Pendelkell: Galileost Fedtšenkoni. Ebakõla tundide mehhanismi täiustasid Galileo ja Huygens

(1663), Prantsuse Teaduste Akadeemia liige alates selle asutamisest (1666) ja esimene president (1666-1681).

Biograafia

Noor Huygens õppis Leideni ülikoolis õigusteadust ja matemaatikat ning otsustas seejärel pühenduda teadusele. Aastal 1651 avaldas ta "Diskursused hüperbooli, ellipsi ja ringi kvadratuurist". Koos oma vennaga täiustas ta teleskoopi, viies selle 92-kordse suurenduseni, ja asus taevast uurima. Huygens sai esmakordselt kuulsaks, kui avastas Saturni rõngad (ka Galileo nägi neid, kuid ei saanud aru, mis need on) ja selle planeedi satelliidi Titani.

1657. aastal sai Huygens Hollandi patendi pendelkella disainimiseks. Oma elu viimastel aastatel püüdis Galileo seda mehhanismi luua, kuid tema progresseeruv pimedus takistas teda. Ka teised leiutajad proovisid luua pendlil põhinevaid kellasid, kuid Huygens leidis esimesena usaldusväärse ja odava massikasutuseks sobiva disaini, tema kell töötas ja andis selle aja kohta suurepärase täpsuse. Disaini keskseks elemendiks oli Huygensi leiutatud ankur, mis surus perioodiliselt pendlit ja säilitas ühtlased, summutamata võnked. Huygensi disainitud pendelkell levis kiiresti kogu maailmas. 1673. aastal avaldati Huygensi ülimalt informatiivne traktaat kiirendatud liikumise kinemaatikast pealkirja all “Pendulumekellad”. See raamat oli teatmeteos Newtonile, kes lõpetas Galileo alustatud ja Huygensi jätkatud mehaanika vundamendi ehitamise.

1661. aastal reisis Huygens Inglismaale. 1665. aastal asus ta Colberti kutsel elama Pariisi, kus 1666. aastal loodi Pariisi Teaduste Akadeemia. Sama Colberti ettepanekul sai Huygensist selle esimene president ja ta juhtis Akadeemiat 15 aastat. Aastal 1681, seoses Nantes'i edikti kavandatava tühistamisega, naasis Huygens, kes ei tahtnud katoliiklust üle minna, Hollandisse, kus ta jätkas oma teaduslikku uurimistööd. 1690. aastate alguses hakkas teadlase tervis halvenema ja ta suri 1695. aastal. Huygensi viimane töö oli Cosmoteoros, milles ta väitis elu võimalikkust teistel planeetidel.

Teaduslik tegevus

Matemaatika

Christian Huygens alustas oma teaduslikku tegevust 1651. aastal esseega hüperbooli, ellipsi ja ringi kvadratuurist. Aastal 1654 töötas ta välja üldise evolutsiooni ja involuutide teooria, uuris tsükloidi ja kontaktvõrku ning arendas jätkuvate murdude teooriat.

Aastal 1657 kirjutas Huygens avalduse " Arvutuste kohta hasartmängudes"tema õpetaja van Schooteni raamatule "Matemaatikaõpingud". See oli tollal esilekerkiva tõenäosusteooria põhimõtete esimene esitlus. Huygens pani koos Fermati ja Pascaliga aluse ja tutvustas matemaatilise ootuse põhikontseptsiooni. Sellest raamatust tutvus tõenäosusteooriaga Jacob Bernoulli, kes viis teooria aluste loomise lõpule.

Mehaanika

1657. aastal avaldas Huygens enda leiutatud pendelkella ehituse kirjelduse. Sel ajal polnud teadlastel katseteks nii vajalikku instrumenti nagu täpne kell. Näiteks Galileo luges kukkumise seadusi uurides enda pulsi lööke. Raskustega käitatavate ratastega kellad on olnud kasutusel pikka aega, kuid nende täpsus ei olnud rahuldav. Galileo ajast saadik on pendlit kasutatud eraldi lühikeste ajavahemike täpseks mõõtmiseks ning vaja oli lugeda hoovõttude arvu. Huygensi kella täpsus oli hea ja teadlane pöördus seejärel korduvalt, peaaegu 40 aasta jooksul, tema leiutise poole, täiustades seda ja uurides pendli omadusi. Huygens kavatses merel pikkuskraadi määramise probleemi lahendamiseks kasutada pendelkellasid, kuid see ei saavutanud märkimisväärset edu. Usaldusväärne ja täpne merekronomeeter ilmus alles 1735. aastal (Suurbritannias).

