Czy ludzie często zastanawiają się nad pytaniem: kiedy i który wynalazł wahadło obserwując wahadło w zegarze? Tym wynalazcą był Galileusz. Po rozmowach z ojcem (więcej szczegółów:) Galileusz wrócił na uniwersytet, ale nie na Wydział Lekarski, ale na Wydział Filozoficzny, gdzie wykładał matematykę i fizykę. Nauki te nie były wówczas jeszcze oddzielone od filozofii. Na Wydziale Filozoficznym zdecydował się na cierpliwą naukę Galileusz, którego nauczanie opierało się na kontemplacji i nie było potwierdzone eksperymentami.
Galileusz w katedrze w Pizie
Wszyscy studenci, zgodnie z regulaminem uniwersyteckim, mieli obowiązek uczęszczać do kościoła. Galileusz, będąc osobą wierzącą, odziedziczył po ojcu obojętność na rytuały kościelne i nie można go było nazwać gorliwą modlitwą. Zdaniem jego ucznia Viviani, w 1583 r Galileusz, będąc w czasie nabożeństwa w Katedra w Pizie, zauważyłem żyrandol, zawieszony pod sufitem na cienkich łańcuszkach. Słudzy zapalający świece w żyrandolach najwyraźniej ją popchnęli, a ciężki żyrandol powoli się zakołysał. Galileusz zaczął ją obserwować: wahanie żyrandola stopniowo się skracało i słabło, ale Galileuszowi wydawało się, że chociaż kołysanie żyrandola zmniejszyło się i ucichło, czas jednego zamachu pozostaje niezmieniony. Aby sprawdzić to przypuszczenie, potrzebny był dokładny zegar, ale Galileusz nie miał zegara – jeszcze go nie wynaleziono. Młody człowiek pomyślał o użyciu bicia serca zamiast stopera. Czując pulsującą żyłę na dłoni, Galileusz policzył uderzenia pulsu i jednocześnie kołysanie żyrandola. Domysł wydawał się potwierdzony, lecz niestety żyrandol przestał się kołysać, a Galileusz nie odważył się go popchnąć w trakcie nabożeństwa.Galileusz wynalazł wahadło
Wracając do domu, Galileusz zużyty eksperymenty. Zawiązał go na sznurkach i zaczął machać różnymi przedmiotami, które wpadły mu do ręki: kluczem do drzwi, kamykami, pustym kałamarzem i innymi ciężarkami. Zawiesił te domowe wahadła pod sufitem i patrzył, jak się kołyszą. Nadal liczył czas na podstawie uderzeń tętna. Przede wszystkim Galileusz był przekonany, że lekkie przedmioty kołyszą się równie często, jak ciężkie, jeśli wiszą na nitkach tej samej długości. A Huśtawki zależą tylko od długości nici: im dłuższa nić, tym wahadło rzadziej się waha, a im krótsze, tym częściej się waha. Częstotliwość wahań zależy tylko od długości wahadła, ale nie od jego ciężaru. Galileusz skrócił nić, na której wisiał pusty kałamarz; sprawiał, że wahadło było zgodne z rytmem pulsu, a na każde uderzenie serca przypadało jedno wychylenie wahadła. Potem pchnął kałamarz, usiadł na krześle i zaczął liczyć swój puls, obserwując wahadło. Początkowo kałamarz, kołysząc się, wykonywał dość szerokie wahania i szybko latał z boku na bok, a potem jego wahania stały się mniejsze, a ruch wolniejszy; Zatem czas jednego zamachu nie zmienił się zauważalnie. Zarówno duże, jak i małe wahania wahadła nadal pokrywały się z uderzeniami pulsu. Ale wtedy Galileusz zauważył, że z podniecenia jego „stoper” – serce – zaczęło bić szybciej i zakłócać eksperyment. Potem zaczął powtarzać swoje doświadczenie wiele razy z rzędu, aby uspokoić swoje serce. W wyniku tych eksperymentów Galileusz nabrał przekonania, że czas jednego zamachu nie zmienia się zauważalnie – pozostaje taki sam (gdyby Galileusz miał nowoczesny dokładny zegar, mógłby zauważyć, że nadal istnieje niewielka różnica pomiędzy dużymi i małymi wahaniami , ale jest bardzo mały i prawie nieuchwytny).Urządzenie do pulsologii
