Чи часто замислюються люди над питанням, коли і хто винайшов маятник, спостерігаючи за коливанням маятника в годиннику? Цим винахідником був Галілео. Після розмов з батьком, (докладніше: ) Галілей повернувся до університету, але вже не на медичний факультет, а на філософський, де викладали математику та фізику. На той час ці науки ще відділялися від філософії. На філософському факультеті Галілей вирішив терпляче вивчити, вчення якого ґрунтувалося на спогляданні та не підтверджувалося дослідами.
Галілей у Пізанському соборі
Всім студентам, за університетськими правилами, потрібно було відвідувати церкву. Галілео, будучи віруючою людиною, успадкував від батька байдужість до церковних обрядів, і ревним молителем назвати його не можна було. Як повідомляє його учень Вівіані, у 1583 році Галілей, перебуваючи під час богослужіння в Пізанському соборі, звернув увагу на люструпідвішені до стелі на тонких ланцюжках. Служителі, що запалювали свічки в люстрах, мабуть, штовхнули її, і важка люстра повільно розгойдувалася. Галілей став спостерігати за нею: розмахи люстри поступово коротшали, слабшали, але Галілею здалося, що, хоча розмахи люстри зменшуються і затихають, час одного хитання залишається незмінним. Щоб перевірити цей здогад, потрібен був точний годинник, а годинника Галілей не мав - його тоді ще не винайшли. Хлопець здогадався використати замість секундоміра биття свого серця. Намацавши на руці пульсуючу жилку, Галілей вважав удари пульсу і одночасно хитання люстри. Здогад начебто підтверджувався, але люстра, на жаль, перестала гойдатися, а підштовхнути її під час богослужіння Галілей не наважився.Винайшов маятник Галілей
Повернувшись додому, Галілейпровів досліди. Він прив'язав на нитки і почав розгойдувати різні предмети, що потрапили йому під руку: ключ від дверей, камінчики, порожню чорнильницю та інші грузики. Ці саморобні маятники він підвісив до стелі і дивився, як вони гойдаються. Відлік часу він, як і раніше, вів по ударах пульсу. Насамперед Галілей переконався, що легкі предмети гойдаються так само часто, як і важкі, якщо вони висять на нитках однакової довжини. А залежать гойдання лише від довжини нитки: чим нитка довша, тим рідше хитається маятник, а чим коротше, тим хитання частіше. Частота коливань залежить тільки від довжини маятника, але аж ніяк не від його ваги. Галілей укоротив нитку, на якій висіла порожня чорнильниця; зробив так, щоб вона гойдалася в такт биття пульсу і на кожен удар серця доводилося одне хитання маятника. Потім він підштовхнув чорнильницю, а сам сів у крісло і почав рахувати пульс, спостерігаючи за маятником. Спочатку чорнильниця, розгойдуючись, робила досить широкі розмахи і швидко літала з боку на бік, та був її розмахи ставали дедалі менше, а рух повільніше; таким чином, час одного гойдання помітним чином не змінювалося. І великі та малі розмахи маятника однаково збігалися з ударами пульсу. Але тут Галілей зауважив, що від хвилювання його «секундомір» – серце – почав битися швидше та заважати досвіду. Тоді він почав повторювати свій досвід багато разів поспіль, щоб заспокоїти серце. В результаті цих дослідів Галілей переконався, що час одного гойдання помітним чином не змінюється - воно залишається однаковим (якби у Галілея був сучасний точний годинник, він міг би помітити, що невелика різниця між великими і маленькими гойданнями все ж таки є, але вона дуже мала і майже невловима).Прилад пульсологій
Розмірковуючи про своє відкриття, Галілей подумав, що воно може стати в нагоді лікарям, щоб вважати пульс у хворих людей. Молодий учений вигадав невеликий приладчик, названий пульсологією. Пульсологія швидко увійшла до лікарської практики. Лікар приходив до хворого, однією рукою мацав пульс, а іншою підтягував чи подовжував маятник свого приладу так, щоб коливання маятника збігалися з ударами пульсу. Потім за довжиною маятника лікар визначав частоту биття серця хворого. Ця історія першого наукового відкриття Галілеяпоказує, що Галілей мав усі якості справжнього вченого. Він вирізнявся неабиякою спостережливістю; тисячі, мільйони людей бачили, як розгойдуються люстри, гойдалки, теслярські схилі та інші предмети, підвішені на шнурках, нитках чи ланцюжках, і лише Галілей зумів побачити те, що вислизало від уваги багатьох. Він перевірив свій висновок дослідами і зараз же знайшов практичне застосування цього відкриття. До кінця свого життя вчений довів, що винайдений ним маятник може стати чудовим регулятором для годинника. З того часу маятник служить у стінному годиннику. Галілей зробив годинник із маятником одним із найточніших механізмів.Годинник Гюйгенса з маятниковим регулятором та шпиндельним спуском
Найзначніші вдосконалення в механізм годинника були внесені в другій половині 17 століття знаменитим голландським фізиком Гюйгенсом, який створив нові регулятори як для пружинного так і для гирьового годинника. Коромисло, що використовувалося до цього протягом кількох століть, мало багато недоліків. Його навіть важко назвати регулятором у власному значенні цього слова. Адже регулятор має бути здатним до самостійних коливань із власною частотою. Коромисло ж було, власне кажучи, лише маховиком. Безліч сторонніх чинників впливало його роботу, що відбивалося на точності ходу годин. Механізм став набагато досконалішим, коли як регулятор став використовуватися маятник.