1673. aastal avaldas Huygens klassikalise mehaanikateose "Pendelkell". Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum and horologia aptato demonstrationes geometrica"). Tagasihoidlik nimi ei tohiks olla eksitav. Lisaks kellade teooriale sisaldas töö palju esmaklassilisi avastusi analüüsi ja teoreetilise mehaanika vallas. Huygens kvadratuurib seal ka mitmeid pöördepindu. See ja tema teised kirjutised avaldasid noorele Newtonile tohutut mõju.

Töö esimeses osas kirjeldab Huygens täiustatud, tsükloidset pendlit, millel on amplituudist sõltumata konstantne kõikumisaeg. Selle omaduse selgitamiseks pühendab autor raamatu teise osa kehade üldiste liikumisseaduste tuletamisele gravitatsiooniväljas - vabad, liikuvad piki kaldtasapinda, veerevad mööda tsükloidi. Peab ütlema, et see paranemine ei leidnud praktilist rakendust, kuna väikeste kõikumiste korral on tsükloidse kaalutõusu täpsuse suurenemine ebaoluline. Uurimismetoodika ise sai aga osaks teaduse kullafondist.

Töö kolmas osa kirjeldab evolutsiooni ja involuutide teooriat, mille autor avastas 1654. aastal; siit leiab ta tsükloidi evolutsiooni välimuse ja asukoha. Neljandas osas kirjeldatakse füüsikalise pendli teooriat; Siin lahendab Huygens ülesande, mida nii paljudele tema aja geomeetritele ei antud – võnkekeskme määramise probleemi. See põhineb järgmisel lausel:

Kui komplekspendel on puhkeseisundist lahkunud, on lõpetanud mingi osa oma õõnest, mis on suurem kui poolkiik, ja kui ühendus kõigi selle osakeste vahel on hävinud, tõuseb igaüks neist osakestest sellisele kõrgusele, et nende ühine keskpunkt raskusjõud on sellel kõrgusel, kus see oli siis, kui pendel lahkus.

See väide, mida Huygens ei tõestanud, näib talle alusprintsiibina, samas kui praegu on see energia jäävuse seaduse lihtne tagajärg.

Füüsikalise pendli teooria esitas Huygens täiesti üldisel kujul ja rakendas seda erinevat tüüpi kehadele. Huygens parandas Galilei vea ja näitas, et viimase poolt välja kuulutatud pendli võnkumiste isokronism toimub vaid ligikaudselt. Ta märkis ka veel kaks Galileo viga kinemaatikas: ühtlast ringliikumist seostatakse kiirendusega (Galileo eitas seda) ja tsentrifugaaljõud on võrdeline mitte kiirusega, vaid kiiruse ruuduga.

Oma töö viimases, viiendas osas esitab Huygens kolmteist teoreemi tsentrifugaaljõu kohta. Selles peatükis esitatakse esmakordselt täpne kvantitatiivne väljend tsentrifugaaljõule, mis hiljem mängis olulist rolli planeetide liikumise uurimisel ja universaalse gravitatsiooniseaduse avastamisel. Huygens annab selles (sõnaliselt) mitu põhivalemit:

Astronoomia

Huygens täiustas iseseisvalt teleskoopi; aastal 1655 avastas ta Saturni kuu Titani ja kirjeldas Saturni rõngaid. 1659. aastal kirjeldas ta oma avaldatud teoses kogu Saturni süsteemi.

1672. aastal avastas ta Marsi lõunapoolusel jääkatte. Ta kirjeldas üksikasjalikult Orioni udukogu ja teisi udukogusid, vaatles kaksiktähti ja hindas (üsna täpselt) Marsi pöörlemisperioodi ümber oma telje.

