Gyakran gondolnak az emberek arra a kérdésre, hogy mikor és aki feltalálta az ingát nézni az ingát az órában? Ez a feltaláló Galilei volt. Az apjával folytatott beszélgetések után (további részletek:) Galilei visszatért az egyetemre, de nem az orvosi, hanem a filozófiai karra, ahol matematikát és fizikát tanítottak. Akkoriban ezek a tudományok még nem különültek el a filozófiától. A filozófiai karon Galilei úgy döntött, hogy türelmesen tanul, akinek tanítása kontempláción alapult, és kísérletek nem erősítették meg.
Galilei a pisai katedrálisban
Az egyetemi szabályok szerint minden diáknak templomba kellett járnia. Galilei hívő lévén apjától örökölte az egyházi szertartások iránti közömbösséget, és nem nevezhető buzgó imának. Tanítványa szerint Viviani, 1583-ban Galileo szolgálat közben Pisa katedrális, észrevette a csillárt, a mennyezetről vékony láncokra függesztve. A csillárokban gyertyát gyújtó kísérők láthatóan meglökték, és a nehéz csillár lassan megingott. Galilei figyelni kezdte őt: a csillár lengése fokozatosan rövidült és gyengült, de Galilei számára úgy tűnt, hogy bár a csillár lengése csökkent és elhalt, egy lendítés ideje változatlan marad. Ennek a találgatásnak a teszteléséhez pontos órára volt szükség, de a Galileónak nem volt órája – még nem találták fel. A fiatalember arra gondolt, hogy stopper helyett szívverését használja. Miután Galilei lüktető eret érzett a kezén, számolta a pulzus ütemét és egyben a csillár lengéseit. A sejtés beigazolódni látszott, de sajnos a csillár leállt, Galileo pedig nem merte megtolni a szervíz alatt.Galilei feltalálta az ingát
Hazatérve, Galileo költött kísérletek. Zsinórokra kötötte, és hintázni kezdett különféle tárgyakkal, amelyek a kezébe kerültek: ajtókulcsot, kavicsokat, üres tintatartót és egyéb súlyokat. Ezeket a házi készítésű ingákat leakasztotta a mennyezetről, és nézte, ahogy himbálóznak. Még mindig pulzusszám alapján számolta az időt. Mindenekelőtt Galilei meg volt győződve arról, hogy a könnyű tárgyak olyan gyakran lendülnek, mint a súlyosak, ha azonos hosszúságú szálakon lógnak. A A kilengések csak a szál hosszától függenek: minél hosszabb a cérna, annál ritkábban ingadozik az inga, és minél rövidebb, annál gyakrabban ingadozik. A lengés gyakorisága csak az inga hosszától függ, de nem a súlyától. Galilei lerövidítette a fonalat, amelyen az üres tintatartó lógott; időben lendítette a pulzus ütemével, és minden szívverés után egy inga lendült. Aztán meglökte a tintatartót, leült egy székre, és az ingát figyelve számolni kezdte a pulzusát. A tintatartó eleinte meglehetős széles lendítést végzett és gyorsan egyik oldalról a másikra repült, majd kilengései kisebbek lettek, mozgása lassabb lett; Így egy lendítés ideje nem változott észrevehetően. Az inga nagy és kis kilengései még mindig egybeestek a pulzusokkal. De ekkor Galilei észrevette, hogy az izgalomtól a stopperje - a szíve - gyorsabban kezdett verni, és zavarja a kísérletet. Aztán elkezdte egymás után sokszor elismételni tapasztalatait, hogy megnyugtassa a szívét. A kísérletek eredményeként Galilei meggyőződött arról, hogy egy lengés ideje nem változik észrevehetően - ugyanaz marad (ha Galileinek modern pontos órája lenne, észrevehette volna, hogy még mindig van egy kis különbség a nagy és a kis kilengések között , de nagyon kicsi és szinte megfoghatatlan).Pulzológiai készülék
