Открытия в механике: Развитие механики в первой половине XIX столетия. Курс истории физики

Изобретения в механике Леонардо да Винчи

Главная страница » Италия » Механические изобретения Леонардо да Винчи (3 часть)

В точных науках 16 века созрела реформа  механики, нужны были только люди, которые могли бы ее произвести и одним из первых, и наиболее талантливых таких людей был художник Леонардо да Винчи. Леонардо занимался механикой в течение всей своей творческой жизни. Наиболее полно представлена механика в трех рукописях Леонардо: в «Атлантическом кодексе». Первая стадия научной работы Леонардо есть наблюдение тех или других явлений природы. Леонардо наблюдает вращение колеса и падение мяча во время игры, и положение центра тяжести бойца на копьевом турнире. Свои заметки и зарисовки он заносил в записную книжку, которую носил на поясе. Уже дома он просматривал записи, анализировал, ставил эксперименты  и описывал их. Эти новые устройства и изобретения могли сильно упростить жизнь людям средневековья. Леонардо был блестящим военным и гражданским инженером.

ПРЕСС ДЛЯ ОТЖИМА МАСЛА

Леонардо был сельским мальчишкой, вырос на ферме и с раннего детства наблюдал за сбором оливок. Оливковое масло самый распространённый продукт, даже более чем вино. Оно использовалось в лампах, как смазочный материал и как лекарство. Леонардо изобрёл сложный механизм, жернова которого приводили в действие животные или вода.

Пресс для отжима оливок и получения  оливкового масла представляет собой  пример механизации ручного труда в аграрном секторе. Горизонтальный рычаг имеет специальную изогнутую форму  для того, чтобы он мог приводиться в  движение лошадью. Сила движения рычага преобразуется системой в силу давления на мешки с оливками, обеспечивая таким образом отжим и получение масла.

ПОВОЗКА С РУКОЯТКОЙ

Леонардо изучает систему трансмиссии для обеспечения вращения колесной оси повозки, функция, которая в настоящее время выполняется дифференциалом. Эта система трансмиссии используется в повозке с рукояткой, располагается в задней части под деревянным покрытием. Зубчатое колесо, приводимое в движение рукояткой, располагается горизонтально над осью с квадратным разрезом, которое перпендикулярно соединена с колесной осью.

ЭКСКАВАТОР

Эта модель экскаватора была задумана для копания траншей и рвов. Тяжелый противовес, двигаясь вниз, поднимает мотыгу. Связанный с ним резервуар,  также служит  противовесом, позволяя мотыге опускаться и копать траншею.

ВЕЛОСИПЕД

В 1966 году монахи реставрационной лаборатории из Гроттаферрата (Рим) получили заказ на реставрацию Атлантического Кодекса Леонардо. Во время работы при разделении двух листов, склеенных в 16 веке Помпеем Леони, монахи обнаружили наброски «велосипеда», сделанные графитовым карандашом с небольшим коричневым оттенком. По заключению профессора Маринори рисунок не принадлежит руке художника, а речь идет о плохой копии утерянного рисунка Леонардо, сделанной учеником из его мастерской. Мнение  было подтверждено многими учеными, но до сих пор остается противоречивым.

ИДЕАЛЬНЫЙ ГОРОД

Находясь при дворе Людовика Моро, Леонардо посвящает себя проекту расширения и модернизации Милана. Он размышляет об «идеальном городе», который должен быть в высшей степени функциональным, эффективным и чистым. Геометрически организованный с помощью системы подземных каналов, превратившихся в настоящую канализационную систему, город пересекают каналы, по которым суда транспортируют товары. Улицы — широкие и прямые, в то время как общий план города представляет собой двухуровневую структуру. Единого проекта идеального города не существует. В действительности Леонардо создает отдельные проекты, собранные в единый макет.

ПРОКАТНЫЙ СТАНОК

Прокатный станок является инструментом, который позволяет  моделировать металл. Благодаря крутящимся цилиндрам, металлическая пластина под давлением становится более тонкой, и металл распределяется равномерно. Данная система используется и в настоящее время, без каких-либо существенных изменений. В частности, в своих записях Леонардо упоминает производство оловянных пластин.

