Гидростатика и пневматика. Торричелли. Паскаль. Герике. Бойль
Еще в эпоху Возрождения обострился старый спор вокруг аристотелевой концепции пустоты. Многие физические явления, такие как действие водоподъемных насосов, медицинских банок, пипеток, объяснялись сторонниками Аристотеля «боязнью пустоты», тем, что вакуума не должно быть, поэтому и возникает всасывание, действующее как притяжение. В середине XVII в. значимые с точки зрения становления опытного естествознания эксперименты проводились над «пустотой» и привели к развитию гидростатики и пневматики, открытию газовых законов, измерению атмосферного давления, изобретению и совершенствованию воздушных (вакуумных) насосов. В последние месяцы жизни Галилея его помощником по проведению опытов по механике был Эванджелиста Торричелли (1608—1647). Торричелли родился в небольшом итальянском городке Фаэнца в небогатой семье. Учился и воспитывался в иезуитском колледже. Математические способно- 4 В. Соломатин 97 Раздел I. История науки в доклассический период сти Торричелли не остались без внимания, и он был направлен для продолжения образования в Рим к известному математику аббату Кастелли — ученику Галилея. Кастелли сделал Торричелли своим секретарем, затем рекомендовал его Галилею. После смерти Галилея Торричелли был назначен на ставшую вакантной должность придворного математика. Научные интересы Торричелли были сосредоточены в области механики и оптики, но его имя стало бессмертным в связи с опытом по измерению атмосферного давления и образованию «торричеллиевой пустоты». Опыт со стеклянной трубкой, запаянной с одного конца, наполненной ртутью, а затем опущенной в чаш- ^|( и| ( к ыста т ку с ртутью, был проведен в 1644 г. Торричелли пришел к выводу, что сила, удерживающая ртуть, «происходит извне». Столб ртути, по Торричелли, уравновешивает тяжесть внешнего воздуха. «В такой же трубке, но значительно более длинной, вода поднимается на высоту 18 локтей, то есть во столько раз выше ртути, во сколько раз ртуть тяжелее воды...». Для доказательства того, что пространство в трубке над ртутью остается пустым, Торричелли впускал в это пространство воду, которая под большим напором врывалась в него и целиком заполняла. Опыт Торричелли положил начало целому ряду исследований по гидростатике и пневмати- Блез Паскаль ке. Важнейшее значение в этих областях имеет закон, открытый выдающимся французским ученым Блезом Паскалем (1623— 1662), закон, носящий его имя. Блез Паскаль родился в Клермон-Ферране в семье юриста. Математические способности Паскаля проявились очень рано. Шестнадцатилетний Паскаль был представлен кардиналу Ришелье как «великий математик». Работы Паскаля в области математики посвящены теории чисел, методам решения задач по вычислению площадей фигур, объемов тел, нахождению центров тяжести, длин кривых. По признанию Лейбница, исследования Паскаля, касающиеся циклоиды, были полезны ему при разработке интегрального и дифференциального исчисления. Паскаль одним из первых начал разработку области математики, ставшую впоследствии теорией вероятностей. В круг проблем, связанных с понятием вероятности, Паскаль вошел, изучая комбинации, возникающие в азартных играх. Сохранилась переписка Паскаля и Ферма на эту тему. Блез Паскаль в начале своей научной карьеры был сторонником «боязни пустоты». Узнав об опытах Торричелли, повторил эти опыты, используя вместо ртути воду и вино, меняя форму трубок. Свои первые эксперимен- 98 5. Начало эпохи науки ты Паскаль описал в небольшом сочинении «Новые опыты, касающиеся пустоты» (1647 г.), однако идея существования атмосферного давления Паскалем подвергалась сомнению. Эти исследования привели Паскаля к установлению его знаменитого закона, по которому произведенное внешними силами давление на поверхность жидкости передается жидкостью одинаково во всех направлениях. Этот закон был сформулирован Паскалем в сочинении «Трактаты о равновесии жидкостей и о весе массы воздуха», опубликованном после смерти ученого. Опыты с «пустотой» привели Паскаля к