Zamýšľajú sa ľudia často nad otázkou kedy a kto vynašiel kyvadlo sleduješ, ako sa kyvadlo hojdá v hodinách? Tento vynálezca bol Galileo. Po rozhovoroch s otcom sa (podrobnejšie:) Galileo vrátil na univerzitu, nie však na lekársku, ale na filozofickú fakultu, kde vyučovali matematiku a fyziku. V tom čase tieto vedy ešte neboli oddelené od filozofie. Na filozofickej fakulte sa pre trpezlivé štúdium rozhodol Galileo, ktorého učenie bolo založené na kontemplácii a nebolo potvrdené experimentmi.
Galileo v katedrále v Pise
Všetci študenti mali podľa univerzitných pravidiel chodiť do kostola. Galileo, ako veriaci, zdedil od svojho otca ľahostajnosť k cirkevným rituálom a nedalo sa nazvať horlivou modlitbou. Podľa jeho študenta Viviani v roku 1583 Galileo počas služby v Katedrála v Pise, všimol si luster, zavesené zo stropu na tenkých retiazkach. Obsluha, ktorá zapaľovala sviečky v lustroch, ju zrejme tlačila a ťažký luster sa pomaly kýval. Galileo ju začal sledovať: hojdanie lustra sa postupne skracovalo a slablo, no Galileovi sa zdalo, že hoci hojdanie lustra klesalo a utíchlo, čas jedného švihu zostáva nezmenený. Na otestovanie tohto odhadu boli potrebné presné hodiny, ale Galileo nemal hodiny - ešte neboli vynájdené. Mladého muža napadlo použiť namiesto stopiek tlkot srdca. Keď Galileo pocítil na ruke pulzujúcu žilu, počítal údery pulzu a zároveň kolísanie lustra. Tušenie sa zdalo byť potvrdené, no, žiaľ, luster sa prestal kývať a Galileo sa ho počas bohoslužby neodvážil zatlačiť.Galileo vynašiel kyvadlo
návrat domov, Galileo vynaložené experimenty. Naviazal ho na šnúrky a začal hojdať rôzne predmety, ktoré sa mu dostali do ruky: kľúč od dverí, kamienky, prázdny kalamár a iné závažia. Tieto podomácky vyrobené kyvadlá zavesil zo stropu a pozoroval, ako sa hojdajú. Stále počítal čas podľa pulzov. V prvom rade bol Galileo presvedčený, že ľahké predmety sa kývajú rovnako často ako ťažké, ak visia na vláknach rovnakej dĺžky. A Výkyvy závisia len od dĺžky vlákna: čím je niť dlhšia, tým sa kyvadlo kýva menej často a čím kratšie, tým častejšie sa kýva. Frekvencia výkyvu závisí len od dĺžky kyvadla, nie však od jeho hmotnosti. Galileo skrátil vlákno, na ktorom visel prázdny kalamár; prinútil ho hojdať sa v čase s úderom pulzu a na každý úder srdca bol jeden švih kyvadla. Potom zatlačil kalamár, sadol si do kresla a začal počítať pulz, pričom pozoroval kyvadlo. Najprv kalamár, ktorý sa hojdal, robil dosť široké výkyvy a rýchlo lietal zo strany na stranu, a potom sa jeho výkyvy zmenšili a jeho pohyb sa spomalil; Čas jedného švihu sa teda výrazne nezmenil. Veľké aj malé výkyvy kyvadla sa stále zhodovali s údermi pulzu. Potom si však Galileo všimol, že od vzrušenia jeho „stopky“ – srdce – začali biť rýchlejšie a zasahovali do experimentu. Potom začal svoju skúsenosť opakovať mnohokrát za sebou, aby upokojil svoje srdce. Výsledkom týchto experimentov bolo, že Galileo nadobudol presvedčenie, že čas jedného výkyvu sa výrazne nemení - zostáva rovnaký (ak by mal Galileo moderné presné hodiny, mohol si všimnúť, že medzi veľkými a malými výkyvmi je stále malý rozdiel. , ale je veľmi malý a takmer nepolapiteľný).Pulzologický prístroj