Этот же принцип применялся у первых стиральных машин в середине 20 столетия для отжима белья.

ПОВОЗКА

Эта «автомобильная» система, возможно, предназначалась для сценического использования, в небольших размерах. Две большие спиральные пружины, расположенные под горизонтальными зубчатыми колесами, обеспечивают двигательную силу, благодаря которой связанные с ними колеса крутятся в обратную сторону. Колеса  передают энергию другим элементам повозки. Для обеспечения плавности хода Леонардо включает в механизм систему, которая гарантирует постоянное действие силы. Ручной тормоз, расположенный между зубчатыми колесами, позволяет блокировать движение повозки.

МАШИНА ДЛЯ НАРЕЗКИ РЕЗЬБЫ

Винтовые механизмы занимают важное место в исследованиях механики Леонардо. Именно поэтому на этом рисунке спроектирована машина для нарезки резьбы. Рукоятка заставляет двигаться два боковых стержня с нанесенной на них резьбой, по которым движется фреза. Таким образом равномерно нарезается резьба на центральный стержень. Под верстаком находятся шестеренки разных размеров, готовые для использования.

ОДОМЕТР

Этот прибор известен с античных времен и служит для вычисления пройденного пути. Одометр, разработанный Леонардо, имеет форму тележки с зубчатыми колесами; вертикально расположенное колесо издает щелчок при каждом обороте колеса, соприкасающегося с землей. Внутри вертикального зубчатого колеса имеется выпуклость, которая при каждом полном обороте приводит в движение горизонтальное колесо. Это колесо снабжено отверстиями, через которые камни или шарики попадают в специальный контейнер: подсчитывая их, легко вычислить длину пройденного пути.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДНЯТИЯ КОЛОНН

Это устройство использовалось для установления колонн. Веревка, соединенная с лебедкой, тянет горизонтально предмет, который необходимо поднять, снижая таким образом прикладываемое усилие, в том числе благодаря колесной системе, уменьшающей силу трения. Рисунок необходимо рассматривать в системе с исследованиями Леонардо геометрии, в этом случае треугольников.

ПОВОЗКА

Рисунок показывает вал или ось повозки, в которой использована система подшипников. Ось не вставляется по всей своей длине в деревянное или металлическое отверстие, а помещается на две пары цилиндров (один с каждой стороны), которые выполняют роль подшипников. Таким образом они позволяют снизить силу трения, что помогает повозке поворачиваться быстрее.

Основные этапы становления классической механики

Механика | Определение, примеры, законы и факты

векторная математика

Просмотреть все медиа

Ключевые люди:

Леонардо да Винчи
Галилео
Архимед
Жан Ле Рон д’Аламбер
Анри Пуанкаре

Похожие темы:

гидромеханика
механика твердого тела
квантовая механика
небесная механика
релятивистская механика

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

механика , наука о движении тел под действием сил, включая частный случай, когда тело остается в покое. В первую очередь в проблеме движения речь идет о силах, с которыми тела действуют друг на друга. Это приводит к изучению таких тем, как гравитация, электричество и магнетизм, в зависимости от природы задействованных сил. Зная силы, можно искать способ движения тел под действием сил; это предмет собственно механики.

Исторически механика была одной из первых точных наук, получивших развитие. Ее внутренняя красота как математической дисциплины и ее первые замечательные успехи в количественном учете движения Луны, Земли и других планетных тел оказали огромное влияние на философскую мысль и дали толчок систематическому развитию науки.

Механика может быть разделена на три раздела: статика, изучающая силы, действующие на покоящееся тело и в нем; кинематика, описывающая возможные движения тела или системы тел; и кинетика, которая пытается объяснить или предсказать движение, которое произойдет в данной ситуации. В качестве альтернативы механику можно разделить в зависимости от типа изучаемой системы. Простейшей механической системой является частица, определяемая как тело настолько малое, что его форма и внутреннее строение не имеют значения в данной задаче. Более сложным является движение системы из двух или более частиц, которые действуют друг на друга и, возможно, испытывают силы тел вне системы.

