Античная механика

В трактате «Пневматика» (Πνευματικά) Герон описал различные сифоны, хитроумно устроенные сосуды, автоматы, приводимые в движение сжатым воздухом или паром. Это эолипил, представлявший собой первую паровую турбину — шар, вращаемый силой струй водяного пара; автомат для открывания дверей, автомат для продажи «святой» воды, пожарный насос, водяной орган, механический театр марионеток. В книге «Об автоматах» (Αυτόματα) также описаны различные автоматические устройства.

Как известно, в эпоху античности огромное влияние на людей имела  религия. Религий и храмов было много, и каждый ходил общаться с богами туда, куда ему больше нравилось. Поскольку  благосостояние жрецов того или иного  храма прямо зависело от количества прихожан, жрецы старались завлечь  их чем угодно. Тогда-то ими и был  открыт закон, действующий и поныне: ничто не сможет привлечь в храм людей лучше, чем это сделает  чудо. Однако, Зевс спускался с Олимпа не чаще, чем с неба сыпалась манна небесная. А прихожан надо было завлекать в храм ежедневно. Для создания божественных чудес жрецам пришлось воспользоваться умом и научными знаниями Герона. Одним из наиболее впечатляющих чудес стал разработанный им механизм, который открывал двери в храм при разжигании огня на алтаре. Нагретый от огня воздух поступал в сосуд с водой и выдавливал определенное количество воды в подвешенную на канате бочку. Бочка, наполняясь водой, опускалась вниз и с помощью каната вращала цилиндры, которые приводили в движение поворотные двери. Двери раскрывались. Когда огонь гас, вода из бочки переливалась обратно в сосуд, а подвешенный на канате противовес, вращая цилиндры, закрывал двери. Довольно простой механизм, а зато какой психологический эффект на прихожан!

Большинство трудов Герона представлено в виде комментариев и записок  к учебным курсам по различным  учебным дисциплинам. К сожалению, подлинники этих трудов не сохранились, возможно, они погибли в пламени  пожара, охватившем Александрийскую  библиотеку в 273 году н.э., а возможно были уничтожены в 391 году н.э. христианами, в порыве религиозного фанатизма  крушившими все, что напоминало о  языческой культуре. До наших времен дошли лишь переписанные копии трудов Герона выполненные его учениками и последователями. Часть из них на греческом, а часть на арабском языке. Существуют и переводы на латынь, выполненные в XVI веке.

В средние века многие из его изобретений  были отвергнуты, забыты или не представляли практического интереса.

2. Средневековье и Возрождение.

2.1 Восточная механика.

Даже самые светлые  в мире умы 
Не смогли разогнать окружающей тьмы. 
Рассказали нам несколько сказочек на ночь 
И отправились, мудрые, спать, как и мы. Омар Хаям

Под средневековьем обычно понимают период от заката античной культуры (в V веке) до эпохи Возрождения, что  составляет около 10 столетий. В истории  Европы этот период называют не иначе  как "мрачный", имея при этом в  виду общий упадок цивилизации, крушение Римской империи, нашествие варваров, проникновение религии во все  сферы духовной культуры. Как следствие  наблюдается потеря языческих (античных)  знаний. В то же  время происходит освоение античного знания мусульманской  наукой. Стоит выделить таких выдающих мусульманских ученых как Сабит ибн Курра, ар-Рази, ал-Хазини, ал-Бируни и конечно же Омара Хайяма.

Абу-л-Хасан Сабит ибн Курра ал-Харрани ас-Саби (836 г. н.э. — Багдад, 18 февраля 901 г. н.э.) — астроном, математик и врач IX века. В русской литературе также упоминается как Сабит ибн Корра или Табит ибн Курра. В настоящее время известны рукописи 44 трактатов Сабита по математике, механике, физике, астрономии, географии, теории музыки и философии. Кроме того, известны рукописи 17 трактатов Сабита по медицине и ветеринарии. Большой заслугой Сабита стали его переводы с греческого сочинений Архимеда, Аполлония, Евклида, Птолемея и других античных авторов. Трактаты Архимеда «О шаре и цилиндре», «О построении круга, разделённого на семь частей», «Книга о касающихся кругах», а также V—VII книги «Конических сечений» Аполлония известны нам только в переводе Сабита. Содержание «Книги о карастуне» Сабита ибн Курра можно довольно четко разделить на две части. Первая, восходящая к аристотелевской традиции и «Механическим проблемам» Псевдо-Аристотеля, тяготеет к динамическому направлению статики. Вторая часть основана на евклидовой теории отношений и архимедовской традиции геометрической статики.

