Часы галилея. Галилео галилей, пизанская башня и маятниковые часы. Знаменитый голландский ученый Христиан Гюйгенс

Рисунок Леонардо да Винчи, изображающий часовой механизм

Так и оказалось: каждый ход люстры-маятника, имел одну и ту же длительность. Позже Галилей установил: эта длительность или, как говорят физики, период колебаний, нисколько не зависит от массивности маятника, а лишь - от его длины. Чем он короче, тем меньше времени занимает каждое колебание.

Только в конце жизни на вилле Арчетри (близ Флоренции) осужденный инквизицией за признание учения Коперника и едва не отправленный на костер Галилей смог заняться созданием давно задуманных им часов. Близкий друг ученого Вивиани вспоминал: «В один из дней 1641 года, когда я находился на вилле Арчетри, Галилей поделился со мной своими мыслями о возможности присоединить маятник к часам».

Но старый ученый (ему шел уже 78 год), ослепший и потерявший силы, не смог закончить начатую работу. Он попросил сделать это своего сына Винченцо. Вскоре Галилей умер. Винченцо выполнил просьбу отца, сделал модель часов, но судьба ее оказалась печальной.

Великий итальянский ученый Галилео Галилей

Механизм маятниковых часов Галилея

Сын ученого Винченцо Галилей показывает модель маятниковых часов своего отца

Винченцо ненадолго пережил своего гениального отца. Перед смертью в приступе тяжелой душевной болезни он уничтожил часы, и много лет о них никто ничего не знал.

Потерянное первенство

Не знал о часах Галилея и голландский ученый Христиан Гюйгенс. В 1658 году (через 16 лет после смерти Галилея) в Гааге вышла его небольшая книжка под коротким названием «Часы». В ней Гюйгенс писал об изобретенных им маятниковых часах. И только эта небольшая книжка была издана, как возникла неприятная шумиха.

Вивиани (его имя уже упоминалось) заявил, что первенство в изобретении часов с маятником принадлежит вовсе не Гюйгенсу, а Галилею, который на много лет опередил голландца.

Маятниковые часы Христиана Гюйгенса со шпиндельным ходом

Гюйгенс был честным человеком и не стал отрицать первенство Галилея. Когда один французский ученый прислал ему рисунок галилеевских часов, он написал в ответ: «Вы доставили мне большое удовольствие, переслав чертеж часов, начатых Галилеем. Я вижу, что они имеют маятник, однако он применен не так, как у меня».

Гюйгенс заверял, что маятниковые часы создал совершенно самостоятельно, «руководствуясь только своим собственным умом и ничем другим», да и по устройству они сильно отличаются от часов Галилея. Он может лишь гордиться тем, что вслед за великим Галилеем пришел к той же мысли.

Хотя Гюйгенс и потерял первенство, все равно его заслуги в часовом деле, в науке о часах огромны. После него началась новая страница в истории часов.

Но каково же было устройство часов Гюйгенса?

Знаменитый голландский ученый Христиан Гюйгенс

Они, как и часы с билянцем, имели коронное колесо (только расположенное иначе, горизонтально) и шпиндель с палетами. При качании маятника связанный с ним шпиндель своими палетами так же то задерживал, то отпускал коронное колесо на один зубец, получая в ответ толчок. Это не позволяло мятнику остановиться. А вращение коронного колеса передавалось другим шестеренкам и стрелкам. Двигателем же часов по-прежнему служила гиря, подвешенная на цепочке.

Суточная погрешность часов Гюйгенса не превышала десяти секунд, но оказалось, что можно сделать и лучше. Английский ученый Роберт Гук предложил анкерный ход - более точный, чем шпиндельный. Над зубчатым ходовым колесиком Гук поместил анкер, деталь, напоминающую маленький якорь. Соединенный с маятником, он тоже раскачивался и, цепляясь за зубцы ходового колеса, регулировал его движение. А в ответ, получая от зубцов толчки, сам раскачивал маятник.

Уже в 1530 г. предпринимались попытки создания механических часов. Но на этом пути предстояло преодолеть много трудностей. Существовавшие в то время часы не могли показывать точное время. В 1581 г. Галилео Галилей открыл, что период колебаний маятника с небольшим размахом не зависит от амплитуды этого раз­маха. В 1636 г. он сконструировал прибор, в котором ис­пользовалось свойство маятника, - измеритель времени. По существу, это были часы с маятником. В 1641 г., по словам ученика Галилея В. Вивиани, ему (Галилею) «при­шло в голову, что можно добавить маятник к часам с гиря­ми и с пружиной».