Zastanawiając się nad swoim odkryciem, Galileusz pomyślał, że lekarzom mogłoby się przydać liczenie pulsu chorych. Młody naukowiec wpadł na mały pomysł urządzenie, o imieniu pulsologia. Pulsologia szybko wkroczyła do praktyki lekarskiej. Lekarz podszedł do pacjenta, jedną ręką zbadał puls, a drugą naciągnął lub wydłużył wahadło swojego urządzenia tak, aby wahania wahadła pokrywały się z uderzeniami pulsu. Następnie na podstawie długości wahadła lekarz określił częstotliwość bicia serca pacjenta. Ta historia Pierwsze odkrycie naukowe Galileusza pokazuje, że Galileusz miał wszystkie cechy prawdziwego naukowca. Wyróżniał się niezwykłą zdolnością obserwacji; tysiące, miliony ludzi widziało żyrandole, huśtawki, piony stolarskie i inne przedmioty zawieszone na sznurkach, nitkach czy łańcuszkach kołyszące się i tylko Galileusz był w stanie zobaczyć to, co wielu umknęło uwadze. Swoje wnioski zweryfikował eksperymentami i od razu znalazł praktyczne zastosowanie dla tego odkrycia. Pod koniec życia naukowiec to udowodnił wynalezione przez niego wahadło mogłoby być doskonałym regulatorem zegara. Od tego czasu wahadło jest stosowane w zegarach ściennych. Galileusz uczynił zegar wahadłowy jednym z najbardziej precyzyjnych mechanizmów.Zegar Huygens z regulatorem wahadłowym i wychwytem wrzeciona
Najbardziej znaczących ulepszeń w mechanizmie zegara dokonał w drugiej połowie XVII wieku słynny holenderski fizyk Huygens, który stworzył nowe regulatory zarówno do zegarków sprężynowych, jak i wagowych. Wahacz, który był używany przez kilka stuleci wcześniej, miał wiele wad. Trudno to nawet nazwać regulatorem we właściwym tego słowa znaczeniu. W końcu regulator musi być zdolny do niezależnych oscylacji z własną częstotliwością. Wahacz był, ogólnie rzecz biorąc, tylko kołem zamachowym. Na jego działanie wpływało wiele czynników zewnętrznych, co wpływało na dokładność zegarka. Mechanizm stał się znacznie doskonalszy, gdy jako regulator zastosowano wahadło.
Po raz pierwszy pomysł zastosowania wahadła w najprostszych przyrządach do pomiaru czasu przyszedł do wielkiego włoskiego naukowca Galileo Galilei. Istnieje legenda, że w 1583 roku dziewiętnastoletni Galileusz, będąc w katedrze w Pizie, zauważył kołysanie się żyrandola. Licząc uderzenia pulsu zauważył, że czas jednego oscylacji żyrandola pozostaje stały, choć kołysanie staje się coraz mniejsze. Później, rozpoczynając poważne badania wahadeł, Galileusz ustalił, że przy niewielkim wahaniu (amplitudzie) wahadła (zaledwie kilka stopni) okres oscylacji wahadła zależy tylko od jego długości i ma stały czas trwania. Takie oscylacje zaczęto nazywać izochronicznymi. Bardzo ważne jest, aby przy oscylacjach izochronicznych okres drgań wahadła nie zależał od jego masy. Dzięki tej właściwości wahadło okazało się bardzo wygodnym urządzeniem do pomiaru krótkich okresów czasu. Na tej podstawie Galileusz opracował kilka prostych liczników, które wykorzystywał w swoich eksperymentach. Jednak ze względu na stopniowe tłumienie oscylacji wahadło nie mogło być używane do pomiaru długich okresów czasu.