Абу Мансур Абд ар-Рахман ал Хазини  – арабский (персидский) физик, математик и астроном. Биографических сведений о нём не сохранилось. Известно лишь, что Хазини был учеником Омара Хайяма и работал в Мерве при дворе султана Санджара; примерное время активной деятельности – между 1115 и 1130 гг. Наиболее известное сочинение ал-Хазини – книга «Весы мудростей» (Kitab Mizan al-Hikma), законченная в 1121 г. и посвящённая статике и теории весов. В трактате приведены результаты определений плотностей некоторых веществ с помощью гидростатических весов. По данным ал-Хазини, золото имеет плотность 19,05 (по современным данным – 19,25), ртуть – 13,56 (совр. – 13,59), серебро – 10,43 (совр. – 10, 428). Со столь же высокой точностью им была найдена плотность некоторых других веществ. Результаты ал-Хазини считаются одним из важнейших экспериментальных достижений мусульманской физики.

Абу Рейхан Мухаммеед ибн Ахмед аль-Бируни ( 4 сентября 973г. н.э - 9 декабря 1048г. н.э) - выдающийся учёный из Хорезма, автор многочисленных капитальных трудов по истории, географии, филологии, астрономии, математике, геодезии, минералогии, фармакологии, геологии. Аль-Бируни получил широкое математическое и философское образование. Его учителем в древней столице хорезмшахов Кяте был выдающийся математик и астроном Ибн Ирак. О периоде обучения аль-Бируни сегодня известно не так много, но существуют факты того, что в 22 года он сконструировал свой первый глобус, и уже высказал мысль о вращении Земли вокруг Солнца, а также гипотезу об удаленных от него звездах. Произведя довольно точные астрономические и геодезические измерения, ученый установил угол наклона эклиптики к экватору и исторический ход его изменения, описал изменение окраски Луны при затмениях лунных и солнечную корону при солнечных. аль-Бируни высказывал идею о существовании сил тяготения, разработал ряд оригинальных математических методов и доказательств, в том числе тригонометрический метод определения географических долгот, близкий к современным геодезическим методам. В его «Книге сводок для познания драгоценностей», чрезвычайно точно определена плотность многих минералов и даны подробные сведения о более чем пятидесяти минералах, рудах, металлах и сплавах. Состоял при дворе эмира Махмуда Газневи,  был любимым учителем его сына и наследника Масуда. После поездки в завоеванную Махмудом Индию написал книгу «Индия», благодаря которой ближневосточные математики стали использовать индийские цифры – сегодня мы называем их арабскими.

В IX–XI веках Европа отставала от мусульманского Востока на несколько  столетий, на мусульманском Востоке  возникла целая плеяда крупных ученых-естествоиспытателей, чья деятельность дала толчок развитию точных и гуманитарных наук. При  всей несхожести их личных судеб существует немало общих черт, позволяющих говорить о них как о людях принципиально  нового типа — исламских предшественниках деятелей европейского Возрождения, которые  явятся миру несколько веков спустя.

2.2 Европейская механика  в эпоху Позднего Средневековья  и Возрождения. 

«Это был величайший прогрессивный переворот из всех пережитых до того времени человечеством, эпоха, которая нуждалась в титанах  и породила титанов по силе мысли, страсти и характеру, по многосторонности и учёности...». Фридрих Энгельс.

Контакты с арабами и расцвет экономической деятельности в второй половине XI-XII вв. привели к интеллектуальному пробуждению в Испании, Лотарингии, Франции, Шотландии. В Италии были созданы первые учреждения, служащие для распространения и расширения знаний,— университеты. В 1100 г. университет в Болонье уже достиг славы. К этому времени приобрел известность и Парижский университет.

По образцу университетов Парижа и Болоньи были созданы университеты в Падуе (1222 г.), Оксфорде (1229 г.), Кембридже, Неаполе, Риме и т. д. Примерно между 1125 и 1280 гг. в Испании и Италии были переведены труды Аристотеля, Евклида и Птолемея, одностороннее  изучение которых привело к развитию схоластики. В это время труды  Архимеда и Герона еще не были известны, так что все изучение механики было основано на трудах Аристотеля и "Проблемах механики", которые  также приписывались Аристотелю.

Следует признать, что влияние этого  периода на последующих физиков  все еще спорно и, во всяком случае, его вклад в современную физику весьма незначителен.