Эти планы Галилей поведал своему сыну Винченцо. Отец и сын решили построить механизм с остроумным устрой­ством часового спуска (так называемый «крючковый спуск»). Такие часы в действительности удалось сконструировать Вивиани, который оставил рисунок этих часов.

Около двадцати лет жизни посвятил работе над маятни­ковыми часами Христиан Гюйгенс, пытаясь приспособить их к условиям мореплавания. Он до­полнил их многими существенны­ми приспособлениями, а также со­здал несколько часов повышенной точности. В 1657 г. Гюйгенс сооб­щил о создании им маятниковых ча­сах. Эти часы шли так же хорошо, как и часы Галилея, но гиря была заменена пружиной с балансом. Сам Гюйгенс говорил, что ставит своей целью создать часы, с помо­щью которых будет можно опреде­лять долготу на море. Тем не ме­нее ему не удалось добиться основной цели - заставить маятник правильно качаться в условиях на­хождения судна в открытом океане.

Более перспективными оказа­лись часы с волоском и балансо­вым регулятором хода, изобретенные около 1658 г. англи­чанином Гуком для навигации. Поскольку проблема точного определения долготы становилась для мореплавателей все более насущной, правительства разных стран и отдельные лица предлагали награды за ее решение. В 1714 г. английс­кое правительство установило премию от 10 до 20 тысяч фунтов стерлингов в зависимости от достигнутой точности. Все это, конечно, сильно поощряло дальнейшую работу.

Самой трудной задачей оказалось обеспечение постоян­ства хода часов при любой температуре - ведь размер ме­таллических деталей часов зависил от температуры, что, ко­нечно, сказывалось на их точности. Проблема была решена лишь к середине XVIII в. почти одновременно Гаррисоном (Англия), Лe Роси (Франция) и Бертудом (Швейцария). Награду английского правительства получил Гаррисон, ко­торый к 1759 г. сделал четыре хронометра (так стали назы­вать эти точные часовые механизмы). Тем не менее дальней­шие разработки часовых механизмов проводились на основе хронометра француза Лe Роси, сделанного им в 1766 г.

Часы Гюйгенса с маятниковым регулятором и шпиндельным спуском

Самые значительные усовершенствования в механизм часов были внесены во второй половине 17 века знаменитым голландским физиком Гюйгенсом, создавшим новые регуляторы как для пружинных так и для гиревых часов. Использовавшееся до этого в течении нескольких веков коромысло имело много недостатков. Его даже трудно назвать регулятором в собственном смысле этого слова. Ведь регулятор должен быть способен к самостоятельным колебаниям с собственной частотой. Коромысло же было, вообще говоря, только маховиком. Множество посторонних факторов влияло на его работу, что отражалось на точности хода часов. Механизм стал гораздо совершеннее, когда в качестве регулятора стал использоваться маятник.

Впервые мысль применить маятник в простейших приборах для измерения времени пришла великому итальянскому ученому Галилео Галилею. Сохранилось предание, что в 1583 г. девятнадцатилетний Галилей, находясь в Пизанском соборе, обратил внимание на раскачивание люстры. Он заметил, отсчитывая удары пульса, что время одного колебания люстры остается постоянным, хотя размах делается все меньше и меньше. Позже, приступив к серьезному изучению маятников, Галилей установил, что при малом размахе (амплитуде) раскачивания (всего несколько градусов) период колебания маятника зависит только от его длины и имеет постоянную длительность. Такие колебания стали называть изохронными. Очень важно, что при изохронных колебаниях период колебания маятника не зависит от его массы. Благодаря этому свойству маятник оказался очень удобным прибором для измерения небольших отрезков времени. На его основе Галилей разработал несколько простых счетчиков, которые использовал при проведении своих экспериментов. Но из-за постепенного затухания колебаний, маятник не мог служить для измерения длительных промежутков времени.