Viimane raamat “ΚΟΣΜΟΘΕΩΡΟΣ sive de terris coelestibus earumque ornatu conjecturae” (ladina keeles; avaldati postuumselt Haagis 1698. aastal) on filosoofiline ja astronoomiline mõtisklus universumist. Ta uskus, et inimesed elavad ka teistel planeetidel. Huygensi raamat leidis laialdast levikut Euroopas, kus see tõlgiti inglise (1698), hollandi (1699), prantsuse (1702), saksa (1703), vene (1717) ja rootsi keelde (1774). Peeter I dekreediga tõlkis selle vene keelde Jacob Bruce pealkirjaga “Maailmavaate raamat”. Seda peetakse esimeseks raamatuks Venemaal, mis selgitab Koperniku heliotsentrilist süsteemi.

Selles töös tegi Huygens esimese katse (koos James Gregoryga) määrata tähtede kaugust. Kui eeldada, et kõik tähed, ka Päike, on sarnase heledusega, siis nende näilist heledust võrreldes saame ligikaudselt hinnata kauguste suhet neisse (kaugus Päikesest oli siis juba piisava täpsusega teada). Siriuse jaoks sai Huygens kauguseks 28 000 astronoomilist ühikut, mis on umbes 20 korda väiksem tegelikust (avaldatud postuumselt, 1698. aastal).

Optika ja laineteooria

Huygens osales kaasaegsetes aruteludes valguse olemuse üle. Aastal 1678 avaldas ta traktaadi valgusest

Huygensi kell pendli regulaatori ja spindliga

Olulisemad täiustused kellamehhanismi tegid 17. sajandi teisel poolel kuulus Hollandi füüsik Huygens, kes lõi uued regulaatorid nii vedru- kui kaalukelladele. Varem mitu sajandit kasutusel olnud nookuril oli palju puudusi. Seda on raske isegi regulaatoriks selle sõna õiges tähenduses nimetada. Regulaator peab ju olema võimeline iseseisvaks võnkumiseks oma sagedusega. Nookur oli üldiselt ainult hooratas. Selle tööd mõjutasid paljud kõrvalised tegurid, mis mõjutasid kella täpsust. Mehhanism muutus palju täiuslikumaks, kui regulaatorina kasutati pendlit.

Esmakordselt tekkis suurel Itaalia teadlasel Galileo Galileil idee kasutada pendlit kõige lihtsamates ajamõõtmisvahendites. On legend, et 1583. aastal märkas üheksateistkümneaastane Galileo Pisa katedraalis viibides lühtri õõtsumist. Ta märkas pulssilööke lugedes, et lühtri ühe võnkumise aeg püsis konstantsena, kuigi kiik jäi järjest vähemaks. Hiljem, olles alustanud tõsist pendlite uurimist, tegi Galileo kindlaks, et pendli väikese võnke (amplituudi) korral (vaid paar kraadi) sõltub pendli võnkeperiood ainult selle pikkusest ja selle kestus on konstantne. Selliseid võnkumisi hakati nimetama isokroonseteks. On väga oluline, et isokroonsete võnkumiste korral ei sõltuks pendli võnkeperiood selle massist. Tänu sellele omadusele osutus pendel väga mugavaks seadmeks lühikeste ajavahemike mõõtmiseks. Selle põhjal töötas Galileo välja mitu lihtsat loendurit, mida ta oma katsetes kasutas. Kuid võnkumiste järkjärgulise summutamise tõttu ei saanud pendlit kasutada pikkade ajavahemike mõõtmiseks.

Pendelkella loomine seisnes pendli ühendamises seadmega, et säilitada selle võnkumisi ja neid lugeda. Oma elu lõpus hakkas Galileo sellist kella disainima, kuid arendus ei jõudnud kaugemale. Esimesed pendelkellad lõi pärast suure teadlase surma tema poeg. Nende kellade ülesehitust hoiti aga rangelt salajas, nii et neil ei olnud tehnoloogia arengule mingit mõju. Galileost sõltumatult pani Huygens 1657. aastal kokku pendliga mehaanilise kella. Nookurvart pendliga asendades seisid esimesed disainerid keerulise probleemi ees: nagu juba mainitud, tekitab pendel isokroonseid võnkumisi vaid väikese amplituudiga, vahepeal nõudis spindli põgenemine suurt kõikumist. Esimeses Huygensi kellas ulatus pendli õõts 40-50 kraadini, mis mõjutas liikumise täpsust halvasti. Selle puuduse kompenseerimiseks pidi Huygens üles näitama leidlikkuse imesid. Lõpuks lõi ta spetsiaalse pendli, mis kõikudes muutis oma pikkust ja kõikus mööda tsükloidset kõverat. Huygensi kella täpsus oli võrreldamatult suurem kui kelladel
rokkar. Nende päevane viga ei ületanud 10 sekundit (klahvregulaatoriga kelladel jäi viga vahemikku 15-60 minutit).