Stworzenie zegara wahadłowego polegało na podłączeniu wahadła do urządzenia, które utrzymywało jego oscylacje i je liczyło. Pod koniec życia Galileusz zaczął projektować taki zegar, ale rozwój nie poszedł dalej. Pierwsze zegary wahadłowe powstały po śmierci wielkiego naukowca przez jego syna. Jednak budowa tych zegarków była utrzymywana w ścisłej tajemnicy, więc nie miały one żadnego wpływu na rozwój technologii. Niezależnie od Galileusza, w 1657 roku Huygens zbudował zegar mechaniczny z wahadłem. Przy wymianie wahacza na wahadło pierwsi projektanci stanęli przed trudnym problemem: jak już wspomniano, wahadło wytwarza oscylacje izochroniczne tylko o małej amplitudzie, natomiast wychwyt wrzeciona wymagał dużego wychylenia. W pierwszym zegarze Huygensa wychylenie wahadła sięgało 40-50 stopni, co niekorzystnie wpływało na dokładność ruchu. Aby zrekompensować tę wadę, Huygens musiał wykazać się cudem pomysłowości. Na koniec stworzył specjalne wahadło, które w trakcie obrotu zmieniało swoją długość i oscylowało po krzywej cykloidy. Zegar Huygensa miał nieporównywalnie większą dokładność niż zegary z tzw
biegun. Ich błąd dobowy nie przekraczał 10 sekund (w zegarkach z regulatorem kołyskowym błąd wahał się od 15 do 60 minut).
Już w 1530 roku podejmowano próby tworzenia zegarków mechanicznych. Ale na tej drodze było wiele trudności do pokonania. Istniejące wówczas zegary nie wskazywały dokładnego czasu. W 1581 roku Galileo Galilei odkrył, że okres drgań wahadła o małym wahaniu nie zależy od amplitudy tego wahania. W 1636 roku zaprojektował urządzenie wykorzystujące właściwość wahadła – licznik czasu. Zasadniczo był to zegar z wahadłem. W 1641 r., jak podaje uczeń Galileusza, V. Viviani, (Galileo) „przyszło na myśl, że do zegara z odważnikami i sprężyną można by dodać wahadło”.
Galileusz opowiedział te plany swojemu synowi Vincenzo. Ojciec i syn postanowili zbudować mechanizm z pomysłowym wychwytem (tzw. „wychwytem hakowym”). Taki zegarek faktycznie skonstruował Viviani, który pozostawił rysunek tego zegarka.
Christian Huygens poświęcił około dwudziestu lat swojego życia pracy nad zegarami wahadłowymi, próbując dostosować je do warunków żeglarskich. Uzupełnił je o wiele znaczących urządzeń, a także stworzył kilka zegarków o zwiększonej precyzji. W 1657 roku Huygens ogłosił stworzenie zegara wahadłowego. Zegar ten działał równie dobrze jak zegar Galileusza, tyle że ciężarek zastąpiono sprężyną z wagą. Sam Huygens powiedział, że jego celem było stworzenie zegarka, za pomocą którego można byłoby określić długość geograficzną na morzu. Nie udało mu się jednak osiągnąć swojego głównego celu - prawidłowego kołysania wahadła, gdy statek znajdował się na otwartym oceanie.
Bardziej obiecujące były zegary z włosem i regulatorem balansu, wynalezione około 1658 roku przez Anglika Hooke'a do nawigacji. Ponieważ problem dokładnego określenia długości geograficznej stawał się coraz bardziej palący dla nawigatorów, rządy i osoby prywatne zaoferowały nagrody za jego rozwiązanie. W 1714 roku rząd angielski ustanowił premię w wysokości od 10 do 20 tysięcy funtów szterlingów, w zależności od osiągniętej dokładności. Wszystko to oczywiście ogromnie zachęciło do dalszej pracy.
Najtrudniejszym zadaniem było zapewnienie stałości zegara w dowolnej temperaturze - w końcu wielkość metalowych części zegara zależała od temperatury, co oczywiście wpływało na jego dokładność. Problem został rozwiązany dopiero w połowie XVIII wieku. niemal jednocześnie Harrison (Anglia), Le Rossi (Francja) i Berthoud (Szwajcaria). Nagrodę od rządu angielskiego otrzymał Harrison, który do 1759 roku wyprodukował cztery chronometry (jak zaczęto nazywać te precyzyjne mechanizmy zegarkowe). Niemniej jednak dalsze prace nad mechanizmami zegarków prowadzono w oparciu o wykonany przez niego w 1766 roku chronometr Francuza Le Rossi.
