Дослід Галілея з падінням тіл

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Hammer and Feather Drop - ogg/Theora format).

Падіння до Галілея[ред.ред. код]

До Галілео Галілея у фізиці побутувала думка, що важчі тіла повинні падати з більшою швидкістю, ніж легші. Ці швидкості мали б бути пропорційні масам тіл. Тобто, тіло А, з вагою у 10 раз більшою за вагу тіла Б, має падати зі швидкістю у 10 разів більшою за швидкість останнього[1].

Аристотель визнавав два типи руху - природний та вимушений. Згідно з природним типом усі тіла намагалися зайняти своє природне місце у світі, рухаючись до центру світу або від нього. Так, в повітрі шматок дерева намагається рухатися до центру світу, а у воді від нього. Коли природний рух не можливий, тоді тіло може рухатися під дією сили. Падіння вважалося природним рухом[2]. Швидкість падіння описувалася формулою V=F/w де V - швидкість тіла, F - сила бажання тіла зайняти своє природне місце, w - опір середовища[3].

Деякі вчені вважали, що тіло у русі створює за собою пустоту, в яку надходить повітря і ніби штовхає тіло.

Уявний експеримент Галілея[ред.ред. код]

У своїй книзі «Бесіди і математичні докази, що стосуються двох нових галузей науки, які відносяться до механіки і місцевого руху» Галілей пише:

... Таким чином, якщо ми маємо два тіла, що падають, природні швидкості яких різні, і з'єднаємо тіло, що рухається швидше, з тілом, яке рухається повільніше, то ясно, що рух тіла, яке падає швидше, дещо сповільниться, а рух іншого трохи прискориться.

... Але якщо це так і якщо разом з тим вірно, що більший камінь рухається, скажімо, зі швидкістю вісім «градусів», тоді як інший, менший - зі швидкістю в чотири «градуси», то, з'єднавши їх разом, ми повинні отримати швидкість меншу восьми «градусів», а проте два камені, з'єднані разом, складають тіло, більше початкового, що має швидкість у вісім «градусів», і, отже, виходить, що більш важке тіло рухається з меншою швидкістю, ніж більш легке, а це суперечить нашим припущенням.

[1]

Дослід із падінням об'єктів з Пізанської вежі[ред.ред. код]

Leaning tower of pisa 2.jpg

До ХХ ст. було відомо із записів учня Галілея Вінченцо Вівіані і вважалося, що Галілео Галілей скидав з Пізанської вежі в один і той же момент гарматне ядро ​​масою 80 кг і значно легшу мушкетну кулю масою 200 г. Обидва тіла мали приблизно однакову обтічну форму і досягли землі одночасно.

Однак, в архівах не збереглося жодних підтверджень, що такий експеримент дійсно проводився. Більш того, гарматне ядро ​​і куля мають різний радіус, на них буде діяти різна сила опору повітря і тому вони не можуть досягти землі одночасно. Це розумів і Галілей. Проте він писав, що

"... відмінність у швидкості руху в повітрі куль із золота, свинцю, міді, порфіру та інших важких матеріалів настільки незначна, що куля з золота при вільному падінні на відстані в одну сотню ліктів напевно випередила б кулю з міді не більше ніж на чотири пальці. Зробивши це спостереження, я прийшов до висновку, що в середовищі, повністю позбавленому всякого опору, всі тіла падали б з однаковою швидкістю ".

За допомогою цього досліду Галілей нібито виявив, що тіла впали з однаковим прискоренням, цим спростовуючи теорію Арістотеля, згідно якої швидкість падіння тіл залежить від їх маси. У той час, коли, за описом Вівіані, Галілей провадив свій дослід, він ще не сформулював остаточний варіант свого закону вільного падіння[4]. Хоча історія про експерименти Галілея на Пізанській вежі ввійшла в науковий фольклор, більшість істориків науки схильні вважати, що це був лише уявний експеримент, який насправді не здійснювався[5][6]. Виняток становить лише позиція Дрейка, який вважає, що експеримент Галілея мав місце в дійсності приблизно в тому вигляді, як це описав Вівіані[7].

Спростувати ствердження Арістотеля спробував нідерландський геній Сімон Стевін. Природно вважати, що результати стали відомі Галілею, бо одержані років за три до можливої події у Пізі.

Уявний дослід про зчеплені вантажі рівнем не нижче Зенона, але це одночасно кшталт апорії. Ймовірно треба розглядати окремо цільні об'єкти, згуртовані своєю гравітацією. Можна припустити, що за точності, не досяжної для макроексперименту Сімона Стевіна, все ж результати вченого В.Б.Брагінського[8], отримані при дослідженні слабких взаємодій вельми малих об'єктів, трактуються надто фрактально, коли прямо поширюються на космічні тіла. Не виключено також, що точність у 12 знаків після коми говорить про дослідження в зоні параметрів, зникаюче малих в порівнянні з гравітаційною потугою Планети? Цьому не перечить, а навіть слугує непрямим доказом натурна перевірка вченими умоглядного досліду Альберта Ейнштейна у вакуумній камері НАСА [9]

Разом з тим, достатньо відомий не менш переконливий і без ознак апорії уявний експеримент нарощування маси вантажу в Пізі від гарматного ядра в бік збільшення - умовно до Місяця, Венери і Сонця. Зрозуміло, що сила взаємодії тіл зміниться, вона вочевидь збільшиться в порівнянні з малими тілами чи одиничною масою 1 кг, а це неминуче позначиться на прискоренні земного тяжіння g Землі - для кожної конкретної взаємодії гравітаційних, інерційних та інших полів планети і предметів.