Felfedezésén Galilei úgy gondolta, hogy hasznos lehet az orvosok számára a beteg emberek pulzusának megszámlálásához. Egy fiatal tudós kitalált egy kis eszköz, nevezett pulzológia. A pulzológia gyorsan belépett az orvosi gyakorlatba. Az orvos odajött a beteghez, egyik kezével megtapogatta a pulzust, a másikkal pedig megfeszítette vagy meghosszabbította készüléke ingáját úgy, hogy az inga kilengései egybeesjenek a pulzus ütemével. Ezután az inga hosszának felhasználásával az orvos meghatározta a páciens szívverésének gyakoriságát. Ez a történet Galilei első tudományos felfedezése megmutatja, hogy Galilei egy igazi tudós összes tulajdonságával rendelkezett. Rendkívüli megfigyelőképességével tűnt ki; emberek ezrei, milliói láttak csillárokat, hintákat, ácscsöveket és egyéb csipkékre, cérnákra vagy láncokra függesztett tárgyakat lengetni, és csak Galilei láthatta azt, ami sokak figyelmét elkerülte. Következtetését kísérletekkel tesztelte, és azonnal gyakorlati alkalmazást talált ennek a felfedezésnek. Élete végére a tudós bebizonyította az általa feltalált inga kiváló szabályozó lehet egy óra számára. Azóta az ingát faliórákban használják. A Galileo az egyik legprecízebb mechanizmussá tette az ingaórát.Huygens óra ingaszabályzóval és orsó kivezetéssel
Az óramechanizmus legjelentősebb fejlesztéseit a 17. század második felében a híres holland fizikus, Huygens végezte, aki új szabályozókat készített mind a rugós, mind a súlyzós órákhoz. A több évszázada korábban használt lengőkarnak számos hátránya volt. Nehéz még szabályozónak is nevezni a szó megfelelő értelmében. Hiszen a szabályozónak képesnek kell lennie a saját frekvenciájával független rezgésekre. A lengőkar általában csak lendkerék volt. Számos külső tényező befolyásolta a működését, ami befolyásolta az óra pontosságát. A mechanizmus sokkal tökéletesebbé vált, amikor ingát használtak szabályozóként.
Először a nagy olasz tudósban, Galileo Galileiben merült fel az ötlet, hogy a legegyszerűbb időmérő műszerben ingát használjanak. Egy legenda szerint 1583-ban a tizenkilenc éves Galileo a pisai katedrálisban egy csillár imbolyogását vette észre. Észrevette, számolva a pulzusokat, hogy a csillár egy rezdülésének ideje állandó maradt, bár a lengés egyre kevesebb lett. Később, miután elkezdte az ingák komoly tanulmányozását, Galilei megállapította, hogy kis kilengéssel (amplitúdóval) (csak néhány fokos) az inga lengési periódusa csak a hosszától függ, és állandó időtartamú. Az ilyen rezgéseket izokronnak nevezték. Nagyon fontos, hogy izokron rezgéseknél az inga lengési periódusa ne függjön a tömegétől. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően az inga nagyon kényelmes eszköznek bizonyult rövid időtartamok mérésére. Ez alapján Galilei több egyszerű számlálót is kifejlesztett, amelyeket kísérletei során használt. Ám a rezgések fokozatos csillapítása miatt az ingát nem lehetett hosszú időtartamok mérésére használni.