Keď Galileo uvažoval o svojom objave, myslel si, že by to mohlo byť užitočné pre lekárov, aby počítali tep chorých ľudí. Mladý vedec prišiel s malým zariadenie, pomenovaný pulzológia. Pulzológia rýchlo vstúpila do lekárskej praxe. Lekár prišiel k pacientovi, jednou rukou nahmatal pulz a druhou rukou utiahol alebo predĺžil kyvadlo svojho prístroja tak, aby sa výkyvy kyvadla zhodovali s údermi pulzu. Potom pomocou dĺžky kyvadla lekár určil frekvenciu srdcového tepu pacienta. Tento príbeh Galileov prvý vedecký objav ukazuje, že Galileo mal všetky kvality skutočného vedca. Vyznačoval sa mimoriadnymi pozorovacími schopnosťami; tisíce, milióny ľudí videli hojdať sa lustre, hojdačky, tesárske olovnice a iné predmety zavesené na šnúrkach, nitiach či reťaziach a len Galileo mohol vidieť to, čo uniklo pozornosti mnohých. Svoj záver otestoval experimentmi a okamžite našiel pre tento objav praktické uplatnenie. Vedec to do konca života dokázal kyvadlo, ktoré vynašiel, by mohlo byť výborným regulátorom hodín. Odvtedy sa kyvadlo používa v nástenných hodinách. Galileo urobil z kyvadlových hodín jeden z najpresnejších mechanizmov.Huygensove hodiny s kyvadlovým regulátorom a vretenovým únikom
Najvýraznejšie vylepšenia hodinového mechanizmu urobil v druhej polovici 17. storočia známy holandský fyzik Huygens, ktorý vytvoril nové regulátory pre pružinové aj váhové hodinky. Vahadlo, ktoré sa predtým používalo niekoľko storočí, malo veľa nevýhod. Je ťažké ho dokonca nazvať regulátorom v správnom zmysle slova. Regulátor predsa musí byť schopný nezávislých kmitov s vlastnou frekvenciou. Vahadlo bolo, všeobecne povedané, iba zotrvačník. Jeho fungovanie ovplyvnilo mnoho vonkajších faktorov, ktoré ovplyvnili presnosť hodiniek. Mechanizmus sa stal oveľa dokonalejším, keď sa ako regulátor použilo kyvadlo.
Prvýkrát prišla myšlienka použiť kyvadlo v najjednoduchších prístrojoch na meranie času k veľkému talianskemu vedcovi Galileovi Galileimu. Existuje legenda, že v roku 1583 si devätnásťročný Galileo v katedrále v Pise všimol hojdanie lustra. Počítajúc údery pulzu si všimol, že čas jedného kmitu lustra zostáva konštantný, hoci kolísanie bolo čoraz menšie. Neskôr, keď Galileo začal seriózne študovať kyvadla, zistil, že pri malom výkyve (amplitúde) výkyvu (len niekoľko stupňov) závisí doba kmitania kyvadla iba od jeho dĺžky a má konštantné trvanie. Takéto oscilácie sa začali nazývať izochrónne. Je veľmi dôležité, že pri izochrónnych kmitoch nezávisí doba kmitania kyvadla od jeho hmotnosti. Vďaka tejto vlastnosti sa kyvadlo ukázalo ako veľmi pohodlné zariadenie na meranie krátkych časových úsekov. Na jej základe vyvinul Galileo niekoľko jednoduchých počítadiel, ktoré využíval pri svojich pokusoch. Ale kvôli postupnému tlmeniu kmitov sa kyvadlo nedalo použiť na meranie dlhých časových úsekov.