Создание маятниковых часов состояло в соединении маятника с устройством для поддержания его колебаний и их отсчета. В конце жизни Галилей стал конструировать такие часы, но дальше разработок дело не пошло. Первые маятниковые часы были созданы уже после смерти великого ученого его сыном. Однако устройство этих часов держалось в строгом секрете, поэтому они не оказали никакого влияния на развитие техники. Независимо от Галилея в 1657 г. механические часы с маятником собрал Гюйгенс. При замене коромысла на маятник первые конструкторы столкнулись со сложной проблемой: как уже говорилось, маятник создает изохронные колебания только при малой амплитуде, между тем, шпиндельный спуск требовал большого размаха. В первых часах Гюйгенса размах маятника достигал 40-50 градусов, что неблагоприятно сказывалось на точности хода. Чтобы компенсировать этот недостаток, Гюйгенсу пришлось проявить чудеса изобретательности. В конце концов он создал особый маятник, который в ходе качания изменял свою длину и колебался по циклоидной кривой. Часы Гюйгенса обладали несравнимо большей точностью, чем часы с
коромыслом. Их суточная погрешность не превышала 10 секунд (в часах с коромысловым регулятором погрешность колебалась от 15 до 60 минут).

Замечательный пример из истории применения физических открытий - история часов.

В 1583 году девятнадцатилетний студент Галилео Галилей, наблюдая за колебаниями люстры в соборе, заметил, что промежуток времени, в течение которого происходит одно колебание, почти не зависит от размаха колебаний. Для измерения времени юный Галилей использовал свой пульс, потому что точных часов тогда еще не было. Так Галилей сделал свое первое открытие. Впоследствии он стал великим ученым (его имя мы не раз встретим на страницах этого учебника).

Это открытие Галилея использовал в 17-м веке голландский физик Христиан Гюйгенс (о его открытиях узнаем в старших классах, когда будем изучать световые явления). Гюйгенс сконструировал первые маятниковые часы: в них время измеряется числом колебаний груза, подвешенного на стержне. Маятниковые часы были намного точнее своих предшественников - песочных, водяных и солнечных часов: они отставали или спешили всего на 1-2 минуты в сутки. И сегодня еще в некоторых домах можно увидеть маятниковые часы (рис. 2.4, а): они мерно тикают, превращая секунды будущего в секунды прошлого.

Рис. 2.4. Первыми точными часами были маятниковые часы, но они были довольно громоздкими (а). Намного более удобны пружинные часы - их можно носить на руке (б). Самыми распространенными сегодня являются кварцевые часы (в)

Однако маятниковые часы довольно громоздкие: их можно поставить на пол или повесить на стену, но нельзя положить в карман или носить на руке. В 17-м веке английский физик Роберт Гук, изучая свойства пружин, открыл закон, названный впоследствии его именем (мы вскоре познакомимся с этим законом). Одно из следствий закона Гука похоже на открытие юного Галилея: оказывается, промежуток времени, в течение которого пружина совершает одно колебание, также почти не зависит от размаха колебаний. Это позволило сконструировать пружинные часы (18-й век). Мастера-часовщики научились делать их такими маленькими, что эти часы можно было носить в кармане или на руке (рис. 2.4, б). Точность хода пружинных часов примерно такая же, как маятниковых, но пружинные часы надо заводить каждый день, и к тому же они иногда начинают сильно спешить или отставать, а то и вовсе останавливаются. Сколько людей опоздали на поезд или на свидание только из-за того, что их часы отстали или их забыли в этот день завести!

В 20-м веке, изучив электрические свойства кварца (распространенного минерала), ученые и инженеры создали кварцевые часы - намного более надежные и точные, чем пружинные. Кварцевые часы не надо заводить: они работают от батарейки, которой хватает на несколько месяцев и даже лет, а погрешность их хода составляет не более нескольких минут за год. В наши дни именно кварцевые часы стали наиболее распространенными (рис. 2.4, в).

А самыми точными сегодня являются атомные часы, действие которых основано на колебаниях атомов.

Проблема измерения времени издавна стоит перед человеком. Сегодняшнее человеческое общество вообще не смогло бы наверное существовать без часов - приборов для точного измерения времени. Поезда не смогли бы ходить в соответствии с расписанием, рабочие завода не знали бы, когда приходить на работу, а когда уходить домой. С этой же проблемой столкнулись школьники и студенты.