Вперше думка застосувати маятник у найпростіших приладах для виміру часу прийшла великому італійському вченому Галілео Галілею. Збереглося переказ, що у 1583 р. дев'ятнадцятирічний Галілей, перебуваючи у Пізанському соборі, звернув увагу розгойдування люстри. Він помітив, відраховуючи удари пульсу, що час одного коливання люстри залишається постійним, хоча розмах робиться дедалі менше. Пізніше, приступивши до серйозного вивчення маятників, Галілей встановив, що з малому розмаху (амплітуді) розгойдування (всього кілька градусів) період коливання маятника залежить тільки від його довжини і має тривалу. Такі коливання почали називати ізохронними. Дуже важливо, що при ізохронних коливаннях період коливання маятника залежить від його маси. Завдяки цій властивості маятник виявився дуже зручним приладом для виміру невеликих відрізків часу. На його основі Галілей розробив кілька простих лічильників, які використав під час проведення своїх експериментів. Але через поступове згасання коливань, маятник було служити виміру тривалих проміжків часу.
Створення маятникового годинника полягало в з'єднанні маятника з пристроєм для підтримки його коливань та їхнього відліку. Наприкінці життя Галілей став конструювати такий годинник, але далі за розробки справа не пішла. Перший маятниковий годинник був створений вже після смерті великого вченого його сином. Однак пристрій цього годинника тримався в суворому секреті, тому вони не вплинули на розвиток техніки. Незалежно від Галілея в 1657 р. механічний годинник з маятником зібрав Гюйгенс. При заміні коромисла на маятник перші конструктори зіштовхнулися зі складною проблемою: як мовилося раніше, маятник створює ізохронні коливання лише за малої амплітуді, тим часом, шпиндельний спуск вимагав великого розмаху. У першому годиннику Гюйгенса розмах маятника досягав 40-50 градусів, що несприятливо позначалося на точності ходу. Щоб компенсувати цей недолік, Гюйгенсу довелося виявити чудеса винахідливості. Зрештою, він створив особливий маятник, який у ході хитання змінював свою довжину і коливався по циклоїдній кривій. Годинник Гюйгенса мав незрівнянно більшу точність, ніж годинник з
коромислом. Їхня добова похибка не перевищувала 10 секунд (у годиннику з коромисловим регулятором похибка коливалася від 15 до 60 хвилин).
Вже 1530 р. робилися спроби створення механічного годинника. Але на цьому шляху потрібно подолати багато труднощів. Часи, що існували на той час, не могли показувати точний час. У 1581 р. Галілео Галілей відкрив, що період коливань маятника з невеликим розмахом залежить від амплітуди цього розмаху. У 1636 р. він сконструював прилад, у якому використовувалося властивість маятника, – вимірювач часу. По суті, це був годинник із маятником. У 1641 р., за словами учня Галілея В. Вівіані, йому (Галилею) «прийшло на думку, що можна додати маятник до годинника з гирями та з пружиною».
Ці плани Галілей розповів своєму синові Вінченцо. Батько та син вирішили побудувати механізм із дотепним пристроєм годинникового спуску (так званий «гачковий спуск»). Такий годинник насправді вдалося сконструювати Вівіані, який залишив малюнок цього годинника.