Wspaniałym przykładem z historii zastosowań odkryć fizycznych jest historia zegarków.
W 1583 roku dziewiętnastoletni uczeń Galileo Galilei, obserwując oscylacje żyrandola w katedrze, zauważył, że okres czasu, w którym następuje jedno oscylowanie, jest prawie niezależny od amplitudy oscylacji. Do pomiaru czasu młody Galileusz używał pulsu, bo nie było jeszcze dokładnych zegarów. W ten sposób Galileusz dokonał swojego pierwszego odkrycia. Następnie stał się wielkim naukowcem (jego nazwisko zobaczymy jeszcze nie raz na stronach tego podręcznika).
To odkrycie Galileusza wykorzystał w XVII wieku holenderski fizyk Christiaan Huygens (o jego odkryciach dowiemy się w szkole średniej, studiując zjawiska świetlne). Huygens zaprojektował pierwszy zegar wahadłowy: w nich czas mierzy się liczbą oscylacji ciężarka zawieszonego na pręcie. Zegary wahadłowe były znacznie dokładniejsze od swoich poprzedników - zegarów piaskowych, wodnych i słonecznych: pozostawały w tyle lub spieszyły się zaledwie o 1-2 minuty dziennie. A dziś w niektórych domach nadal można zobaczyć zegary wahadłowe (ryc. 2.4, a): tykają regularnie, zamieniając sekundy przyszłości w sekundy przeszłości.
Ryż. 2.4. Pierwsze precyzyjne zegary były zegarami wahadłowymi, ale były dość nieporęczne. Zegarki wiosenne są znacznie wygodniejsze - można je nosić na dłoni (b). Najpopularniejsze dziś są zegarki kwarcowe (c)
Zegary wahadłowe są jednak dość nieporęczne: można je postawić na podłodze lub zawiesić na ścianie, ale nie można ich wkładać do kieszeni ani nosić na dłoni. W XVII wieku angielski fizyk Robert Hooke, badając właściwości sprężyn, odkrył prawo, które później nazwano jego imieniem (z tym prawem wkrótce się zapoznamy). Jedna z konsekwencji prawa Hooke'a jest podobna do odkrycia młodego Galileusza: okazuje się, że okres czasu, w którym sprężyna wykonuje jedno oscylowanie, jest również prawie niezależny od amplitudy oscylacji. Pozwoliło to na zbudowanie zegara wiosennego (XVIII w.). Zegarmistrzowie nauczyli się robić je tak małe, aby można je było nosić w kieszeni lub na dłoni (ryc. 2.4, b). Dokładność zegara wiosennego jest w przybliżeniu taka sama jak zegara wahadłowego, ale zegary wiosenne muszą być nakręcane codziennie, a poza tym czasami zaczynają się spieszyć, opóźniać, a nawet całkowicie się zatrzymywać. Ileż osób spóźniło się na pociąg lub na randkę tylko dlatego, że ich zegarek się spóźnił lub zapomniał go nakręcić tego dnia!
W XX wieku, po zbadaniu właściwości elektrycznych kwarcu (pospolitego minerału), naukowcy i inżynierowie stworzyli zegarki kwarcowe - znacznie bardziej niezawodne i dokładne niż zegarki wiosenne. Zegarków kwarcowych nie trzeba nakręcać: zasilane są baterią, która wytrzymuje kilka miesięcy, a nawet lat, a ich błąd wynosi nie więcej niż kilka minut w roku. Obecnie najpopularniejsze stały się zegarki kwarcowe (ryc. 2.4, c).
A najdokładniejsze są dziś zegary atomowe, których działanie opiera się na wibracjach atomów.
Ale w domu, w swoim biurze, które stało się pierwszym fizycznym laboratorium na naszej planecie, Galileuszowi udało się spowolnić upadek. Stało się dostępne zarówno dla oka, jak i uważnego, spokojnego studiowania.
W tym celu Galileusz zbudował długi (dwanaście łokci) pochyły rów. Wnętrze obite zostało gładką skórą. I spuścił na nią wypolerowane kule z żelaza, brązu i kości.
Zrobiłem to np.
