Винченцо Вивиани, ученик Галилео Галилея, ставший биографом великого итальянца, писал, что в 1589 году Галилей провел эксперимент, сбросив два шара различной массы со знаменитой падающей башни в Пизе, чтобы продемонстрировать, что время падения не зависит от массы тела. С помощью этого эксперимента Галилей якобы обнаружил, что тела упали с одинаковым ускорением, опровергнув теорию Аристотеля, согласно которой скорость падения тел зависит от их массы. На тот момент, когда, по описанию Вивиани, Галилей проводил свой эксперимент, он еще не сформулировал окончательный вариант своего закона свободного падения.
Хотя история об экспериментах Галилея на Пизанской башне вошла в научный фольклор, в трудах самого Галилея об этих экспериментах нет ни слова, так что большинство историков науки склонны считать, что это был лишь мысленный эксперимент.
Ускорение свободного падения
Порой разделить с человечеством добрую творческую мысль мешает примитивный языковой барьер. Так, талантливый нидерландский математик и физик конца XVI века Симон Стевин, о котором мы говорили выше, уступил ряд своих ценных открытий другим ученым только из-за того, что публиковал результаты своих исследований исключительно на родном языке, который был почти не знаком мировой общественности. А сделал Стевин для науки немало.
В фундаментальном труде «Начала равновесия» этот прозорливый человек на целых два столетия раньше других наглядно продемонстрировал обреченность попыток создания разных конструкций вечного двигателя. Исходя из научно обоснованного им же принципа невозможности совершения в природе вечного движения, он вывел важные законы равновесия сил на наклонной плоскости. Задолго до фон Майера, Гельмгольца и Джоуля он обосновал закон сохранения энергии — один из основополагающих в науке. Стевин впервые предложил решать практические задачи статики с использованием новой методики, в основу которой был положен принцип сложения сил, одновременно накладываемых на тело в разных направлениях. Эти силы он изобразил векторными линиями, которые много позднее вошли в научную практику. Но и в этом случае он сопроводил свои схемы пояснениями на нидерландском языке, что оставило их незамеченными для широкой ученой общественности.
Еще одна насмешка судьбы. Вспомним сейчас о мысленном (или, быть может, реальном) эксперименте Галилея на Пизанской башне. С этой башни Галилей якобы бросал вниз разные по массе физические тела, чтобы опровергнуть бытовавшее со времен Аристотеля неопровержимое утверждение о том, что скорость падения тел пропорциональна их массе. Этот научный вывод с легкой руки древнегреческого философа тысячелетиями принимался за чистую монету. Но если об опыте Галилея человечество широко осведомлено, то о предшествующем ему эксперименте Симона Стевина, тоже отважившегося посостязаться с Аристотелем, не знает почти никто.
Стевин за четверть столетия до Галилея тоже сбрасывал с высоты свинцовые шары разной тяжести, регистрируя время их падения по звукам ударов по доске. Вдобавок Стевин фиксировал, как они нагревались при ударах, чтобы вывести дополнительно тепловые закономерности, сопутствующие соприкосновению физических тел.
Недавно стало известно, что исследования Стевина по магнетизму Земли тоже были весьма плодотворны и по своему значению, пожалуй, вряд ли уступят работам знаменитого англичанина Уильяма Гилберта, пионера в этой области физики. Мыслительная деятельность этих двух гениальных ученых, живших по разные стороны Северного моря, действительно во многом одинакова. Но не одинаковы их судьбы. Если идеи Гилберта золотыми буквами вписаны в азбуку научных достижений, то идеи Стевина неоправданно забыты. А ведь их взгляды сходились не только в отношении природы магнетизма, они под одним углом зрения рассматривали и проблемы построения мироздания. Оба в опасное для инакомыслия время открыто признали гелиоцентрическую систему Коперника и разделили «космические» идеи Кеплера. Примечательно, что Гилберт при этом опять-таки почти не пострадал, а вот Стевин лишился места профессора в Лейденском университете, которое ему все прочили, а заодно и возможности публиковать свои научные труды.
О необыкновенно широком спектре работ, которые создал Стевин, мы уже говорили. С высокой долей вероятности можно предположить, что результаты опытов с шарами и доской были известны Галилею. Его эксперименты, как мысленные, так и проведенные в реальности, были не столько открытиями, сколько проверкой утверждений предшественников и коллег. Ведь это первый шаг любого исследования: если не получается так, как у другого автора, ученый должен задаться вопросом, почему именно.
Галилей следующими словами описывает знаменитый эксперимент в книге «О движении»:
«Представьте себе два предмета, один из которых тяжелее другого, соединенных веревкой друг с другом, и сбросьте эту связку с башни. Если мы предположим, что тяжелые предметы действительно падают быстрее, чем легкие, и наоборот, то легкий предмет должен будет замедлять падение тяжелого. Но поскольку рассматриваемая система в целом тяжелее, чем один тяжелый предмет, то она должна падать быстрее его. Таким образом мы приходим к противоречию, из которого следует, что изначальное предположение (тяжелые предметы падают быстрее легких) — неверно».
Опыты с качением тел по наклонной плоскости
Из-за несовершенства измерительного оборудования того времени свободное падение тел изучать было почти невозможно. В поисках способа уменьшения скорости движения Галилей заменил свободное падение качением по наклонной поверхности, где значительно меньше скорость и сопротивление воздуха. Было замечено, что со временем скорость движения растет — тела движутся с ускорением. Отсюда сделан вывод, что скорость и ускорение не зависят ни от массы, ни от материала шара.
Предположив, что произошло бы в случае свободного падения тел в вакууме, Галилей вывел следующие законы падения тел для идеального случая:
• все тела при падении движутся одинаково: начав падать одновременно, они движутся с одинаковой скоростью;
• движение происходит с постоянным ускорением.
Ученый также отметил: если соединить две наклонные поверхности так, чтобы, скатившись по одной из них, шар поднимался по другой, он поднимется на ту же высоту, с которой начал движение, независимо от угла наклона каждой из поверхностей.
Галилей проверил, что полученные им законы скатывания качественно не зависят от угла наклона плоскости, и, следовательно, их можно распространить на случай угла в 90°, то есть падения. Окончательный вывод Галилея: скорость падения нарастает пропорционально времени, а путь — пропорционально квадрату времени. Конечно, все эти закономерности, как описанные Стевином, так и подтвержденные Галилеем, относятся только к идеальным телам, идеальным плоскостям и отсутствию сопротивления воздуха и любой другой среды, в которых происходят описываемые события.
Главная 