Близько двадцяти років життя присвятив роботі над маятниковим годинником Християн Гюйгенс, намагаючись пристосувати їх до умов мореплавання. Він доповнив їх багатьма суттєвими пристосуваннями, а також створив кілька годин підвищеної точності. У 1657 р. Гюйгенс повідомив про створення ним маятниковий годинник. Цей годинник ішов так само добре, як і годинник Галілея, але гиря була замінена пружиною з балансом. Сам Гюйгенс говорив, що ставить за мету створити годинник, за допомогою якого можна буде визначати довготу на морі. Проте йому не вдалося досягти основної мети - змусити маятник правильно хитатися за умов знаходження судна у відкритому океані.
Більш перспективним виявився годинник з волоском і балансовим регулятором ходу, винайдений близько 1658 р. англійцем Гуком для навігації. Оскільки проблема точного визначення довготи ставала для мореплавців дедалі насущнішою, уряди різних країн та окремі особи пропонували нагороди за її вирішення. У 1714 р. англійський уряд встановив премію від 10 до 20 тисяч фунтів стерлінгів, залежно від досягнутої точності. Все це, звичайно, заохочувало подальшу роботу.
Найважчим завданням виявилося забезпечення сталості ходу годинника при будь-якій температурі - адже розмір металевих деталей годинника залежав від температури, що, звичайно, позначалося на їх точності. Проблема була вирішена лише до середини XVIII ст. майже одночасно Гаррісоном (Англія), Ле Росі (Франція) і Бертудом (Швейцарія). Нагороду англійського уряду отримав Гаррісон, який до 1759 р. зробив чотири хронометри (так стали називати ці точні годинні механізми). Проте подальші розробки годинникових механізмів проводилися на основі хронометра француза Ле Росі, зробленого ним в 1766 році.
Чудовий приклад з історії застосування фізичних відкриттів – історія годинника.
1583 року дев'ятнадцятирічний студент Галілео Галілей, спостерігаючи за коливаннями люстри в соборі, зауважив, що проміжок часу, протягом якого відбувається одне коливання, майже не залежить від розмаху коливань. Для виміру часу юний Галілей використовував свій пульс, тому що точного годинника тоді ще не було. Так Галілей зробив своє перше відкриття. Згодом він став великим науковцем (його ім'я ми неодноразово зустрінемо на сторінках цього підручника).
Це відкриття Галілея використав у 17-му столітті голландський фізик Християн Гюйгенс (про його відкриття дізнаємося у старших класах, коли вивчатимемо світлові явища). Гюйгенс сконструював перший маятниковий годинник: у них час вимірюється числом коливань вантажу, підвішеного на стрижні. Маятниковий годинник був набагато точніший за своїх попередників - пісочного, водяного і сонячного годинника: вони відставали або поспішали всього на 1-2 хвилини на добу. І сьогодні ще в деяких будинках можна побачити маятниковий годинник (рис. 2.4, а): вони мірно цокають, перетворюючи секунди майбутнього на секунди минулого.
Мал. 2.4. Першим точним годинником був маятниковий годинник, але він був досить громіздким (а). Набагато зручніший пружинний годинник - його можна носити на руці (б). Найпоширенішим сьогодні є кварцовий годинник (в)
Однак маятниковий годинник досить громіздкий: його можна поставити на підлогу або повісити на стіну, але не можна покласти в кишеню або носити на руці. У 17-му столітті англійський фізик Роберт Гук, вивчаючи властивості пружин, відкрив закон, названий згодом його ім'ям (ми незабаром познайомимося із цим законом). Один із наслідків закону Гука схожий на відкриття юного Галілея: виявляється, проміжок часу, протягом якого пружина здійснює одне коливання, також майже не залежить від розмаху коливань. Це дозволило сконструювати пружинний годинник (18 століття). Майстри-годинники навчилися робити їх такими маленькими, що цей годинник можна було носити в кишені або на руці (рис. 2.4, б). Точність ходу пружинного годинника приблизно така ж, як маятникового, але пружинний годинник треба заводити кожен день, і до того ж вони іноді починають сильно поспішати або відставати, а то й зовсім зупиняються. Скільки людей спізнилися на поїзд або на побачення тільки через те, що їх годинник відстав або їх забув у цей день завести!
