Осциллирующие часы
Автор | Кристиан Гюйгенс |
---|---|
Язык | латинский |
Жанр | Физика , Часовое искусство |
Опубликовано | 1673 |
Horologium Oscillatorium: Sive de Motu Pendulorum ad Horologia Aptato Demonstrationes Geometricae ( английский : «Маятниковые часы: или геометрические демонстрации относительно движения маятника применительно к часам ») — книга, опубликованная голландским математиком и физиком Христианом Гюйгенсом в 1673 году, и его основная работа по маятник и часовое дело . [1] [2] Она считается одной из трех наиболее важных работ по механике 17 века, двумя другими являются Беседы « и математические демонстрации, относящиеся к двум новым наукам» (1638 г.) и Ньютона « Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» (1687 г.). [3]
Гюйгенса — это нечто большее, чем просто описание часов. «Horologium Oscillatorium» Это первый современный трактат, в котором физическая проблема ( ускоренное движение падающего тела) идеализируется с помощью набора параметров, а затем математически анализируется, и представляет собой одну из плодотворных работ прикладной науки. математика . [4] [5] [6] Книга также известна своим странно сформулированным посвящением Людовику XIV . [7] Появление книги в 1673 году было политическим вопросом, так как в то время Голландская республика находилась в состоянии войны с Францией ; Гюйгенс стремился показать свою преданность своему покровителю, что можно увидеть в подобострастной преданности Людовику XIV . [8]
Обзор
[ редактировать ]Мотивация создания часов Horologium Oscillatorium (1673 г.) восходит к идее использования маятника для измерения времени, которая уже была предложена людьми, занимающимися астрономическими наблюдениями, такими как Галилей . [4] Вместо этого механические часы в то время регулировались с помощью весов, которые часто были очень ненадежными. [9] [10] Более того, без надежных часов не было хорошего способа измерить долготу на море, что было особенно проблематично для такой страны, которая зависела от морской торговли, как Голландская Республика . [11]
Интерес Гюйгенса к использованию свободно подвешенного маятника для регулирования часов всерьез начался в декабре 1656 года. К следующему году у него была рабочая модель, которую он запатентовал, а затем передал другим, таким как Франс ван Скутен и Клод Милон . [8] [12] Хотя конструкция Гюйгенса, опубликованная в кратком трактате под названием «Часы» (1658 г.), представляла собой комбинацию существующих идей, она, тем не менее, стала широко популярной, и многие маятниковые часы Саломона Костера на ее основе были построены и его коллег. Существующие башни с часами , например, в Схевенингене и Утрехте , также были модернизированы по проекту Гюйгенса. [9] [13]
Вскоре после этого Гюйгенс продолжил свои математические исследования свободного падения и в 1659 году получил ряд замечательных результатов. [13] [14] В то же время он осознавал, что периоды простых маятников не являются совершенно таутохронными, то есть не сохраняют точное время, а зависят в некоторой степени от их амплитуды . [4] [9] Гюйгенс был заинтересован в том, чтобы найти способ заставить качание маятника двигаться надежно и независимо от его амплитуды. Прорыв произошел позже в том же году, когда он обнаружил, что способность сохранять идеальное время может быть достигнута, если траектория качания маятника является циклоидой . [10] [15] Однако было неясно, какую форму придать металлическим щекам, регулирующим маятник, чтобы направлять его по циклоидальной траектории. Его знаменитое и удивительное решение заключалось в том, что щеки также должны иметь форму циклоиды в масштабе, определяемом длиной маятника. [9] [16] [17] Эти и другие результаты побудили Гюйгенса разработать свою теорию эволюты и послужили стимулом для написания гораздо более крупной работы, которая стала « Horologium Oscillatorium» . [8] [13]
После 1673 года, во время своего пребывания в Академии наук , Гюйгенс изучал гармонические колебания в более широком смысле и продолжил свои попытки определить долготу на море с помощью маятниковых часов, но его эксперименты, проводимые на кораблях, не всегда были успешными. [9] [11] [18]
Содержание
[ редактировать ]В предисловии Гюйгенс утверждает: [5]
Ибо не в природе простого маятника обеспечивать равные и надежные измерения времени… Но с помощью геометрического метода мы нашли другой и ранее неизвестный способ подвешивания маятника… [так что] время качания можно определить выбрано равным некоторому расчетному значению
Книга разделена на пять взаимосвязанных частей. Части I и V книги содержат описания конструкций часов. Остальная часть книги состоит из трех весьма абстрактных математических и механических частей, посвященных маятниковому движению и теории кривых . [1] За исключением части IV, написанной в 1664 году, вся книга была написана за три месяца, начиная с октября 1659 года. [4] [5]
Часть I: Описание осциллирующих часов.