Vytvorenie kyvadlových hodín spočívalo v spojení kyvadla so zariadením na udržiavanie jeho kmitov a ich počítanie. Galileo na sklonku života začal takéto hodiny navrhovať, no vývoj ďalej nešiel. Prvé kyvadlové hodiny vytvoril po smrti veľkého vedca jeho syn. Štruktúra týchto hodiniek však bola prísne tajná, takže na vývoj technológie nemali žiaden vplyv. Nezávisle od Galilea zostavil Huygens v roku 1657 mechanické hodiny s kyvadlom. Pri výmene vahadla za kyvadlo stáli prví konštruktéri pred zložitým problémom: ako už bolo spomenuté, kyvadlo vytvára izochrónne kmity len s malou amplitúdou, zatiaľ čo únik vretena si vyžadoval veľký výkyv. V prvých Huygensových hodinách dosahoval výkyv kyvadla 40-50 stupňov, čo nepriaznivo ovplyvňovalo presnosť pohybu. Aby Huygens vykompenzoval tento nedostatok, musel ukázať zázraky vynaliezavosti. Nakoniec vytvoril špeciálne kyvadlo, ktoré ako sa kývalo, menilo svoju dĺžku a oscilovalo po cykloidnej krivke. Huygensove hodiny mali neporovnateľne väčšiu presnosť ako hodiny s
rocker. Ich denná chyba nepresiahla 10 sekúnd (v hodinkách s kolískovým regulátorom sa chyba pohybovala od 15 do 60 minút).
Už v roku 1530 sa uskutočnili pokusy o vytvorenie mechanických hodiniek. Na tejto ceste však bolo potrebné prekonať veľa ťažkostí. Hodiny, ktoré v tom čase existovali, nedokázali ukazovať presný čas. V roku 1581 Galileo Galilei zistil, že doba oscilácie kyvadla s malým výkyvom nezávisí od amplitúdy tohto výkyvu. V roku 1636 skonštruoval zariadenie, ktoré využívalo vlastnosť kyvadla – merač času. V podstate to boli hodiny s kyvadlom. V roku 1641 podľa Galileovho študenta V. Vivianiho (Galileo) „prišlo na um, že k hodinám so závažiami a pružinou možno pridať kyvadlo“.
Galileo povedal tieto plány svojmu synovi Vincenzovi. Otec a syn sa rozhodli zostrojiť mechanizmus s dômyselným únikovým zariadením (tzv. „hákový únik“). Takéto hodinky skutočne skonštruoval Viviani, ktorý zanechal nákres týchto hodiniek.
Christian Huygens zasvätil asi dvadsať rokov svojho života práci na kyvadlových hodinách a snažil sa ich prispôsobiť podmienkam na mori. Doplnil ich mnohými významnými zariadeniami a vytvoril aj niekoľko hodiniek so zvýšenou presnosťou. V roku 1657 Huygens oznámil vytvorenie kyvadlových hodín. Tieto hodiny išli rovnako dobre ako Galileove hodiny, no závažie nahradila pružina s váhou. Sám Huygens povedal, že jeho cieľom bolo vytvoriť hodinky, pomocou ktorých by bolo možné určiť zemepisnú dĺžku na mori. Nepodarilo sa mu však dosiahnuť svoj hlavný cieľ – aby sa kyvadlo správne rozkývalo, keď bola loď na otvorenom oceáne.
Sľubnejšie boli hodiny s vláskom a regulátorom rovnováhy, ktoré vynašiel okolo roku 1658 Angličan Hooke pre navigáciu. Keďže problém presného určenia zemepisnej dĺžky bol pre navigátorov čoraz naliehavejší, vlády a jednotlivci ponúkali odmeny za jeho riešenie. V roku 1714 anglická vláda zaviedla prémiu 10 až 20 tisíc libier šterlingov v závislosti od dosiahnutej presnosti. To všetko, samozrejme, veľmi povzbudilo do ďalšej práce.
Najťažšou úlohou bolo zabezpečiť stálosť hodín pri akejkoľvek teplote – veď od teploty závisela aj veľkosť kovových častí hodín, čo samozrejme ovplyvňovalo ich presnosť. Problém bol vyriešený až v polovici 18. storočia. takmer súčasne Harrison (Anglicko), Le Rossi (Francúzsko) a Berthoud (Švajčiarsko). Cenu od anglickej vlády dostal Harrison, ktorý do roku 1759 vyrobil štyri chronometre (ako sa tieto presné hodinkové strojčeky začali nazývať). Ďalší vývoj mechanizmov hodiniek sa však uskutočnil na základe chronometra Francúza Le Rossiho, ktorý vyrobil v roku 1766.