У 20-му столітті, вивчивши електричні властивості кварцу (поширеного мінералу), вчені та інженери створили кварцовий годинник - набагато надійніший і точніший, ніж пружинний. Кварцовий годинник не треба заводити: він працює від батарейки, якої вистачає на кілька місяців і навіть років, а похибка їх ходу становить не більше кількох хвилин за рік. У наші дні саме кварцовий годинник став найбільш поширеним (рис. 2.4, в).
А найточнішими сьогодні є атомний годинник, дія якого заснована на коливаннях атомів.
Зате вдома в робочому кабінеті, який став першою на нашій планеті фізичною лабораторією, Галілей примудрився сповільнити падіння. Воно стало доступним і погляду і ретельному, неквапливому вивченню.
Задля цього Галілей збудував довгий (в дванадцять ліктів) похилий жолоб. Зсередини оббив його гладкою шкірою. І спускав по ньому відшліфовані кулі із заліза, бронзи, кістки.
Робив, наприклад, так.
До кулі, що знаходилася в жолобі, прикріплював нитку. Перекидав її через блок, а до іншого її кінця підвішував гирю, яка могла опускатися або підніматися прямовисно. Гірю тягла вниз її власна вага, а вгору, через нитку, - кулька з похилого жолоба. В результаті кулька і гиря рухалися так, як хотів експериментатор - вгору чи вниз, швидко чи повільно, дивлячись по нахилу жолоба, вазі кульки та вазі гирі. Кулька і гиря могли таким чином переміщатися під дією сили тяжіння. А це й було падіння. Щоправда, не вільне, штучно сповільнене.
Спочатку Галілей знайшов закон стійкого стану цієї системи: вага гирі, помножена на висоту піднятого кінця похилого жолоба, повинна дорівнювати вазі кульки, помноженій на довжину жолоба. Так виникла умова рівноваги системи - галілеївський закон похилої площини.
Про падіння та його секрети ще нічого не було сказано.
Нерухомість вивчати неважко: вона постійна у часі. Минають секунди, хвилини, годинник – ніщо не змінюється.
Терези та лінійки - ось і все, що потрібно для вимірювань * .
* (Тому з давніх-давен почала розвиватися статика-область фізики, що займається всякого роду нерухомостями: врівноваженими вагами, блоками, важелями. Всі ці речі потрібні, розуміти їх важливо і корисно, недаремно їм присвятив багато часу славетний грек Архімед. Навіть у нерухомості він помітив багато, що необхідно винахідникам "можливих машин". Проте, якщо бути прискіпливим, це ще не була справжня фізика. Це була тільки підготовка до неї. Справжня фізика почалася з вивчення рухів.)
Потім Галілей почав вивчати рух куль. Цей день і був днем народження фізики (на жаль, календарна дата його невідома). Тому що саме тоді зазнав першого лабораторного дослідження процес, що змінюється у часі. Пішли в хід не лише лінійки, а й годинники. Галілей навчився відмірювати тривалість подій, тобто виконувати головну операцію, властиву будь-якому фізичному експерименту.
Повчальна легенда про лабораторний годинник Галілея. Тоді не можна було купити в магазині секундомір. Навіть ходиків ще не винайшли. Галілей вийшов зі становища зовсім особливим чином. Він відраховував час ударами свого пульсу, потім, як запевняють давні біографи, влаштував непоганий лабораторний годинник з несподіваних складових частин: цебра, терезів і кришталевого келиха. У дні відра проробив дірочку, через яку текла рівна цівка води. По сонцю помічав, скільки унцій води випливало за годину, а потім вираховував вагу води, яка витікає за хвилину та за секунду.
І ось досвід. Вчений опускає в жолоб кулю і відразу підставляє під цівку келих. Коли куля досягає наперед наміченої точки, швидко відсуває келих. Чим довше котилася куля, тим більше натекло води. Її залишається поставити на ваги – і час виміряно. Чим не секундомір!
"Мої секунди мокрі, - говорив Галілей, - але їх можна зважувати".
Дотримуючись елементарної суворості, варто, втім, помітити, що цей годинник не такий простий, як може здатися. Навряд чи Галілей враховував зменшення тиску (а отже, і швидкості) водяного струменя зі зниженням рівня води у відрі. Цим можна знехтувати, тільки якщо цебро дуже широке, а струмок - вузька. Можливо, так воно й було.