Do kuli, która znajdowała się w rowku, przymocowano nić. Przerzucił go przez blok, a na jego drugim końcu zawiesił ciężarek, który można było opuszczać lub podnosić w pionie. Ciężar był ciągnięty w dół pod wpływem własnego ciężaru, a w górę, poprzez nić, za pomocą kuli z pochyłej rynny. W efekcie kula i ciężarek poruszały się tak, jak chciał eksperymentator – w górę lub w dół, szybko lub wolno, w zależności od nachylenia rynny, ciężaru kuli i ciężaru odważnika. Piłka i ciężarek mogłyby zatem poruszać się pod wpływem grawitacji. I to była jesień. To prawda, nie za darmo, sztucznie spowolniony.
Najpierw Galileusz znalazł prawo stanu ustalonego tego układu: ciężar ciężarka pomnożony przez wysokość podniesionego końca pochyłej rynny musi być równy ciężarowi kuli pomnożonej przez długość rynny. Tak pojawił się warunek równowagi układu - prawo Galileusza płaszczyzny pochyłej.
O upadku i jego tajemnicach nie powiedziano jeszcze nic.
Badanie bezruchu nie jest trudne: jest stałe w czasie. Mijają sekundy, minuty, godziny – nic się nie zmienia.
Wagi i linijki – to wszystko, czego potrzebujesz do pomiarów*.
* (Dlatego już od czasów starożytnych zaczęła się rozwijać statyka, czyli dziedzina fizyki zajmująca się wszelkiego rodzaju bezruchem: wyważonymi wagami, blokami, dźwigniami. Wszystko to jest konieczne, zrozumienie ich jest ważne i przydatne, nie bez powodu słynny grecki Archimedes poświęcił im wiele czasu. Nawet w bezruchu zauważył wiele, co było potrzebne wynalazcom „możliwych maszyn". Jednak, żeby być wybrednym, nie była to jeszcze prawdziwa fizyka. To było jedynie przygotowanie do niej. Prawdziwa fizyka zaczęła się od badania ruchów.)
Następnie Galileusz zaczął badać ruch piłek. Ten dzień był urodzinami fizyki (niestety, jej data kalendarzowa nie jest znana). Bo to właśnie wtedy zmienny w czasie proces został poddany pierwszym badaniom laboratoryjnym. Używano nie tylko linijek, ale także zegarków. Galileo nauczył się mierzyć czas trwania zdarzeń, to znaczy wykonywać główną operację związaną z każdym eksperymentem fizycznym.
Legenda o zegarze laboratoryjnym Galileusza jest pouczająca. W tamtych czasach nie można było kupić stopera w sklepie. Nie wynaleziono jeszcze nawet chodzików. Galileusz wydostał się z tej sytuacji w bardzo szczególny sposób. Liczył czas na podstawie uderzeń pulsu, po czym, jak zapewniają wieloletni biografowie, z nieoczekiwanych elementów: wiadra, wagi i kryształowego szkła, wykonał dobry zegar laboratoryjny. W dnie wiadra zrobił otwór, przez który płynął równy strumień wody. Ze słońca zanotował, ile uncji wody wypływa na godzinę, a następnie obliczył ciężar wody wypływającej na minutę i sekundę.
A oto doświadczenie. Naukowiec opuszcza piłkę do rynsztoka i natychmiast umieszcza szklankę pod strumieniem. Gdy piłka dotrze do określonego punktu, szybko odsuwa szklankę. Im dłużej piłka się toczyła, tym więcej wody wpływało do środka. Pozostaje tylko postawić go na wagę – i czas zostanie odmierzony. Dlaczego nie stoper!
„Moje sekundy są mokre” – powiedział Galileusz – „ale można je zważyć”.
Obserwując elementarny rygor, warto jednak zauważyć, że zegarki te nie są tak proste, jak mogłoby się wydawać. Jest mało prawdopodobne, aby Galileo uwzględnił spadek ciśnienia (a co za tym idzie prędkości) strumienia wody wraz ze spadkiem poziomu wody w wiadrze. Można to zaniedbać tylko wtedy, gdy wiadro jest bardzo szerokie, a strumień wąski. Być może tak było.