Принципы механики были применены к трем основным сферам явлений. Движения таких небесных тел, как звезды, планеты и спутники, можно предсказать с большой точностью за тысячи лет до того, как они произойдут. (Теория относительности предсказывает некоторые отклонения от движения в соответствии с классической или ньютоновской механикой; однако они настолько малы, что их можно наблюдать только с помощью очень точных методов, за исключением задач, затрагивающих всю или большую часть обнаруживаемой Вселенной. ) Что касается второго царства, то обычные объекты на Земле вплоть до микроскопических размеров (движущиеся со скоростями намного ниже скорости света) должным образом описываются классической механикой без существенных поправок. Инженер, который проектирует мосты или самолеты, может с уверенностью использовать ньютоновские законы классической механики, даже если силы могут быть очень сложными, а расчетам не хватает прекрасной простоты небесной механики. Третья область явлений включает поведение материи и электромагнитного излучения в атомном и субатомном масштабе. Хотя были некоторые ограниченные первые успехи в описании поведения атомов с точки зрения классической механики, эти явления должным образом рассматриваются в квантовой механике.

Классическая механика имеет дело с движением тел под действием сил или с равновесием тел, когда все силы уравновешены. Этот предмет можно рассматривать как разработку и применение основных постулатов, впервые сформулированных Исааком Ньютоном в его Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687), широко известном как Principia . Эти постулаты, называемые законами движения Ньютона, изложены ниже. Их можно использовать для предсказания с большой точностью самых разных явлений, начиная от движения отдельных частиц и заканчивая взаимодействием очень сложных систем. Разнообразие этих приложений обсуждается в этой статье.

В рамках современной физики классическую механику можно понимать как приближение, вытекающее из более глубоких законов квантовой механики и теории относительности. Однако такой взгляд на место субъекта сильно недооценивает его важность в формировании контекста, языка и интуиции современной науки и ученых. Наше современное представление о мире и месте человека в нем прочно укоренено в классической механике. Более того, многие идеи и результаты классической механики сохранились и играют важную роль в новой физике.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Центральными понятиями классической механики являются сила, масса и движение. Ни сила, ни масса не определены Ньютоном очень четко, и со времен Ньютона они оба были предметом многочисленных философских рассуждений. Оба они наиболее известны своими эффектами. Масса является мерой тенденции тела сопротивляться изменениям в состоянии его движения. Силы, с другой стороны, ускоряют тела, то есть изменяют состояние движения тел, к которым они приложены. Взаимодействие этих эффектов составляет основную тему классической механики.

Хотя законы Ньютона фокусируют внимание на силе и массе, три другие величины приобретают особое значение, поскольку их общая сумма никогда не меняется. Этими тремя величинами являются энергия, (линейный) импульс и угловой момент. Любое из них может быть перенесено из одного тела или системы тел в другое. Кроме того, энергия может изменять форму, будучи связанной с одной системой, выступая в виде кинетической энергии, энергии движения; потенциальная энергия, энергия положения; теплота или внутренняя энергия, связанная со случайным движением атомов или молекул, составляющих любое реальное тело; или любая комбинация из трех. Тем не менее полная энергия, импульс и угловой момент во Вселенной никогда не меняются. Этот факт выражается в физике, говоря, что энергия, импульс и угловой момент сохраняются. Эти три закона сохранения вытекают из законов Ньютона, но сам Ньютон их не формулировал. Их пришлось обнаружить позже.

Примечателен тот факт, что, хотя законы Ньютона больше не считаются ни фундаментальными, ни даже абсолютно правильными, три закона сохранения, вытекающие из законов Ньютона, — сохранение энергии, импульса и углового момента — остаются в точности верными даже в квантовая механика и теория относительности. Фактически в современной физике сила перестала быть центральным понятием, а масса — лишь одним из ряда атрибутов материи. Однако энергия, импульс и угловой момент по-прежнему прочно занимают центральное место. Сохраняющееся значение этих идей, унаследованных от классической механики, может помочь объяснить, почему этот предмет сохраняет такое большое значение в науке сегодня.