[ редактировать ]Гюйгенс посвятил первую часть книги подробному описанию своей конструкции часов с колеблющимся маятником. Он включает в себя описание бесконечной цепи, линзообразного боба для уменьшения сопротивления воздуха, небольшого груза для регулировки качания маятника, спускового механизма для соединения маятника с шестернями и двух тонких металлических пластин в форме циклоид, закрепленных на с любой стороны, чтобы ограничить маятниковое движение. Эта часть заканчивается таблицей для поправки на неравенство солнечных дней , описанием того, как нарисовать циклоиду , и обсуждением применения маятниковых часов для определения долготы на море. [5] [8]
Часть II. Падение гирь и движение по циклоиде.
[ редактировать ]Во второй части книги Гюйгенс формулирует три гипотезы о движении тел, которые можно рассматривать как предшественников трех законов движения Ньютона . По сути, это закон инерции , влияние силы тяжести на равномерное движение и закон состава движения :
- Если нет силы тяжести и воздух не оказывает сопротивления движению тел, то любое из этих тел допускает продолжение единичного движения с равной скоростью по прямой.
- Действительно, это движение под действием силы тяжести и при любом направлении равномерного движения становится движением, состоящим из того постоянного движения, которое тело имеет сейчас или имело раньше, вместе с движением вниз под действием силы тяжести.
- Кроме того, любое из этих движений можно рассматривать отдельно, чтобы ни одно из них не мешало другому.
Он использует эти три правила, чтобы геометрически заново вывести первоначальное исследование Галилея о падении тел , включая линейное падение по наклонным плоскостям и падение по изогнутой траектории. [4] [19] Затем он изучает вынужденное падение, кульминацией которого является доказательство того, что тело, падающее по перевернутой циклоиде, достигает дна за фиксированный промежуток времени, независимо от точки на пути, в которой оно начинает падать. По сути, это показывает решение проблемы таутохроны , заданное циклоидной кривой. [8] [20] В современных обозначениях:
В Часть II включены следующие предложения: [8]
Предложения | Описание |
---|---|
1-8 | Тела, падающие свободно и по наклонным плоскостям. |
9-11 | Падение и подъем на произвольную поверхность. |
12-15 | Касательная циклоиды, история проблемы и обобщение на подобные кривые. |
16-26 | Падение через циклоиду. |
Часть III: Размер и эволюция кривой
[ редактировать ]В третьей части книги Гюйгенс вводит понятие эволюты как кривой, которая «разворачивается» (лат. Evolutus ), образуя вторую кривую, известную как эвольвента . Затем он использует эволюты, чтобы обосновать циклоидальную форму тонких пластин в Части I. [8] Первоначально Гюйгенс открыл изохронизм циклоиды, используя бесконечно малые методы, но в своей последней публикации он прибегнул к пропорциям и доведению до абсурда в манере Архимеда , чтобы исправить такие кривые, как циклоида, парабола и другие кривые более высокого порядка . [5] [16]
В Часть III включены следующие предложения: [8]
Предложения | Описание |
---|---|
1-4 | Определения эволюты, эвольвенты и их взаимосвязь. |
5-6, 8 | Эволюция циклоиды и параболы. |
7, 9а | Ректификация циклоиды, полукубической параболы и история проблемы. |
9б-е | Площади кругов равны поверхностям коноидов; выпрямление параболы, равное квадратура гиперболы; аппроксимация логарифмами. |
10-11 | Эволюты эллипсов, гипербол и любой заданной кривой; исправление этих примеры. |
Часть IV: Центр колебаний или движения
[ редактировать ]Четвертая и самая длинная часть книги содержит первую успешную теорию центра колебаний вместе со специальными методами применения теории и расчетами центров колебаний нескольких плоских и твердых фигур. [21] Гюйгенс вводит в свой анализ физические параметры, решая проблему сложного маятника . [22]
Он начинается с ряда определений и переходит к выводу предложений, используя принцип Торричелли : если некоторые гири начинают двигаться под действием силы тяжести, то центр тяжести этих гирь не может подняться на большую высоту, чем найденная. в начале движения. Гюйгенс использовал это как виртуальный принцип работы . [4] В процессе Гюйгенс получил решения динамических задач, таких как период колеблющегося маятника, а также составного маятника, центр колебаний и его взаимозаменяемость с точкой поворота, а также понятие момента инерции и постоянной гравитационного ускорения. . [5] [8] Он неявно использует формулу свободного падения . В современных обозначениях:
В Часть IV включены следующие предложения: [8]
