Эксперимент Галилея с Пизанской башней
Между 1589 и 1592 гг. [ 1 ] Говорят, что итальянский учёный Галилео Галилей (тогда профессор математики в Пизанском университете ) сбросил «неравные гири одного и того же материала» с Пизанской башни, чтобы продемонстрировать, что время их падения не зависит от их массы, согласно биография ученика Галилея Винченцо Вивиани , составленная в 1654 году и опубликованная в 1717 году. [ 2 ] [ 3 ] : 19–21 [ 4 ] [ 5 ] Основная предпосылка уже была продемонстрирована итальянскими экспериментаторами несколькими десятилетиями ранее.
Согласно этой истории, Галилей в ходе этого эксперимента обнаружил, что объекты падали с одинаковым ускорением, доказав, что его предсказание верно, и в то же время опроверг . теорию гравитации Аристотеля (которая утверждает, что объекты падают со скоростью, пропорциональной их массе) Большинство историков считают, что это был мысленный эксперимент, а не физическое испытание. [ 6 ]
Фон
[ редактировать ]философ VI века Византийский греческий и комментатор Аристотеля Иоанн Филопон утверждал, что утверждение Аристотеля о том, что предметы падают пропорционально их весу, неверно. [ 7 ] К 1544 году, по словам Бенедетто Варки , предпосылка Аристотеля была опровергнута экспериментально по крайней мере двумя итальянцами. [ 8 ] В 1551 году Доминго де Сото предположил, что объекты в свободном падении ускоряются равномерно. [ 8 ] Два года спустя математик Джамбаттиста Бенедетти задался вопросом, почему два шара, железный и деревянный, падают с одинаковой скоростью. [ 8 ] Все это предшествовало рождению в 1564 году Галилео Галилея .
Эксперимент с Делфтской башней
[ редактировать ]
Похожий эксперимент был проведен в Делфте в Нидерландах математиком и физиком Саймоном Стевином и Яном Корнетсом де Гроотом (отцом Хьюго де Гроота ). Эксперимент описан в книге Стевина 1586 года De Beghinselen der Weeghconst ( «Принципы статики »), знаковой книге по статике :
Возьмем (как это сделали высокообразованный Ян Корне де Гроот, усердный исследователь тайн Природы и я) два свинцовых шарика, один в десять раз больше и тяжелее другого, и позволим им упасть вместе с высоты 30 футов высотой, и оно покажет, что самый легкий шар не движется в десять раз дольше, чем самый тяжелый, но они одновременно падают на землю. ... Это доказывает, что Аристотель не прав. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
эксперимент Галилея
[ редактировать ]В то время, когда Вивиани утверждает, что эксперимент имел место, Галилей еще не сформулировал окончательный вариант своего закона падения тел . Однако он сформулировал более раннюю версию, которая предсказывала, что тела из одного и того же материала, проходящие через одну и ту же среду, будут падать с одинаковой скоростью. [ 3 ] : 20 Это противоречило тому, чему учил Аристотель: тяжелые предметы падают быстрее, чем более легкие, и прямо пропорционально их весу. [ 3 ] : 9 [ 12 ] Хотя эта история была пересказана в популярных источниках, самого Галилея нет описания такого эксперимента, и многие историки полагают, что это был мысленный эксперимент . [ 13 ] Исключением является Стиллман Дрейк , который утверждает, что это произошло, более или менее, как описал Вивиани, как демонстрация для студентов. [ 3 ] : 19–21, 414–416
Свои представления о падении людей и о снарядах вообще Галилей изложил в книге « Две новые науки» (1638). Двумя науками были наука о движении, ставшая краеугольным камнем физики, и наука о материалах и конструкции, внесшая важный вклад в инженерное дело. Галилей пришел к своей гипотезе с помощью знаменитого мысленного эксперимента, изложенного в его книге « О движении» . [ 14 ] Он пишет:
Сальвиати . Если же мы возьмем два тела, у которых естественные скорости различны, то ясно, что при соединении обоих более быстрое будет отчасти заторможено более медленным, а более медленное будет несколько ускорено более быстрым. Вы не согласны со мной в этом мнении?
Симпличио . Вы, несомненно, правы.
Сальвиати . Но если это правда и если большой камень движется со скоростью, скажем, восьми, а меньший — со скоростью четыре, то при их соединении система будет двигаться со скоростью меньше восьми; но два камня, соединенные вместе, образуют камень больше, чем тот, который раньше двигался со скоростью восемь. Следовательно, более тяжелое тело движется с меньшей скоростью, чем более легкое; эффект, который противоречит вашему предположению. Таким образом, вы видите, как из вашего предположения, что более тяжелое тело движется быстрее, чем более легкое, я делаю вывод, что более тяжелое тело движется медленнее. [ 15 ]
Его аргумент заключается в том, что если мы предположим, что более тяжелые объекты действительно падают быстрее, чем более легкие (и наоборот, более легкие объекты падают медленнее), веревка вскоре натянется, поскольку более легкий объект замедляет падение более тяжелого объекта. Но рассматриваемая система в целом тяжелее , чем тяжелый объект в отдельности, и поэтому должна падать быстрее . Это противоречие приводит к выводу, что предположение неверно.