принципам определения превышений по изменениям высоты столба ртути, к тому, что сегодня называют барометрическим нивелированием. Он придумал опыт, поставленный в 1648 г. на горе Пюи—де—Дом, имеющей высоту 467м. Этот опыт заключался в измерении высоты столба ртути у подножья и на вершине горы. Оказалось, что уровень ртути понижался соответственно высоте. Сам Паскаль не мог проводить опыт по состоянию здоровья. С 1647 г., когда он был разбит параличом, Паскаль передвигался только на костылях. Измерения проводил его зять Перрье и монахи французского монастыря. Опыт затем был проведен в Париже на башне высотой около 50 метров. В память об этом событии в 1856 г. у подножия башни на улице Риволи была установлена статуя Паскаля. С начала 50-х годов Паскаль постепенно отошел от науки и обратился к вопросам нравственного и религиозного свойства. Определенное влияние на это оказало, видимо, слабое здоровье Паскаля. Он стал членом религиозной общины янсенистов, учение которых преследовалось официальной религией. В октябре 1654 г. случилось событие, совершенно удалившее Паскаля от мирской жизни. Паскаль отправился на праздник в Нельи в карете, запряженной четверкой лошадей. Лошади понесли, а карета едва не упала в Сену. Паскаль остался жить только чудом. С тех пор он отказался от честолюбивых планов. Из записок Паскаля выяснилось, что через месяц после этого события ему было видение, он слышал таинственный голос, повелевавший предаться религии. Паскаль надел власяницу и не снимал ее до смерти. Он принял монашество. Паскаль умер в возрасте тридцати девяти лет, будучи к тому времени совершенно больным человеком. Литературные произведения Паскаля религиозно-философского характера «Письма к провинциалу» (1657 г.) и «Мысли» (книга издана после смерти Паскаля) вошли в историю французской литературы и, по мнению критиков, оказали влияние на творчество Ф. Ларошфуко, М. Лафайета и других французских писателей. Стремление экспериментаторов расширить сферу опытов с пустотой привело к изобретению воздушных насосов — инструментов, важнейших для проведения физических исследований. Изобретателем воздушного насоса стал Отто фон Герике (1602—1686). | Отто фон Герике родился в Магдебурге и начальное образование получил в местной городской школе, затем учился в нескольких европейских университетах — Лейпцигском, Иенском, Лейденском, изучал право, математику, механику, фортификацию. Путешествовал по Франции и Англии. Во время Тридцатилетней войны (1618—1648) принимал участие как инже- 4* 99 Раздел I. История науки в доклассический период нер в устройстве укреплений. После освобождения Магдебурга Герике руководил восстановительными инженерными работами. В 1646 г. он был избран бургомистром Магдебурга. По воспоминаниям современников, Герике был весьма общителен, в круг его знакомств входили видные ученые того времени, поэтому несколько странным выглядит его утверждение о том, что об опыте Тор- ричелли он узнал лишь в 1654 г. В этом году Герике демонстрирует свой воздушный насос и опыты с ним. Эти опыты впервые описаны в книге иезуита Шогта «Гидропневматическая механика», вышедшей в 1657 г. Герике не сразу нашел способ выка- Роберт Бойль чивать воздух из сосудов и получать пустоту. Он начал с попыток получить пустоту откачкой жидкостным насосом воды из винной бочки. После ряда неудачных попыток Герике заменил бочки медными сосудами (шарами). При выполнении одного из опытов «...