Az ingaóra létrehozása abból állt, hogy egy ingát csatlakoztattak egy eszközhöz, hogy fenntartsák annak rezgését és megszámolják azokat. Galilei élete végén elkezdett ilyen órát tervezni, de a fejlesztés nem ment tovább. Az első ingaórákat a nagy tudós halála után fia készítette. Ezeknek az óráknak a felépítését azonban szigorúan titokban tartották, így semmilyen befolyásuk nem volt a technika fejlődésére. Galileitól függetlenül 1657-ben Huygens mechanikus órát szerelt össze ingával. A lengőkar ingára cserélésekor nehéz problémával szembesültek az első tervezők: mint már említettük, az inga csak kis amplitúdóval hoz létre izokron rezgéseket, eközben az orsó kiszökése nagy kilengést igényelt. Az első Huygens órában az inga kilengése elérte a 40-50 fokot, ami hátrányosan befolyásolta a mozgás pontosságát. E hiányosság kompenzálására Huygensnek a találékonyság csodáit kellett bemutatnia. Végül egy speciális ingát hozott létre, amely lendülése közben változtatta a hosszát, és egy cikloid görbe mentén oszcillált. Huygens órája összehasonlíthatatlanul nagyobb pontossággal rendelkezett, mint a hasonló óráké
rocker. Napi hibájuk nem haladta meg a 10 másodpercet (a billenőszabályzós órákban 15-60 perc között volt a hiba).
Már 1530-ban próbálkoztak mechanikus órák létrehozásával. De ezen az úton számos nehézséget kellett leküzdeni. Az akkoriban létező órák nem tudtak pontos időt mutatni. 1581-ben Galileo Galilei felfedezte, hogy egy kis kilengésű inga lengési periódusa nem függ ennek a lengésnek az amplitúdójától. 1636-ban tervezett egy eszközt, amely az inga tulajdonságát használta - egy időmérőt. Lényegében egy ingával ellátott óra volt. 1641-ben, Galilei tanítványa, V. Viviani szerint (Galileo) „az jutott az eszébe, hogy ingát hozzá lehet adni egy órához súlyokkal és rugóval”.
Galilei ezeket a terveket elmondta fiának Vincenzónak. Apa és fia elhatározták, hogy egy zseniális menekülőeszközzel (az úgynevezett „horgos menekülésnek”) egy mechanizmust építenek. Egy ilyen órát valójában Viviani készített, aki hagyott egy rajzot erről az óráról.
Christian Huygens életéből körülbelül húsz évet szentelt az ingaórák megalkotásának, és igyekezett azokat a tengeri körülményekhez igazítani. Ezeket számos jelentős eszközzel egészítette ki, és több megnövelt pontosságú órát is készített. 1657-ben Huygens bejelentette egy ingaóra megalkotását. Ez az óra éppúgy járt, mint Galilei órája, de a súlyt kiegyensúlyozott rugó váltotta fel. Maga Huygens elmondta, hogy célja egy olyan óra létrehozása volt, amellyel a tengeren meg lehet határozni a hosszúságot. Azonban nem sikerült elérnie fő célját - hogy az inga megfelelően lendüljön, amikor a hajó a nyílt óceánon volt.
Ígéretesebbek voltak a hajszálas és egyensúlyszabályzós órák, amelyeket 1658 körül az angol Hooke talált fel navigációra. Ahogy a hosszúság pontos meghatározásának problémája egyre sürgetőbbé vált a navigátorok számára, a kormányok és az egyének jutalmat ajánlottak fel a megoldásért. 1714-ben az angol kormány az elért pontosságtól függően 10-20 ezer font bónuszt állapított meg. Mindez természetesen nagyban ösztönözte a további munkát.
A legnehezebb feladat az óra állandóságának biztosítása volt bármilyen hőmérsékleten - elvégre az óra fémrészeinek mérete a hőmérséklettől függött, ami természetesen befolyásolta a pontosságát. A probléma csak a 18. század közepére oldódott meg. szinte egyszerre Harrison (Anglia), Le Rossi (Franciaország) és Berthoud (Svájc). Az angol kormány kitüntetését Harrison kapta, aki 1759-re négy kronométert készített (ahogy ezeket a precíziós óraszerkezeteket nevezték). Ennek ellenére az óramechanizmusok további fejlesztése a francia Le Rossi által 1766-ban készített kronométere alapján történt.