Nádherným príkladom z histórie aplikácie fyzikálnych objavov je história hodiniek.
V roku 1583 si devätnásťročný študent Galileo Galilei pri pozorovaní kmitov lustra v katedrále všimol, že časový úsek, počas ktorého došlo k jednému kmitu, bol takmer nezávislý od amplitúdy kmitov. Na meranie času mladý Galileo používal svoj pulz, pretože ešte neexistovali presné hodiny. Takto urobil Galileo svoj prvý objav. Následne sa z neho stal veľký vedec (jeho meno uvidíme na stránkach tejto učebnice viackrát).
Tento objav Galilea využil v 17. storočí holandský fyzik Christiaan Huygens (o jeho objavoch sa dozvieme na strednej škole, keď budeme študovať svetelné javy). Huygens navrhol prvé kyvadlové hodiny: v nich sa čas meria počtom kmitov závažia zaveseného na tyči. Kyvadlové hodiny boli oveľa presnejšie ako ich predchodcovia - pieskové, vodné a slnečné hodiny: zaostávali alebo sa ponáhľali len o 1-2 minúty denne. A dnes v niektorých domoch ešte stále môžete vidieť kyvadlové hodiny (obr. 2.4, a): pravidelne tikajú a menia sekundy budúcnosti na sekundy minulosti.
Ryža. 2.4. Prvé presné hodiny boli kyvadlové, ale boli dosť ťažkopádne. Jarné hodinky sú oveľa pohodlnejšie - dajú sa nosiť na ruke (b). Najbežnejšie sú dnes quartzové hodinky (c)
Kyvadlové hodiny sú však dosť objemné: dajú sa položiť na podlahu alebo zavesiť na stenu, ale nedajú sa vložiť do vrecka ani nosiť na ruke. V 17. storočí anglický fyzik Robert Hooke pri štúdiu vlastností pružín objavil zákon, ktorý bol neskôr po ňom pomenovaný (čoskoro sa s týmto zákonom zoznámime). Jeden z dôsledkov Hookovho zákona je podobný objavu mladého Galilea: ukazuje sa, že časový úsek, počas ktorého pružina vykoná jeden kmit, je tiež takmer nezávislý od amplitúdy kmitov. To umožnilo stavbu jarných hodín (18. storočie). Hodinári sa ich naučili robiť také malé, že sa tieto hodinky dali nosiť vo vrecku alebo na ruke (obr. 2.4, b). Presnosť pružinových hodín je približne rovnaká ako kyvadlových hodín, ale pružinové hodiny sa musia navíjať každý deň a okrem toho sa niekedy začnú ponáhľať alebo meškať, alebo sa dokonca úplne zastavia. Koľko ľudí zmeškalo vlak alebo rande len preto, že mali pomalé hodinky alebo ich v ten deň zabudli natiahnuť!
V 20. storočí, po preštudovaní elektrických vlastností kremeňa (bežného minerálu), vedci a inžinieri vytvorili kremenné hodinky - oveľa spoľahlivejšie a presnejšie ako pružinové hodinky. Quartz hodinky nie je potrebné navíjať: sú napájané batériou, ktorá vydrží niekoľko mesiacov či dokonca rokov a ich chyba nie je väčšia ako niekoľko minút ročne. V súčasnosti sú to quartzové hodinky, ktoré sa stali najbežnejšími (obr. 2.4, c).
A najpresnejšie sú dnes atómové hodiny, ktorých činnosť je založená na vibráciách atómov.
Ale doma vo svojej kancelárii, ktorá sa stala prvým fyzikálnym laboratóriom na našej planéte, sa Galileovi podarilo spomaliť svoj pád. Stala sa prístupnou oku aj starostlivému, pokojnému štúdiu.
Na tento účel postavil Galileo dlhú (dvanásť lakťov) naklonenú priekopu. Vnútro bolo čalúnené hladkou kožou. A spustil naň leštené gule zo železa, bronzu a kostí.
Toto som robil napr.
