajem za bijeg (tzv. “hook escapement”). Takav sat je zapravo konstruisao Viviani, koji je ostavio crtež ovog sata.
Kristijan Hajgens posvetio je dvadesetak godina svog života radu na satovima sa klatnom, pokušavajući da ih prilagodi pomorskim uslovima. Dopunio ih je mnogim značajnim uređajima, a stvorio je i nekoliko satova povećane preciznosti. Godine 1657. Hajgens je najavio da je napravio sat sa klatnom. Ovaj sat je radio jednako dobro kao i Galileov sat, ali je teg zamijenjen oprugom sa vagom. Sam Huygens je rekao da mu je cilj bio stvoriti sat pomoću kojeg bi bilo moguće odrediti geografsku dužinu na moru. Međutim, nije uspio da postigne svoj glavni cilj - da natjera klatno da se pravilno zanjiha kada se brod nalazi u otvorenom okeanu.
Više obećavajući bili su satovi sa kosom i regulatorom ravnoteže, koje je oko 1658. godine izumeo Englez Hooke za navigaciju. Kako je problem tačnog određivanja geografske dužine postajao sve važniji za navigatore, vlade i pojedinci nudili su nagrade za njegovo rješavanje. Engleska vlada je 1714. godine ustanovila bonus od 10 do 20 hiljada funti sterlinga, u zavisnosti od postignute preciznosti. Sve je to, naravno, u velikoj mjeri podstaklo dalji 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 rešen tek sredinom 18. veka. gotovo istovremeno Harrison (Engleska), Le Rossi (Francuska) i Berthoud (Švicarska). Nagradu engleske vlade dobio je Harison, koji je do 1759. godine napravio četiri kronometra (kako su se ovi precizni mehanizmi za satove počeli nazivati). Ipak, daljnji razvoj mehanizama satova proveden je na osnovu kronometra Francuza Le Rossija, koji je on napravio 1766. godine.
Predivan primjer iz povijesti primjene fizičkih otkrića je povijest satova.
Godine 1583. devetnaestogodišnji student Galileo Galilei, posmatrajući oscilacije lustera u katedrali, primetio je da je vremenski period tokom kojeg je došlo do jedne oscilacije skoro nezavisan od amplitude oscilacija. Za mjerenje vremena mladi Galileo je koristio svoj puls, jer još nije bilo tačnih satova. Tako je Galileo došao do svog prvog otkrića. Kasnije je postao veliki naučnik (njegovo ime ćemo više puta vidjeti na stranicama ovog udžbenika).
Ovo Galilejevo otkriće koristio je u 17. veku holandski fizičar Christiaan Huygens (o njegovim otkrićima ćemo učiti u srednjoj školi, kada budemo proučavali svetlosne fenomene). Huygens je dizajnirao prvi sat s klatnom: u njima se vrijeme mjeri brojem oscilacija utega okačenog na šipku. Satovi s klatnom bili su mnogo tačniji od svojih prethodnika - pješčanih, vodenih i sunčanih satova: zaostajali su ili žurili za samo 1-2 minute dnevno. I danas se u nekim kućama još uvijek mogu vidjeti satovi s klatnom (slika 2.4, a): oni redovno otkucavaju, pretvarajući sekunde budućnosti u sekunde prošlosti.
Rice. 2.4. Prvi precizni satovi bili su satovi sa klatnom, ali su bili prilično glomazni. Proljetni satovi su mnogo praktičniji - mogu se nositi na ruci (b). Danas su najčešći kvarcni satovi (c)
Međutim, satovi sa klatnom su prilično glomazni: mogu se postaviti na pod ili okačiti na zid, ali se ne mogu staviti u džep ili nositi na ruci. U 17. veku, engleski fizičar Robert Huk, proučavajući svojstva izvora, otkrio je zakon koji je kasnije dobio ime po njemu (uskoro ćemo se upoznati sa ovim zakonom). Jedna od posljedica Hookeovog zakona slična je otkriću mladog Galilea: ispada da je vremenski period tokom kojeg opruga vrši jednu oscilaciju također gotovo nezavisan od amplitude oscilacija. To je omogućilo izgradnju proljetnog sata (18. vijek). Časovnici su naučili da ih prave tako male da se ovi satovi mogu nositi u džepu ili na ruci (slika 2.4, b). Preciznost opružnog sata je približno ista kao i sat sa klatnom, ali satovi sa oprugama moraju se navijati svaki dan, a osim toga, ponekad počnu žuriti ili zaostajati, pa čak i potpuno prestati. Koliko je ljudi propustilo voz ili sastanak samo zato što im je sat bio spor ili su zaboravili da ga naviju tog dana!
