2. Открытие законов свободного падения

В Древней Греции механические движения классифицировались на естественные и насильственные. Падение тела на Землю считалось естественным движением, некоторым свойственным телу стремлением "к своему месту",

Согласно представлению величайшего древнегреческого философа Аристотеля (384-322 до н. э.), тело падает на Землю тем быстрее, чем больше его масса. Это представление являлось результатом примитивного жизненного опыта: наблюдения показывали, например, что яблоки и листья яблони падают с различными скоростями. Понятие ускорения в древнегреческой физике отсутствовало.

Впервые выступил против авторитета Аристотеля, утвержденного церковью, великий итальянский ученый Галилео Галилей (1564-1642).

Галилей родился в г. Пизе в 1564 г. Отец его был талантливым музыкантом и хорошим воспитателем. До 11 лет Галилей посещал школу, далее по обычаю того времени воспитание и образование его протекало в монастыре. Здесь он познакомился с работами латинских и греческих писателей.

Под предлогом тяжелой глазной болезни отцу удалось вызволить Галилея из стен монастыря и дать ему хорошее домашнее образование, ввести в общество музыкантов, писателей, художников.

17-ти лет Галилей поступил в Пизанский университет, где изучал медицину. Здесь он впервые познакомился с физикой Древней Греции, в первую очередь с сочинениями Аристотеля, Эвклида и Архимеда. Под влиянием работ Архимеда Галилей увлекается геометрией и механикой и оставляет медицину. Он покидает Пизанский университет и в течение четырех лет изучает математику во Флоренции. Здесь появились его первые научные работы, и в 1589 г. Галилей получает кафедру математики сначала в Пизе, затем в Падуе. В падуанский период жизни Галилея (1592-1610) был наивысший расцвет деятельности ученого. В это время были сформулированы законы свободного падения тел, принцип относительности, открыта изохронность колебаний маятника, создан телескоп и сделан ряд сенсационных астрономических открытий (рельеф Луны, спутники Юпитера, структура Млечного пути, фазы Венеры, солнечные пятна).

В 1611 г. Галилей был приглашен в Рим. Здесь он начал особенно активную борьбу против церковного мировоззрения за утверждение нового экспериментального метода изучения природы. Галилей пропагандирует систему Коперника, чем восстанавливает против себя церковь (в 1616 г. специальная конгрегация доминиканцев и иезуитов объявила учение Коперника еретическим и включила его книгу в список запрещенных).

Галилею пришлось маскировать свои идеи. В 1632 г. он публикует замечательную книгу "Диалог о двух системах мира", в которой развивает материалистические идеи в форме дискуссии между тремя собеседниками. Однако "Диалог" был запрещен церковью, а автор привлечен к суду и в течение 9 лет считался "узником инквизиции".

В 1638 г. Галилею удалось издать в Голландии книгу "Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки", в которой подводился итог его многолетней плодотворной деятельности.

В 1637 г. он ослеп, но продолжал интенсивную научную работу вместе со своими учениками Вивиани и Торричелли. Умер Галилей в 1642 г., погребен во Флоренции в церкви Санта-Кроче рядом с Микеланджело.

Галилей отверг древнегреческую классификацию механических движений. Он впервые ввел понятия равномерного и ускоренного движений и начал исследование механического движения путем измерения расстояний и времени движения. Опыты Галилея с равноускоренным движением тела по наклонной плоскости до сих пор повторяются во всех школах мира.

Особое внимание Галилей уделил экспериментальному исследованию свободного падения тел. Мировую известность получили его опыты на наклонной башне в Пизе. По свидетельству Вивиани, Галилей бросал с башни одновременно полуфунтовый шар и стофунтовую бомбу. Вопреки мнению. Аристотеля, они достигли поверхности Земли почти одновременно: бомба опередила шар всего на несколько дюймов. Эту разницу Галилей объяснил наличием сопротивления воздуха. Такое объяснение было тогда принципиально новым. Дело в том, что со времен Древней Греции утвердилось следующее представление о механизме перемещения тел: двигаясь, тело оставляет за собой пустоту; природа же боится пустоты (существовал ложный принцип боязни пустоты). Воздух устремляется в пустоту и толкает тело. Таким образом, считалось, что воздух не замедляет, а, напротив, ускоряет тела.

Далее Галилей устранил еще одно многовековое заблуждение. Считалось, что если движение не поддерживается какой-нибудь силой, то оно должно прекратиться, даже если не существует препятствий. Галилей впервые сформулировал закон инерции. Он утверждал, что если на тело действует сила, то результат ее действия не зависит от того, покоится тело или движется. В случае свободного падения на тело постоянно действует сила притяжения, и результаты этого действия непрерывно суммируются, ибо согласно закону инерции, вызванное раз действие сохраняется. Это представление является основой его логического построения, приведшего к законам свободного падения.

Галилей определил ускорение свободного падения с большой ошибкой. В "Диалоге" он утверждает, что шар падал с высоты 60 м в течение 5 с. Это соответствует значению g, почти в два раза меньшему истинного.

Галилей, естественно, не мог точно определить g, поскольку не имел секундомера. Песочные, водяные часы или изобретенные им часы с маятником не способствовали точному отсчету времени. Ускорение свободного падения было достаточно точно определено лишь Гюйгенсом в 1660 г.

Чтобы достигнуть большей точности измерений, Галилей искал способы уменьшения скорости падения. Это и привело его к опытам с наклонной плоскостью.

Методическое замечание. Рассказывая о работах Галилея, важно разъяснить учащимся суть метода, которым он пользовался при установлении законов природы. Сначала он провел логическое построение, из которого вытекали законы свободного падения. Но результаты логического построения нужно проверить опытом. Только совпадение теории с опытом приводит к убеждению в справедливости закона. Для этого необходимо измерять. У Галилея гармонически сочеталась мощь теоретического мышления с экспериментаторским искусством. Как проверить законы свободного падения, если движение столь быстро и нет приборов для отсчета малых промежутков времени?

Галилей уменьшает скорость падения применением наклонной плоскости. В доске был сделан желоб, выстланный для уменьшения трения пергаментом. По желобу пускался отполированный латунный шар. Для точного измерения времени движения Галилей придумал следующее. В дне большого сосуда с водой проделывалось отверстие, через которое вытекала тонкая струя. Она направлялась в маленький сосуд, который предварительно взвешивался. Промежуток времени измерялся по приращению веса сосуда! Пуская шар с половины, четверти ит. д. длины наклонной плоскости, Галилей установил, что пройденные, пути относились как квадраты времени движения.

Повторение этих опытов Галилея может служить предметом полезной работы в школьном физическом кружке.