внезапно ко всеобщему ужасу шар со страшным шумом разлетелся на мелкие куски, так, если бы он был сброшен с высочайшей башни». После серии опытов Герике был найден способ откачивать воздух из сосуда, изобретен воздушный насос. Опыты с воздушным насосом вызывали изумление. Один из таких опытов, так называемый опыт с «магдебургскими полушариями», был произведен в 1654 г. в Регенсбурге в присутствии императора и князей на заседании Рейхстага. Этот опыт, ставший классическим, заключается в том, что два полушария, когда из полости, ими образованной, выкачан воздух, не могли разъединить 16 лошадей. Если же впустить воздух, то разъединить полушария можно было руками без усилий. Герике, таким образом, дал исчерпывающий ответ на вопрос об атмосферном давлении и рассчитал его величину. «Магдебургские полушария», с которыми проводился опыт, хранятся в настоящее время в Мюнхенском музее. Другими замечательными опытами Герике с пустотой, производимой воздушным насосом, стали опыт с пузырем (если поместить измятый пузырь в пустоту, он раздувается), опыт, подтверждающий невозможность распространения звука в пустоте, опыт по изменению давления («упругости воздуха») с высотой (шар, оборудованный краном и наполненный воздухом, поднимался на гору, оказывалось, что при открытии крана воздух выходит из шара) и другие. Воздушный насос Герике был усовершенствован Робертом Бойлем (1627— 1691). Насос Бойля имел важные преимущества перед насосом Герике: в откачиваемый объем можно было помещать различные предметы, что значительно расширяло круг возможных экспериментов. Имя Бойля хорошо известно в связи с его знаменитым газовым законом, замечательными исследованиями в области химии и физики. Роберт Бойль родился в Ирландии в Лисморском замке в семье богатого вельможи времен Елизаветы Английской и был младшим, четырнадцатым 100 5. Начало эпохи науки а) I А I S) 6) Рис. 1.4. Опыт Бойля с U-об разной трубкой ребенком в семье. Учился в колледже Итона, 17- летним юношей отправился вместе с братом в Швейцарию, затем в Италию. Изучал сочинения Галилея, итальянских математиков. В 1644 г. Бойль вернулся в Англию. События 1649 г. (казнен Карл I, уничтожена Палата лордов, Англия объявлена республикой) застали Бойля в его имении в Стальбридже. В 1654 г. он переезжает в Оксфорд и основывает там «Незримую коллегию», построенную по образцу итальянских ученых обществ. Члены Коллегии впоследствии составили ядро Лондонского Королевского общества, основанного в 1662 г. С оксфордским периодом жизни Бойля связаны его замечательные открытия в области химии и физики. В 1668 г. он переехал в Лондон и провел здесь оставшуюся часть жизни. Авторитет Р. Бойля в научных кругах был очень велик, но его всегда отличала скромность. Он отказался занять пост президента Лондонского Королевского общества — для Бойля главным были его научные исследования. Опыты Бойля с пустотой описаны им в сочинении «Новые физико-механические опыты» (1660 г.). Бойль показал, что в пустоте не горит свеча, магнит действует через пустоту, нагретая вода в пустоте закипает, свет распространяется в пустоте, трение в пустоте вызывает тепло и другие. Опыты с «торричеллиевой пустотой» привели Бойля к открытию его газового закона. Бойль брал U-образную стеклянную трубку с коротким запаянным концом. В трубку наливалась ртуть. При уменьшении объема воздуха в колене вдвое, разность уровней ртути в обоих коленах оказывалась равной высоте барометрического столба, при уменьшении объема втрое разность удваивалась (см. рис. 1.4). Бойль исследовал замкнутые объемы воздуха при различных давлениях и пришел к закону, по которому «упругость воздуха находится в обратном отношении к его объему». Настоятель монастыря Св. Мартина Эдм Мариотт (1620—1684) в работе «О природе воздуха» описал опыты, практически совпадающие с опытами Бойля. и пришел к тому же закону, называющемуся в наших учебниках по физике законом Бойля-Мариотта. Бойль был одним из немногих ученых XVII в., которые имели правильное представление о природе тепла, объясняя эту природу движением частиц вещества. В начале 60-х годов Бойль выдвигает идею о химическом «элементе», отвергая алхимические представления о «стихиях». При проведении опытов по установлению законов «упругости воздуха» Бойль придумал ставший классическим «барометр с длинной чашкой». Слово «барометр» также введено Бойлем. Ассистентом Бойля при проведении многих опытов был Роберт Гук, ставший впоследствии выдающимся физиком XVII в.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Гидростатика и пневматика. Торричелли. Паскаль. Герике. Бойль» з дисципліни «Історія науки»