Более поздние выступления
[ редактировать ]Астронавт Дэвид Скотт провел версию эксперимента на Луне во время миссии «Аполлон-15» в 1971 году, выронив из рук перо и молот. Из-за незначительной лунной атмосферы не было никакого сопротивления перу, которое достигло лунной поверхности одновременно с молотом. [ 16 ]
Основная предпосылка этих экспериментов теперь известна как (слабый) принцип эквивалентности . Гипотеза Галилея о том, что инертная масса (сопротивление ускорению) равна гравитационной массе (весу), была расширена Альбертом Эйнштейном, включив в нее специальную теорию относительности , и эта комбинация стала ключевой концепцией, ведущей к развитию современной теории гравитации, общей теории относительности . Физические эксперименты, проведенные Галилеем, увеличили точность эквивалентности до одной триллионной части. [ 17 ]
См. также
[ редактировать ]- Эксперимент с Делфтской башней
- Конечная скорость (Объект, брошенный в воздух с достаточной высоты, достигнет постоянной скорости, называемой конечной скоростью, когда сила аэродинамического сопротивления, действующая вверх на тело, уравновешивает гравитационную силу (вес), тянущую тело вниз.)
- Эффект Нордтведта
- второй закон Ньютона
- Закон инерции
Примечания
[ редактировать ]- ^ Некоторые современные источники предполагают точную дату; например, Рэйчел Хиллиам дает 1591 ( Галилео Галилей: Отец современной науки , Издательская группа Розена, 2005, стр. 101).
- ^ Винченцо Вивиани (1717), Исторический отчет о жизни Галилео Галилея , стр. 606: [...демонстрируя это повторными экспериментами, проведенными с высоты Пизанской колокольни при вмешательстве других читателей, философов и всех студентов... [...Галилей показал это [все тела, независимо от их веса, падают с одинаковой скоростью] путем повторных экспериментов, проведенных с высоты Пизанской башни в присутствии других профессоров и всех студентов...].
- ^ Jump up to: а б с д Дрейк, Стиллман (2003). Галилей за работой: его научная биография (факсимическое издание). Минеола (Нью-Йорк): Dover publ. ISBN 9780486495422 .
- ^ «Научные технологии: история науки: установление истины» . Индус . 30 июня 2005 года. Архивировано из оригинала 2 ноября 2005 года . Проверено 5 мая 2009 г.
- ^ Винченцо Вивиани в музее Галилея
- ^ «Самый знаменитый эксперимент Галилея, вероятно, так и не состоялся» . Разговор . 16 мая 2019 г. . Проверено 17 мая 2019 г.
- ^ Вильдберг, Кристиан, « Джон Филопон », Стэнфордская энциклопедия философии (зимнее издание 2018 г.), Эдвард Н. Залта (ред.) «Что касается естественного движения тел, падающих через среду, Аристотель утверждал, что скорость равна пропорциональна весу движущихся тел и косвенно пропорциональна плотности среды. Филопон отвергает эту точку зрения, ссылаясь на тот же тип эксперимента, который Галилей должен был осуществить это столетия спустя (In Phys. 682–84)».
- ^ Jump up to: а б с Уоллес, Уильям А. (2018) [2004]. Доминго де Сото и ранний Галилей: Очерки интеллектуальной истории . Абингдон, Великобритания: Рутледж. стр. 119, 121–22. ISBN 978-1-351-15959-3 .
- ^ Давайте возьмем (как это сделал уважаемый Х. Ян Корнетс, ВЕЛИЧАЙШИЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬ тайн природы, и что я узнал) два верных сгустка, один в три раза больше и тяжелее другого, которые позволили им упасть вместе с высоты 30 футов. , на барте часто еще есть си меркелик гелуйт вопреки всему, и окажется, что самое легкое еще какое-то время будет самым тяжелым, а затем останется самым тяжелым, но в конце концов сольется настолько, что обе его стороны покажутся равным ударом. Он также находит его, с двумя равными телами, в трижды причиной несправедливости, поэтому вышеупомянутое равенство Аристотеля есть несправедливость. В: Саймон Стевин, De Beghinselen der Weeghconst , 1586.
- ^ Азимов, Исаак (1964). Биографическая энциклопедия науки и техники Азимова. ISBN 978-0385177719
- ^ Э. Дж. Дейкстерхейс, изд., Основные произведения Саймона Стевина . Амстердам, Нидерланды: CV Swets & Zeitlinger, 1955, том. 1, стр. 509, 511.
- ^ Шарратт, М. (1994). Галилей: решительный новатор . Издательство Кембриджского университета . п. 31. ISBN 0-521-56671-1 .
- ^ Гроло, Р. (июль 2002 г.). «Битва Галилея за небеса» . ПБС .
- ^ Ван Хелден, Альберт (1995). «В движении» . Проект Галилео .
- ^ «Галилей об Аристотеле и ускорении» . Проверено 24 мая 2008 г.
- ^ «Падение пера-молота Аполлона-15» . Луна: Наука НАСА . Проверено 5 сентября 2022 г.
- ^ Шламмингер, Стефан; Чой, Ки Ён; Вагнер, Тодд А.; Гундлах, Йенс Х.; Адельбергер, Эрик Г. (2008). «Проверка принципа эквивалентности с использованием вращающихся торсионных весов». Письма о физических отзывах . 100 (4): 041101. arXiv : 0712.0607 . Бибкод : 2008PhRvL.100d1101S . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.041101 . ПМИД 18352252 . S2CID 18653407 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Адлер, Карл Г. (1978). «Эксперимент Галилея и Пизанской башни». Американский журнал физики . 46 (3): 199–201. Бибкод : 1978AmJPh..46..199A . дои : 10.1119/1.11165 .
- Криз, Роберт П. (2006). «Легенда о падающей башне» . В зале, Линли Эрин (ред.). Законы движения: антология современной мысли . Перепечатка статьи в журнале Physics World , февраль 2003 г. (1-е изд.). Нью-Йорк: Паб Rosen. Группа. стр. 8–14 . ISBN 9781404204089 .
- Сегре, Майкл (1989). «Галилей, Вивиани и Пизанская башня» . Исследования по истории и философии науки . Часть А. 20 (4): 435–451. Бибкод : 1989ШПСА..20..435С . дои : 10.1016/0039-3681(89)90018-6 .