U 20. veku, nakon proučavanja električnih svojstava kvarca (uobičajenog minerala), naučnici i inženjeri su stvorili kvarcne satove - mnogo pouzdanije i tačnije od prolećnih satova. Kvarcne satove nije potrebno navijati: napaja ih baterija koja traje nekoliko mjeseci ili čak godina, a njihova greška nije veća od nekoliko minuta godišnje. Danas su kvarcni satovi postali najčešći (slika 2.4, c).
A najprecizniji danas su atomski satovi, čije se djelovanje zasniva na vibracijama atoma.
Ali kod kuće u svojoj kancelariji, koja je postala prva fizička laboratorija na našoj planeti, Galileo je uspio usporiti svoj pad. Postalo je dostupno i oku i pažljivom, ležernom proučavanju.
U tu svrhu, Galileo je izgradio dugačak (dvanaest lakata) nagnuti rov. Unutrašnjost je bila presvučena glatkom kožom. I spustio je u nju uglačane kugle od željeza, bronze i kosti.
Ja sam ovo uradio, na primer.
Na kuglu je bila pričvršćena nit koja je bila u žljebu. Bacio ga je preko bloka, a na njegov drugi kraj okačio uteg koji se mogao spuštati ili podizati okomito. Uteg je povučen sopstvenom težinom nadole, a gore, kroz konac, loptica iz nagnutog žlijeba. Kao rezultat toga, lopta i težina su se kretali onako kako je eksperimentator želio - gore ili dolje, brzo ili polako, ovisno o nagibu žlijeba, težini lopte i težini težine. Lopta i teg bi se tako mogli kretati pod uticajem gravitacije. A ovo je bio pad. Istina, ne besplatno, vještački usporeno.
Prvo, Galileo je pronašao zakon za stabilno stanje ovog sistema: težina težine, pomnožena sa visinom podignutog kraja nagnutog žlijeba, mora biti jednaka težini lopte pomnožene sa dužinom žlijeba. Tako se pojavio uslov za ravnotežu sistema - Galilejev zakon nagnute ravni.
Još ništa nije rečeno o padu i njegovim tajnama.
Nepokretnost nije teško proučavati: ona je konstantna tokom vremena. Prolaze sekunde, minute, sati - ništa se ne mijenja.
Vage i ravnala - to je sve što vam treba 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 neophodne, njihovo razumijevanje je važno i korisno, nije uzalud slavni grčki Arhimed posvetio mnogo vremena njima. Čak iu nepokretnosti, primetio je mnogo toga što je bilo neophodno pronalazačima "mogućih mašina". Međutim, da budemo izbirljivi, ovo još nije bila prava fizika, već samo priprema za nju. Prava fizika je počela proučavanjem pokreta.)
Tada je Galileo počeo proučavati kretanje loptica. Ovaj dan je bio rođendan fizike (na žalost, njegov kalendarski datum nije poznat). Jer tada je proces koji varira u vremenu bio podvrgnut prvom laboratorijskom istraživanju. Nisu korišteni samo lenjiri, već i satovi. Galileo je naučio da mjeri trajanje događaja, odnosno da izvrši glavnu operaciju svojstvenu svakom fizičkom eksperimentu.
Legenda o Galileovom laboratorijskom satu je poučna. U to vrijeme nije bilo moguće kupiti štopericu u radnji. Čak ni šetači još nisu izmišljeni. Galileo se izvukao iz situacije na vrlo poseban način. Brojio je vrijeme otkucajima svog pulsa, a zatim je, kako uvjeravaju dugogodišnji biografi, napravio dobar laboratorijski sat od neočekivanih komponenti: kante, vage i kristalne čaše. Na dnu kante napravio je rupu kroz koju je tekla stalan mlaz vode. Sa sunca je zabilježio koliko unci vode istječe na sat, a zatim izračunao težinu vode koja istječe u minuti i sekundi.
I evo iskustva. Naučnik spušta loptu u oluk i odmah stavlja čašu ispod potoka. Kada lopta dostigne unaprijed određenu tačku, on brzo odmiče čašu. Što se loptica duže kotrljala, više je vode ulazilo unutra. Ostaje samo da se stavi na vagu - i vrijeme se mjeri. Zašto ne štopericu!
"Moje sekunde su mokre", rekao je Galileo, "ali se mogu izmjeriti."
Promatrajući elementarnu strogost, vrijedi napomenuti, međutim, da ovi satovi nisu tako jednostavni kao što se čini. Malo je vjerovatno da je Galileo uzeo u obzir smanjenje pritiska (a time i brzine) vodenog mlaza sa smanjenjem nivoa vode u kanti. Ovo se može zanemariti samo ako je kanta vrlo široka, a potok uzak. Možda je bilo tako.