Редакция Британской энциклопедии

Исаак Ньютон

Исаак Ньютон

Исаак Ньютон широко известен как человек, увидевший, как упало яблоко.
с дерева и вдохновился на изобретение теории гравитации. если ты
сталкивались с элементарной физикой, то вы знаете, что он
изобрел исчисление и три закона движения, на которых
основана механика. В более фундаментальном плане математический подход Ньютона
стал настолько фундаментальным для всей физики, что его обычно считают
отец часовой вселенной: первый,
и, возможно, величайший физик.

Алхимик

На самом деле Ньютон был глубочайшим противником механистической концепции
мир. Тайный алхимик и богослов-еретик, он
провел бесчисленные эксперименты с тиглями и печами в своей
Кембриджские камеры, анализируя результаты безошибочно алхимических исследований.
сроки. Его письменные работы на эту тему разошлись тиражом более миллиона экземпляров.
слов, гораздо больше, чем он когда-либо производил по исчислению или механике
[21]. Одержимый религиозностью, он годами коррелировал библейские
пророчество с историческими событиями [319сл.]. Он глубоко уверился
что христианское учение было преднамеренно искажено ложным
представления о троице и развил в себе порочное презрение к
традиционного (тринитарного) христианства и римского католицизма в
частности [324]. Религиозные и алхимические интересы Ньютона были
неотделимы от его научных. Он верил, что Бог
опосредовал гравитационную силу [511](353) и выступал против любой попытки
дать механистическое объяснение химии или гравитации, поскольку это
уменьшило бы роль Бога [646]. Следовательно, он задумал такой
ненависть к Декарту, на основании которой многие его
достижений, что временами он отказывался даже писать свои
имя [399401].

Мужчина

Ньютон был строгим пуританином: когда один из его немногих друзей сказал
ему «развязный рассказ о монахине», он положил конец их дружбе (267). Он
неизвестно, когда-либо имел какие-либо романтические отношения, и
считается, что он умер девственником (159 г.). Кроме того, у него не было
интерес к литературе или искусству, отвергнув знаменитую коллекцию
скульптура в виде «каменных кукол» [581]. Короче говоря, Ньютон был математическим
мистик, убежденный, что у него были привилегированные отношения с Богом
и одержимо стремился найти, как Он построил
Вселенная (205 285 510). Он думал о себе как о
единственный изобретатель исчисления и, следовательно, величайший математик
со времен древних и оставил после себя огромный корпус неопубликованных работ,
в основном алхимия и библейская экзегеза, в которые он верил в будущее
поколения оценили бы больше, чем его собственное (199511).

Многие биографы предполагают, что корни неугасимой тяги Ньютона
соперничество и паранойя связаны с повторным браком его матери и
отказ от него в возрасте 3 (6) лет. Хотя эти
непривлекательные качества заставляли его тратить огромное количество времени и
энергию в безжалостных вендеттах против коллег, которые во многих случаях
помогали ему (см. ниже), они же возили его на внеочередные
достижения, за которые его помнят до сих пор. И за все его
высокомерие, собственное резюме Ньютона о его жизни (574) было прекрасно скромным:

«Не знаю, каким я могу показаться миру, но самому себе я кажусь
был похож на мальчика, играющего на берегу моря и развлекающегося в
время от времени находя более гладкий камешек или более красивую раковину, чем обычные,
в то время как великий океан истины лежал передо мной неоткрытым».

До Ньютона

Сегодня Ньютона помнят как основоположника исчисления,
механика и оптика. Учитывая его большой интеллект и одержимость
темперамент, не случайно ему удалось сделать решающее
вклад в решение выдающихся научных вопросов своего времени.
Ньютон родился во времена интеллектуального брожения, гораздо более глубокого
чем то, что сопровождает рост теории относительности и квантовой неопределенности
в 1920-х и 30-х годов. К тому времени, когда он прибыл в Тринити-колледж
Кембриджем в 1661 г., проблемы, с которыми ему пришлось столкнуться во время
его карьера уже была сформулирована и постепенно решались
крошечной элитой европейских математиков и естествоиспытателей:

1. Исчисление. Декарт в 1637 году впервые применил координаты для
   превращать геометрические задачи в алгебраические, метод, который Ньютон
   никогда не принимать [399]. Декарт, Ферма и другие исследовали
   методы вычисления касательных к произвольным кривым [28-30].
   Кеплер, Кавальери и другие использовали бесконечно малые срезы для вычисления
   объемы и площади, заключенные в кривые [30], но нет единой трактовки
   эти проблемы еще не были обнаружены.
2. Механика и движение планет. Эллиптические орбиты планет
   установленный Кеплером, Декарт выдвинул идею
   чисто механическая гелиоцентрическая Вселенная, следующая детерминистским законам,
   и не нуждаясь в каком-либо божественном вмешательстве [15], еще одна анафема для
   Ньютон. Однако никто не предполагал, что один закон может объяснить
   как падающие тела, так и планетарное движение. Галилей изобрел
   понятие инерции, предвосхитившее первый и второй законы Ньютона.
   движения (293), а Гюйгенс использовал его для анализа столкновений и круговых
   движения [11]. Опять же, эти части прогресса не были синтезированы
   в общий метод анализа сил и движения.
3. Свет. Декарт утверждал, что свет — это волна давления, Гассенди
   что это был поток частиц (корпускул) [13]. Как может быть
   догадался, Ньютон энергично поддерживал корпускулярную теорию. Белый
   свет считался чистой формой, а цвета
   некоторое добавленное свойство, завещанное ему при отражении от материи
   (150). Декарт открыл синусоидальный закон преломления (94), но
   не было известно, преломляются ли одни цвета больше, чем другие.
   картина была знакомой: многие кусочки головоломки были на своих местах,
   но общая картина была еще неясна.

Натурфилософ

Между 1671 и 1690 годами Ньютону предстояло дать исчерпывающие трактовки
большинство этих проблем. Усердными экспериментами с призмами он
установил, что цветной свет на самом деле является фундаментальным и что он
могут быть рекомбинированы для создания белого света. Он не публиковал
результата в течение 6 лет, к тому времени ему казалось настолько очевидным, что он
с большим трудом терпеливо отвечал на многочисленные
недоразумений и возражений, с которыми она столкнулась [239сл.].

Он изобрел дифференциальное и интегральное исчисление в 1665–1666 годах, но потерпел неудачу.
опубликовать его. Лейбниц изобрел его самостоятельно через 10 лет, и
опубликовал его первым [718]. Это привело к спору о приоритете, который
выродилась в междоусобицу, характеризующуюся чрезвычайной нечестностью и
яд с обеих сторон (542).

В открытии гравитации Ньютон тоже едва опередил остальных.
пакета. Гук первым понял, что орбитальное движение
производится центростремительной силой (268), а в 1679 г.он предложил
закон обратных квадратов к Ньютону [387]. Галлей и Рен пришли к тому же
вывод, и обратился к Ньютону за доказательством, которое он должным образом предоставил
[402]. Однако Ньютон не остановился на достигнутом. С 1684 по 1687 год он
непрерывно работал над великим синтезом всей механики,
«Philosophiae Naturalis Principia Mathematica», в которой он
разработал свои три закона движения и подробно показал, что
сила всемирного тяготения могла бы объяснить падение яблока как
а также точное движение планет и комет.

«Начала» кристаллизовали новые концепции силы и инерции.
которая постепенно формировалась и знаменует собой начало
теоретическая физика как математическая область, которую мы знаем сегодня. Это
читать нелегко: Ньютон развил идею о том, что геометрия и
уравнения никогда не должны быть объединены [399], и поэтому отказался от использования
простые аналитические приемы в его доказательствах, требующие классического
вместо этого геометрические конструкции [428]. Он даже сделал свои Principia
намеренно заумно, чтобы отбить у любителей чувство
вправе критиковать [459].

«Начала» были венцом Ньютона.
достижение. Он пересмотрел и расширил его, но большая часть остальных его
жизнь провела на административной работе в качестве мастера монетного двора и
Президент Королевского общества, положение, которое он безжалостно использовал в
погоня за вендеттами против Гука (300 и далее, 500), Лейбница (510 и далее),
и Флэмстид (490 500) среди прочих.