Moodsa teoreetilise mehaanika doktriini rajaja Christian Huygens sündis 14. aprillil 1629 Haagis. Huygens omandas matemaatika ja mehaanika põhialused professor Frans van Schoteni loengutel Leideni ülikoolis. Noore teadlase esimene teaduslik töö avaldati 1651. aastal ja kandis nime "Arutlused hüperbooli, ellipsi ja ringi ruudu muutmisest". Suure praktilise tähtsusega oli Huygensi töö täppisteaduste vallas – tõenäosusteooria aluste kirjeldus, arvude ja erinevate kõverate matemaatiline teooria ning valguse laineteooria. Ta oli esimene Hollandis, kes sai patendi pendelkellale. See näitab Christian Huygensi teadusliku maailmavaate laiust.

Kui teie mentoriks on Descartes, olete määratud saama geeniuseks

Huygensi huvide laius on hämmastav. Oma teadlasekarjääri jooksul kirjutas ta kümneid tõsiseid teaduslikke töid mehaanika, matemaatika ja füüsika vallas. Tunnistades suure hollandlase teeneid ümbritseva maailma mõistmisel ja sel ajal eksisteerinud vaadete teaduslikule alusele panemist, austas kuninglik teadlaskond Christian Huygensit, valides ta 1663. aastal liikmeks – esimesena välismaa teadlastest. Prantslased asutasid oma Teaduste Akadeemia 1666. aastal. Huygensist sai Prantsuse teadusringkondade esimene president.

Üks paljudest teadusharudest, mida Hollandi loodusteadlase tööd rikastasid, oli astronoomia. Tema isa Constantin Huygensi sõprus kartisianismi filosoofilise teooria rajaja Rene Descartesiga avaldas noore kristlase vaadetele tohutut mõju. Huygens tundis huvi astronoomiliste uuringute vastu. Venna abiga muutis ta oma koduteleskoopi, et saavutada suurim võimalik suurendus – 92x.

Marss, Saturn ja edasi, edasi...

Huygensi esimene astronoomiline avastus sai teaduslikuks sensatsiooniks. 1655. aastal Saturni lähedust teleskoobi kaudu jälgides märkas astronoom samu veidrusi, millele Galileo Galilei oma kirjutistes tähelepanu juhtis. Kuid itaallane ei osanud sellele nähtusele selget põhjendust anda. Huygens tegi õigesti kindlaks, et need on planeeti ümbritsevad erineva suurusega jääkogumid, mis ei lahku Saturni orbiidilt selle hiiglasliku gravitatsiooni mõjul. Huygens uuris oma teleskoobi kaudu ka Saturni satelliiti, mis sai hiljem nimeks Titan. Neli aastat hiljem süstematiseeris teadlane teadustöös oma avastused rõngaste kohta Saturni orbiidil.

1656. aasta. Esimest korda ulatus Huygensi astronoomiliste huvide sfäär päikesesüsteemist palju kaugemale. Vaatlusobjektiks on udukogu, mille 45 aastat varem avastas prantslane Nicolas de Pereysky Orioni tähtkujust. Tänapäeval on Orioni udukogu astronoomilistes kataloogides klassifitseeritud Messier 42 (NGC1976) nime all. Huygens tegi udukogu objektide esialgse klassifikatsiooni ja astronoomiliste koordinaatide arvutamise ning asus arvutama udukogu suurust ja kaugust Maast.

Viisteist aastat hiljem naasis hollandlane astronoomiliste vaatluste juurde. Tema tähelepanu objektiks oli Punane planeet. Marsi lõunapoolust läbi teleskoobi jälgides avastas Huygens, et see on kaetud jääkattega. Juba siis olid astronoomid kindlad, et Marsil võivad olla teatud tingimused elusorganismide eksisteerimiseks. Astronoom arvutas üsna täpselt välja planeedi pöördeperioodi ümber oma telje.