Na guľôčku, ktorá bola v drážke, bola pripevnená niť. Prehodil ho cez blok a na jeho druhý koniec zavesil závažie, ktoré sa dalo vertikálne spustiť alebo zdvihnúť. Závažie bolo stiahnuté dole vlastnou váhou a hore cez závit guľôčkou zo šikmého žľabu. V dôsledku toho sa loptička a závažie pohybovali tak, ako chcel experimentátor - hore alebo dole, rýchlo alebo pomaly, v závislosti od sklonu žľabu, hmotnosti gule a hmotnosti závažia. Lopta a závažie sa tak mohli pohybovať vplyvom gravitácie. A toto bola jeseň. Pravda, nie zadarmo, umelo spomalené.
Po prvé, Galileo našiel zákon pre ustálený stav tohto systému: hmotnosť závažia vynásobená výškou zdvihnutého konca šikmého žľabu sa musí rovnať hmotnosti lopty vynásobenej dĺžkou žľabu. Takto sa objavila podmienka pre rovnováhu sústavy – Galileov zákon naklonenej roviny.
O páde a jeho tajomstvách sa zatiaľ nič nepovedalo.
Nehybnosť nie je ťažké študovať: je konštantná v priebehu času. Prechádzajú sekundy, minúty, hodiny - nič sa nemení.
Váhy a pravítka - to je všetko, čo potrebujete na meranie *.
* (Preto sa od pradávna začala rozvíjať statika, odvetvie fyziky, ktoré sa zaoberá všetkými druhmi nehybnosti: vyvážené váhy, bloky, páky. Všetky tieto veci sú potrebné, porozumieť im je dôležité a užitočné, nie nadarmo im slávny Grék Archimedes venoval veľa času. Dokonca aj v nehybnosti si všimol veľa, čo potrebovali vynálezcovia „možných strojov.“ Aby som však bol vyberavý, toto ešte nebola skutočná fyzika. Bola to len príprava na ňu.Skutočná fyzika sa začala štúdiom pohybov.)
Potom Galileo začal študovať pohyb loptičiek. Tento deň bol narodeninami fyziky (žiaľ, jeho kalendárny dátum nie je známy). Pretože práve vtedy bol časovo premenlivý proces podrobený prvej laboratórnej štúdii. Používali sa nielen pravítka, ale aj hodinky. Galileo sa naučil merať trvanie udalostí, to znamená vykonávať hlavnú operáciu obsiahnutú v akomkoľvek fyzikálnom experimente.
Legenda o Galileových laboratórnych hodinách je poučná. V tom čase nebolo možné kúpiť stopky v obchode. Ešte neboli vynájdené ani chodítka. Galileo sa zo situácie dostal veľmi zvláštnym spôsobom. Počítal čas podľa úderov svojho pulzu, potom, ako uisťujú dlhoroční životopisci, vyrobil dobré laboratórne hodiny z nečakaných komponentov: vedra, váhy a krištáľového pohára. Na dne vedra urobil dieru, cez ktorú tiekol stály prúd vody. Zo slnka si všimol, koľko uncí vody vytieklo za hodinu, a potom vypočítal hmotnosť vody, ktorá vytečie za minútu a za sekundu.
A tu je skúsenosť. Vedec spustí loptičku do žľabu a okamžite umiestni pohár pod prúd. Keď lopta dosiahne vopred určený bod, rýchlo odsunie pohár preč. Čím dlhšie sa guľa kotúľala, tým viac vody prúdilo dovnútra. Ostáva už len položiť na váhu – a čas sa meria. Prečo nie stopky!
"Moje sekundy sú mokré," povedal Galileo, "ale dajú sa odvážiť."
Pri dodržaní elementárnej prísnosti však stojí za zmienku, že tieto hodinky nie sú také jednoduché, ako by sa mohlo zdať. Je nepravdepodobné, že by Galileo zohľadnil pokles tlaku (a teda rýchlosti) vodného prúdu s poklesom hladiny vody vo vedre. Toto je možné zanedbať iba vtedy, ak je vedro veľmi široké a potok úzky. Možno to tak bolo.