Наочний і ґрунтовний приклад такого бачення - теоретична робота Тоана Хиу ВУ[10]. В ній, зокрема, аналіз підтверджує вірність і універсальність базової формули F=ma для яких завгодно систем відліку (СВ). Вона потребує натурного експерименту зі значними параметрами - величезною висотою, предметами контрастних мас, різних матеріалів, їх розрахункової форми, що знижує і еквівалентно компенсує гальмування повітрям, точності приладів стеження за пуском і проходом площини фінішу у часі і роздільній здатності (частота і різкість знімальних камер) на порядок-два запасу від очікуваної точності досліду; пулу вимог до балістичних гравіметрів.

Дослід із коченням по похилій площині[ред.ред. код]

Через недосконалість вимірювального обладнання того часу, вільне падіння тіл вивчати було майже неможливо, у пошуках способу зменшення швидкості руху Галілей замінив вільне падіння на кочення по похилій поверхні, де були значно менші швидкості та опір повітря. Він переконався, що отримані ним закони скочування якісно не залежать від кута нахилу площини, і, отже, правомірне їх поширення на випадок падіння. Було помічено, що з часом швидкість руху зростає - тіла рухаються з прискоренням. Остаточний висновок Галілея з останньої його книги: швидкість падіння наростає пропорційно часу, а шлях - пропорційно квадрату часу.

Припустивши, що сталося б у випадку вільного падіння тіл у вакуумі, Галілей вивів наступні закони падіння тіл для ідеального випадку:

  1. Всі тіла при падінні рухаються однаково*: почавши падати одночасно, вони рухаються з однаковою швидкістю.
  2. Рух відбувається з постійним* прискоренням.

І швидкість та прискорення не залежать ні від маси**, ні від матеріалу кулі.

Вчений також зауважив: якщо з'єднати дві похилі площини так, щоби після скочення з однієї з них, куля підіймалася по іншій, то вона підійметься на ту ж висоту, з якої розпочала рух, незалежно від нахилу кожної з площин[11].

* Відносна незмінність прискорення падіння чи кочення обмежена звичним "побутовим" діапазоном вимірів. Відомий закон Ньютона F=GmM/d², для Землі F=GmMз/(Rз+h)², передбачає формулу прискорення земного тяжіння:

g=F/m=GMз/(Rз+h)². Вглиб планети d=Rз-h. При значних величинах h, в розрахунках потрібно враховувати спотворення результату через зміну прискорення вільного падіння g. При дослідженнях (особливо в глибинах океану чи надрах Планети) слід не випускати з поля зору, що нема повної свободи падіння навіть у повітрі і прискорення g (для одиничної маси m=1кг) швидше є параметром на кшталт інтенсивності гравітаційного та інерційного полів чи в розрахунках тиску P.

** Сучасні поглиблені теоретичні дослідження знаходять залежність прискорення від маси предмета[12] [13][14].

Закон Ньютона для Землі з врахуванням цих уточнень можна записати так:

F=Gm(Mз+m)/(Rз+h)², де m вага тіла, що падає. 

Значення досліду[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. а б Опыты Галилея
  2. Физика Аристотеля
  3. Концепции современного естествознания Лекция 4. Механика и методология Ньютона. УГАТУ, Башкортостан. 
  4. Michael., Sharratt, (1996). Galileo : decisive innovator. Cambridge: Cambridge, University Press. ISBN 0521566711. OCLC 34886681. 
  5. Groleau, R. (July 2002). Galileo's Battle for the Heavens. 
  6. Ball, P. (30 June 2005). Science history: Setting the record straight, The Hindu. 
  7. Stillman., Drake, (2003). Galileo at work : his scientific biography. Mineola, N.Y.: Dover Publications. ISBN 9780486495422. OCLC 51242014. 
  8. Брагинский, Владимир Борисович. Википедия (ru). 2017-07-11. Процитовано 2017-08-18. 
  9. The Hammer-Feather Drop in the world’s biggest vacuum chamber | The Kid Should See This. The Kid Should See This (en-US). Процитовано 2017-08-03. 
  10. ВУ Хиу Тоан, Ханой, В'єтнам. (Липень 2007). Сущность инерционной массы и её влияние на дальнейшее развитие физики. 
  11. Опыты Галилея по изучению падения тел и качения по наклонной плоскости.
  12. VU Huy Toan (2013/06). Nature of inertia. 
  13. МАЖЕНОВ, Нурбек (23 мая 2000). Уточненный закон всемирного тяготения Ньютона. http://n-t.ru/. Процитовано Електронна версія: © НиТ. Препринт, 1997. 
  14. МАЖЕНОВ, Нурбек (17.09.2011). Сообщение # 2 Уточненный закон всемирного тяготения Ньютона. http://aviatoru.at.ua/.