Huygensi maailmavaade

Viimane teaduslik töö astronoomia vallas oli artikkel, mis avaldati pärast tema surma, 1698. aastal Haagis. Traktaat on filosoofia ja astronoomia kogumik, mille eesmärk on mõista Universumi olemasolu ja struktuuri füüsikalisi põhiseadusi. Huygens oli üks esimesi Euroopa teadlasi, kes püstitas hüpoteesi muude väljaspool Maad asuvate objektide populatsiooni kohta intelligentsete olendite poolt. Huygensi postuumne teadustöö tõlgiti inglise, prantsuse, saksa ja rootsi keelde. Christian Huygensi teadusliku testamendi tõlkis Jacob (James) Bruce keiser Peeter I isikliku dekreediga 1717. aastal vene keelde. Venemaa teadusringkond tunneb seda teost kui "Maailmavaate raamatut" » .

Võttes kokku Universumi erinevate objektide aastatepikkused vaatlused, tegi Huygens katse luua Koperniku heliotsentrilise süsteemi olemasolule teaduslik alus, samuti õppis ta nende näiva heleduse põhjal arvutama tähtede ja udukogude tegelikke kaugusi.

Nagu teistel keskaja suurteadlastel, oli ka Huygensil andekaid õpilasi. Tuntuim neist on saksa matemaatik Gottfried Leibniz.

Christiaan Huygens suri Haagis 8. juulil 1695 66-aastaselt. Kaasaegsed hindasid kõrgelt kuulsa hollandlase teaduslikke saavutusi astronoomia vallas. 1997. aastal saadeti temanimeline Euroopa Kosmoseagentuuri sond Saturni kuule Titanile, mille ta avastas. Kosmoselaeva missioon oli sama edukas kui Christiaan Huygensi elu pikk ja teaduslike avastusterikas.

Esimesed hiinlaste leiutatud mehaanilised kellad said jõu tohutute, aeglaselt pöörlevate puidust vesirataste abil. 1300. aastatel Ilmusid raskuste langetamisega rattakellad, kuid need kellad olid ebausaldusväärsed ja ebatäpsed. Kellad vajasid nende liikumise reguleerimiseks mehhanismi, mis leiutati 1600. aastatel. Selliseks mehhanismiks oli ripats, mis leidis oma esimese praktilise rakenduse kellades.

1582. aastal demonstreeris Itaalia teadlane Galileo Galilei, et pendel – peenikesele vardale riputatud raskus – kõigub alati ühtlase kiirusega. Lisaks tõestas ta, et võnkekiirus sõltub ainult pendli pikkusest, mitte selle otsa kinnitatud raskuse suurusest. Näiteks 1 m pikkune pendel teeb ühe võnkumise (edasi-tagasi) 1 sekundiga. Aga kui sellise pikkusega pendel jätkab kõikumist, saab sellega mõõta aega sekundites. See idee tekkis Galileol ja 1641. aastal – aasta enne oma surma – rääkis ta oma pojale Vincenzole, kuidas teha kella, mille liikumist reguleeriks pendel. Kuid Vincenzol polnud aega tööd lõpetada; Esimesed pendelkellad ilmusid alles aastal 1657. Need kujundas Hollandi teadlane Christiaan Huygens ja valmistas kellassepp Solomon Coster Haagis. Nad jäid maha või põgenesid 5 sekundit päevas, mis ületas oluliselt kõigi tolleaegsete kellade täpsust.

Kellapendlitel ei kasutatud niite, vaid metallvardaid. Kuid metalli mõjutab temperatuur, mistõttu varraste pikkus muutus, mis mõjutas kella täpsust. Kuuma ilmaga metallvarras pikenes, külmal lühenes. Näiteks ühe sekundilise pendliga kella jaoks piisab ühe sekundi kaotamiseks päevas pendli pikkuse suurendamisest 0,025 mm võrra, mis toimub siis, kui temperatuur tõuseb vaid 2 "C. Leiutajad lahendasid peagi seda probleemi, luues konstantse pikkusega pendli.1722. aastal leiutas inglise mehaanik George Graham elavhõbependli (mille ta teatas 1726. aastal), kinnitades pendli otsa elavhõbedat sisaldava klaasanuma.Kui pendel pikenes allapoole temperatuuri tõus, kompenseeris seda anumas elavhõbeda paisumine, mis toimis vastupidises suunas.