A fizikai felfedezések alkalmazásának történetéből egy csodálatos példa az órák története.
1583-ban a tizenkilenc éves diák, Galileo Galilei, a katedrálisban egy csillár oszcillációit figyelve észrevette, hogy az az időtartam, amely alatt egy rezgés fellép, szinte független az oszcillációk amplitúdójától. Az idő mérésére a fiatal Galilei a pulzusát használta, mert még nem voltak pontos órák. Galilei így tette első felfedezését. Ezt követően nagy tudós lett (a tankönyv lapjain többször is látni fogjuk a nevét).
Galilei e felfedezését a 17. században Christiaan Huygens holland fizikus használta (felfedezéseit középiskolában fogjuk megismerni, amikor a fényjelenségeket tanulmányozzuk). Huygens tervezte az első ingaórát: bennük az időt egy rúdra felfüggesztett súly kilengésének számával mérik. Az ingaórák sokkal pontosabbak voltak, mint elődeik - a homok-, víz- és napórák: napi 1-2 perccel lemaradtak vagy rohantak. Néhány házban pedig ma is láthatók az ingaórák (2.4. ábra, a): ezek rendszeresen ketyegnek, a jövő másodperceit a múlt másodperceivé változtatják.
Rizs. 2.4. Az első precíz órák ingaórák voltak, de elég nehézkesek voltak. A tavaszi órák sokkal kényelmesebbek - a kezedben is hordhatók (b). Manapság a legelterjedtebbek a kvarcórák (c)
Az ingaórák azonban meglehetősen terjedelmesek: a padlóra helyezhető, vagy a falra akasztható, de nem lehet zsebre tenni vagy kézen viselni. A 17. században Robert Hooke angol fizikus a rugók tulajdonságait tanulmányozva felfedezett egy törvényt, amelyet később róla neveztek el (ezzel a törvénnyel hamarosan megismerkedünk). A Hooke-törvény egyik következménye hasonló a fiatal Galileo felfedezéséhez: kiderül, hogy az az időtartam, amely alatt egy rugó egy rezgést végrehajt, szintén szinte független a rezgések amplitúdójától. Ez lehetővé tette a tavaszi óra megépítését (XVIII. század). Az órások megtanulták olyan kicsinyíteni őket, hogy ezeket az órákat zsebben vagy kézben is hordhassák (2.4. ábra, b). A rugós óra pontossága megközelítőleg megegyezik az ingaóráéval, de a rugós órákat minden nap fel kell tekerni, ráadásul néha rohanni kezdenek, késni kezdenek, vagy akár teljesen leállnak. Hány ember késett le egy vonatot vagy egy randevút csak azért, mert lassú volt az órája, vagy elfelejtették felhúzni aznap!
A 20. században a kvarc (egy gyakori ásvány) elektromos tulajdonságainak tanulmányozása után a tudósok és mérnökök kvarcórákat készítettek - sokkal megbízhatóbbak és pontosabbak, mint a rugós órák. A kvarcórákat nem kell feltekerni: több hónapig, sőt évekig kitartott akkumulátorral működnek, hibájuk pedig nem haladja meg az évi néhány percet. Napjainkban a kvarcórák váltak a legelterjedtebbekké (2.4. ábra, c).
És ma a legpontosabbak az atomórák, amelyek működése az atomok rezgésein alapul.
De otthon az irodájában, amely bolygónk első fizikai laboratóriuma lett, Galileinak sikerült lelassítania a bukását. Hozzáférhetővé vált mind a szemnek, mind a gondos, nyugodt tanulásnak.
Erre a célra Galilei hosszú (tizenkét könyök) ferde árkot épített. Belseje sima bőrrel volt kárpitozva. És leeresztette rajta csiszolt vas-, bronz- és csontgolyókat.
Én például ezt csináltam.