Первый существенный успех связан с именем Иордана Неморария, о личности которого почти ничего не известно: мы не знаем ни его национальности, ни даже времени жизни (обычно его относят к периоду между XI и ХШ веками). В библиотеках Франции были найдены различные труды по статике, приписываемые Иордану, для которых характерно систематическое применение понятия gravitas secundum situm, т. е. изменения силы тяжести тела в зависимости от его положения. Иными словами, Иордан заметил, что сила, с которой тело давит на горизонтальную плоскость, на которую оно опирается, уменьшается, если эту плоскость наклонить, и чем больше она наклонена, тем эта сила меньше. Здесь впервые появляется понятие о составляющей силы тяжести тела в определенном направлении. Этот принцип приводит Иордана к принципу виртуальных работ, который сформулирован в таком виде; если определенный груз может быть поднят на определенную высоту, то груз, в k раз больший, можно поднять на высоту, в k раз меньшую.

Другой Иордан, быть может ученик первого, ввел понятие статического момента, которое было еще у Архимеда, и рассмотрел его применение к  равновесию коленчатого рычага и  к наклонной плоскости. Заметим, что в изданной в 1565 г. брошюре  Тартальи этому второму Иордану  приписывается установление точного  условия равновесия тела, опирающегося на наклонную плоскость. Интересно, что Тарталья привел это положение  как свое собственное в 1546 г. в  труде "Проблемы и различные изобретения".

В XIII веке начались особенно усиленные  продолжавшиеся в течение всего  последующего XIV века долгие и скучные  схоластические споры о физике Аристотеля и о критических замечаниях Филопона, а именно теории импетуса, согласно которой причиной движения брошенных тел является некоторая сила (импетус), вложенная в них внешним источником. Главными действующими лицами здесь были Альберт Великий (1206—1280), Фома Аквинский (1226—1274), Уильям Оккам (1280—1347), Иоанн Буридан (1297—1358). Ценность их трудов прежде всего в том, что они широко распространили аристотелеву физику со всеми ее достоинствами и недостатками.

Изначально теория импетуса развивалась в контексте комментирования произведений Аристотеля или даже теологических трактатов, и только в конце XVI - начале XVII вв. были написаны сочинения, содержащие попытки построения на её основе последовательной физической теории (Джамбатистой Бенедетти, Галилео Галилеем). Последовательной теории импетуса так и не было создано.

Большие разногласия всегда вызывал  вопрос о том, исчерпывается ли импетус в ходе движения тела самопроизвольно или только благодаря сопротивлению внешних факторов (трению о воздух, действию гравитации). В пользу самоисчерпывания импетуса высказывались Филопон, ал-Багдади, Франческо из Марча, Николай Орем, в пользу исчезновения импетуса из-за сопротивления внешних факторов — Авиценна, Жан Буридан, Альберт Саксонский.

Уже в начале XX века Пьером Дюгемом было высказано мнение, что теория импетуса является непосредственным предшественником, своеобразной средневековой оболочкой современных представлений об инерции, а сам импетус — аналогом импульса. Действительно, в некоторых версиях этой теории сообщённый телу импетус считался изменяющимся только из-за воздействий внешнего окружения и вычислялся по той же формуле, что и импульс в классической механике (таковы были версии Авиценны и Буридана).

Из фактов, представляющих особый физический интерес, отметим, что Альберт  Саксонский, преподававший в Сорбонне с 1350 по 1361 г., предпринял попытку классифицировать движения, различая движения поступательное и вращательное (для последнего дано точное определение угловой скорости), равномерное и переменное. В его  время и с его участием было создано понятие движения uniformiter difformis, или, как мы его теперь называем, равномерно-переменного движения.

Наибольший вклад в изучение равномерно-переменного движения в  период средневековья внес Никола Орем (ок. 1328—1388). Применив впервые в истории науки графическое представление движения, соответствующее современному методу координат, он установил закон, используемый, и сейчас и связывающий для равномерно-переменного движения пройденный движущимся телом путь со временем, затраченным на его прохождение.

Одновременно с Парижской школой развертывалась деятельность в. Оксфорде, где, по-видимому, Уильям Гейтсбери (начало XIV века) ввел понятие ускорения, а Уильям Коллингем сформулировал общий закон нечетных чисел, характеризующий равномерно-переменное движение.

Позднейшим последователем Оксфордской  школы был Доменико Сото (1494—1560), который в комментарии к Аристотелю без какого-либо обоснования принимает, что движение падающего тела является равномерно-переменным, и дает для пройденного падающим телом пути закон, совпадающий с современным.