Teine lahendus oli vahelduvatest teras- ja vaseribadest valmistatud võre pendel, mille leiutas inglise kellassepp John Harris aastal 1728. Vask paisub rohkem kui teras, mistõttu selle paisumist kompenseeris terase väiksem paisumine. Tänapäeval valmistatakse pendlivardad invarist, raua ja nikli sulamist, mis kuumutamisel peaaegu ei paisu. Sellest sulamist valmistatakse ka mõõdulinte ja häälekahvleid, mille puhul on püsipikkus väga oluline.

Galileo õpilane, itaalia teadlane Vincenzo Viviani, tegi selle visandi pendelkellast; Pendli rekonstrueerimise kohta vaata joonist fig. meie. 13.

See pendelkella mudel loodi 19. sajandil. Viviani tehtud Galileo projekti visandi põhjal. Kella energiaallikat seal ei näidatud, seega võib oletada, et seda ajendati raskuste langetamisest.

Mehaanilises kellas kontrollib langeva raskuse energia vabanemise kiirust mehhanism, mida nimetatakse põgenemiseks. Pendlile riputatud haamer paneb ankru kõikuma. Seejärel ankur peatub ja vabastab seejärel põgenemisratta, võimaldades sellel järk-järgult vabastada laskuva koormuse energiat, mis juhib põhiratast. Pearatta telje külge on kinnitatud tunniosuti.

Huygens Christian (1629-1695), Hollandi füüsik, matemaatik, mehaanik, astronoom.

Sündis 14. aprillil 1629 Haagis. 16-aastaselt astus ta Leideni ülikooli, kaks aastat hiljem jätkas õpinguid Breda ülikoolis. Elas enamasti Pariisis; oli Pariisi Teaduste Akadeemia liige.

Huygens sai tuntuks kui geniaalne matemaatik. Kuid saatus otsustas, et ta oli I. Newtoni kaasaegne, mis tähendab, et ta oli alati kellegi teise ande varjus. Huygens ilmus
üks mehaanika arendajaid pärast Galileod ja Descartes'i. Ta asus juhtpositsioonile põgenemismehhanismiga pendlikellade loomisel. Tal õnnestus lahendada füüsikalise pendli võnkekeskme määramise probleem ja kehtestada tsentripetaaljõu määravad seadused. Ta uuris ja tuletas ka elastsete kehade kokkupõrkeid reguleerivaid seadusi.

Enne Newtonit töötas Huygens välja valguse laineteooria. Huygensi põhimõte (1678) – mehhanism, mille ta avastas valguse levikuks – kehtib ka tänapäeval. Huygens selgitas oma valguse teooriale tuginedes mitmeid optilisi nähtusi, mõõtis suure täpsusega Islandi sparni geomeetrilisi omadusi ja avastas selles kaksikmurdumise, seejärel nägi ta sama nähtust kvartskristallides. Huygens võttis kasutusele mõiste "kristalltelg" ja avastas valguse polarisatsiooni. Ta töötas suure eduga optika alal: täiustas oluliselt teleskoopi, kujundas okulaari ja võttis kasutusele avasid.

Olles üks Pariisi observatooriumi asutajatest, andis ta olulise panuse astronoomiasse – ta avastas Päikesesüsteemi ühe suurima satelliidi Saturni ja Titani 8. rõnga, eristas Marsi polaarmütse ja Jupiteri triipe. Suure huviga teadlane konstrueeris nn planetaarmasina (planetaariumi) ja lõi teooria Maa kuju kohta. Ta oli esimene, kes jõudis järeldusele, et Maa on pooluste lähedal kokku surutud, ja väljendas ideed mõõta gravitatsioonijõudu teise pendli abil. Huygens jõudis lähedale universaalse gravitatsiooniseaduse avastamisele. Tema matemaatilisi meetodeid kasutatakse teaduses ka tänapäeval.