В принципе, отмерять достаточно большие промежутки времени человек научился давно, ещё на рассвете своего развития. Такие понятия, как "сутки", "месяц", "год" появились ещё тогда. Первыми, кто разделил сутки на промежутки времени были, наверное, древние египтяне. В их сутках было 40 унут. И если промежуток времени в одни сутки можно измерить естественным образом (это время между двумя кульминациями Солнца), то для измерения более коротких промежутков времени необходимы специальные приборы. Это - солнечные, песочные и водяные часы. (Хотя, момент кульминации Солнца тоже без специальных приборов не определишь. Простейший специальный прибор - это палка, воткнутая в землю. Но об этом - как-нибудь в другой раз.) Все эти виды часов были изобретены ещё в античные времена и обладают рядом недостатков: они либо слишком неточны, либо отмеряют слишком короткие промежутки времени (например, песочные часы, больше подходящие в качестве таймера).

Особую важность точное измерение времени получило в средние века, в эпоху бурного развития мореплавания. Знание точного времени было необходимо штурману корабля для определения географической долготы. Поэтому, потребовался особо точный прибор для измерения времени. Для работы такого прибора необходим некий эталон, колебательная система, совершающая колебания за строго равные промежутки времени. Такой колебательной системой стал маятник.

Маятником называют систему, подвешенную в поле тяжести и совершающую механические колебания. Простейшим маятником является шарик, подвешенный на нити. Маятник обладает рядом интересных свойств. Важнейшим из них является то, что период колебаний маятника зависит только от длины подвеса и не зависит от массы груза и амплитуды колебаний (то есть, величины размаха). Это свойство маятника было впервые исследовано Галилеем.

Галилео Галилей

Галилея побудило к глубоким исследованиям маятников наблюдение колебаний люстры, в Пизанском Соборе. Эта люстра свисала с потолка на 49-метровом подвесе.

Пизанский собор. В центре снимка - та самая люстра.

Так как точных приборов для измерения времени тогда ещё не было, в своих опытах Галилей использовал в качестве эталона биение своего сердца. Он опубликовал исследование колебаний маятника и заявил, что период колебаний не зависит от их амплитуды. Так же было обнаружено, что периоды колебаний маятников соотносятся как квадратные корни из его длины. Эти исследования заинтересовали Христиана Гюйгенса, который первым предложил использовать маятник в качестве эталона для регулирования хода часов и первым создал реально действующий образец таких часов. Пытался создать маятниковые часы и сам Галилей, однако он умер не успев закончить эту работу.

Так, или иначе, но на несколько столетий вперёд эталоном для регулирования хода часов стал маятник. Маятниковые часы, созданные в этот период обладали достаточно высокой точностью, чтобы использовать их в навигации и в научных исследованиях и просто в быту. Только в середине ХХ века он уступил место кварцевому осциллятору, применяемому почти повсеместно, так как частота его колебаний более стабильна. Для ещё более точного измерения времени служат атомные часы с ещё более стабильной частотой колебаний регулятора хода. В них для этого используется цезиевый эталон времени.

Христиан Гюйгенс

Математически, закон колебаний маятника выглядит следующим образом:

В этой формуле: L - длина подвеса, g - ускорение свободного падения, Т - период колебаний маятника. Как видим, период Т не зависит ни от массы груза, ни от амплитуды колебаний. Он зависит только от длины подвеса, и ещё от значения ускорения свободного падения. То есть, к примеру, на Луне, период колебаний маятника будет другим.

А теперь, как я и обещал, даю ответ на задачку, опубликованную . Для того, чтобы измерить объём комнаты, надо измерить её длину, ширину и высоту, а потом перемножить их. Значит, необходим какой-нибудь эталон длины. Какой? Линейки - то у нас нет!!! Мы берём ботинок за шнурок и раскачиваем его как маятник. Секундомером мы измеряем время нескольких колебаний, к примеру - десяти, и поделив его на число колебаний, получаем время совершения одного колебания, то есть - период Т . А, если известен период колебаний маятника, то из уже известной вам формулы ничего не стоит высчитать длину подвеса, то есть - шнурка. Зная длину шнурка, мы пользуясь им как линейкой без труда вычислим длину, ширину и высоту комнаты. Вот такое решение казалось бы сложной задачки!!!

Спасибо за внимание!!!