A golyóhoz egy szál volt rögzítve, amely a horonyban volt. Átdobta a tömbön, a másik végére pedig egy súlyt akasztott, amelyet függőlegesen le lehetett engedni vagy fel lehetett emelni. A súlyt a saját súlya húzta le, a cérnán keresztül pedig egy golyó húzta fel a ferde csúszdából. Ennek eredményeként a labda és a súly a kísérletező által kívánt módon mozgott - felfelé vagy lefelé, gyorsan vagy lassan, a csúszda dőlésétől, a labda súlyától és a súly súlyától függően. A labda és a súly így a gravitáció hatására mozoghat. És ez volt az ősz. Igaz, nem ingyen, mesterségesen lelassítva.
Először is Galilei megtalálta a törvényt ennek a rendszernek az állandósult állapotára: a súly és a ferde csúszda felemelt végének magassága szorzata egyenlő legyen a labda súlyának és a csúszda hosszának szorzatával. Így jelent meg a rendszer egyensúlyának feltétele - a ferde sík Galilei törvénye.
A bukásról és titkairól még nem mondtak semmit.
A mozdulatlanságot nem nehéz tanulmányozni: idővel állandó. Telnek a másodpercek, percek, órák – semmi sem változik.
Mérlegek és vonalzók - ez minden, amire szüksége van a mérésekhez *.
* (Ezért kezdett ősidőktől kialakulni a statika, a fizika egy olyan ága, amely mindenféle mozdulatlansággal foglalkozik: kiegyensúlyozott mérlegek, blokkok, karok. Mindezek a dolgok szükségesek, megértésük fontos és hasznos, nem véletlenül szentelt nekik sok időt a híres görög Arkhimédész. Még mozdulatlanságában is sok mindent észrevett, ami a „lehetséges gépek” feltalálói számára szükséges volt. De hogy válogatós legyek, ez még nem az igazi fizika, csak felkészítés volt rá. Az igazi fizika a mozgások tanulmányozásával kezdődött.)
Majd Galilei elkezdte tanulmányozni a golyók mozgását. Ez a nap volt a fizika születésnapja (sajnos a naptári dátuma ismeretlen). Mert ekkor vetettek alá egy időben változó folyamatot az első laboratóriumi vizsgálatnak. Nem csak vonalzókat használtak, hanem órákat is. Galileo megtanulta mérni az események időtartamát, vagyis végrehajtani a fizikai kísérletben rejlő fő műveletet.
Tanulságos Galilei laboratóriumi órájának legendája. Akkoriban nem lehetett boltban stoppert venni. Még a sétálókat sem találták fel. Galilei egészen különleges módon került ki a helyzetből. Pulzusának ütemével számolta az időt, majd – mint azt a régi életrajzírók bizonygatják – váratlan alkatrészekből: vödörből, mérlegből és kristályüvegből készített egy jó laboratóriumi órát. A vödör alján lyukat csinált, amelyen folyamatos vízfolyás folyt. A napból feljegyezte, hány uncia víz folyik ki óránként, majd kiszámította a percenként és másodpercenként kiáramló víz tömegét.
És itt a tapasztalat. A tudós leereszti a labdát az ereszcsatornába, és azonnal a patak alá helyez egy poharat. Amikor a labda elér egy előre meghatározott pontot, gyorsan elmozdítja a poharat. Minél tovább gurult a labda, annál több víz folyt be. Már csak a mérlegre kell tenni – és már mérik az időt. Miért nem stopper!
– A másodperceim nedvesek – mondta Galileo –, de le lehet őket mérni.
Az elemi szigort figyelve azonban érdemes megjegyezni, hogy ezek az órák nem olyan egyszerűek, mint amilyennek tűnhet. Nem valószínű, hogy a Galileo figyelembe vette a vízsugár nyomásának (és ezáltal sebességének) csökkenését a vödör vízszintjének csökkenésével. Ezt csak akkor lehet figyelmen kívül hagyni, ha a vödör nagyon széles és a patak keskeny. Talán így volt.