Предложения | Описание |
---|---|
1-6 | Простой маятник, эквивалентный сложному маятнику с весами, равными его весу. длина. |
7-20 | Центр колебаний плоской фигуры и его соотношение с центром тяжести. |
21-22 | Центры колебаний обычных плоских и объемных фигур. |
23-24 | Приспособление маятниковых часов к небольшому весу; заявление на циклодический маятник. |
25-26 | Универсальная мера длины на основе второго маятника; константа гравитационное ускорение. |
Часть V: Альтернативная конструкция и центробежная сила
[ редактировать ]Последняя часть книги возвращается к конструкции часов, в которых движение маятника является круговым, а струна разматывается по эволюте параболы. Он заканчивается тринадцатью положениями о телах, находящихся в равномерном круговом движении, без доказательств и излагает законы центробежной силы для равномерного кругового движения. [23] Эти положения в то время внимательно изучались, хотя их доказательства были опубликованы только посмертно в « De Vi Centrifuga » (1703 г.). [4]
Краткое содержание
[ редактировать ]Многие из положений, найденных в Horologium Oscillatorium, не имели ничего общего с часами, а скорее указывали на эволюцию идей Гюйгенса. [6] Когда попытка измерить гравитационную постоянную с помощью маятника не дала последовательных результатов, Гюйгенс отказался от эксперимента и вместо этого идеализировал проблему в математическом исследовании, сравнивающем свободное падение и падение по кругу. [24]
Первоначально он следовал подходу Галилея к изучению падения, но вскоре отказался от него, когда стало ясно, что результаты нельзя распространить на криволинейное падение. Затем Гюйгенс решил эту проблему напрямую, используя свой собственный подход к анализу бесконечно малых, сочетающий аналитическую геометрию , классическую геометрию и современные методы бесконечно малых . [4] [25] Гюйгенс решил не публиковать большинство своих результатов с использованием этих методов, а вместо этого придерживался, насколько это возможно, строго классического изложения в манере Архимеда . [16] [26]
Прием
[ редактировать ]Гюйгенса Первоначальные отзывы о Horologium Oscillatorium в крупных исследовательских журналах того времени были в целом положительными. В анонимной рецензии в Journal de Sçavans (1674 г.) автор книги похвалил изобретение маятниковых часов, «которые приносят величайшую честь нашему столетию, поскольку имеют первостепенное значение... для астрономии и навигации», а также отметил изящная, но сложная математика, необходимая для полного понимания книги. [27] Другой обзор в Giornale de' Letterati (1674 г.) повторяет многие из тех же моментов, что и первый, с дальнейшим развитием испытаний Гюйгенса на море. Обзор в «Философских трудах» (1673 г.) также хвалил автора за его изобретение, но упоминал других участников разработки часов, таких как Уильям Нил , что со временем привело к спору о приоритете. [12] [27]
Помимо представления своей работы на рецензию, Гюйгенс разослал копии своей книги отдельным лицам по всей Европе, включая таких государственных деятелей, как Йохан Де Витт , и таких математиков, как Жиль де Роберваль и Григорий Сент-Винсент . Их оценка текста объяснялась не исключительно способностью понять его полностью, но, скорее, признанием интеллектуального положения Гюйгенса или его благодарности или братства, которые подразумевал такой дар. [11] Таким образом, отправка копий Horologium Oscillatorium работала аналогично подарку настоящих часов, которые Гюйгенс также отправил нескольким людям, включая Людовика XIV и великого герцога Фердинанда II . [27]
Математический стиль
[ редактировать ]Математику Гюйгенса в « Horologium Oscillatorium» и других источниках лучше всего охарактеризовать как геометрический анализ кривых и движений. По стилю она очень напоминала классическую греческую геометрию , поскольку Гюйгенс предпочитал произведения классических авторов, прежде всего Архимеда . [1] [13] Он также хорошо владел аналитической геометрией Декарта . и Ферма и использовал ее, в частности, в частях III и IV своей книги С помощью этих и других бесконечно малых инструментов Гюйгенс был вполне способен находить решения сложных проблем, которые сегодня решаются с помощью математического анализа , таких как доказательство теоремы единственности для класса дифференциальных уравнений или распространение методов аппроксимации и неравенства на случай второго порядка. дифференциалы. [4] [25]
Манера изложения Гюйгенса (т. е. четко сформулированные аксиомы, сопровождаемые предложениями) также произвела впечатление на современных математиков, включая Ньютона , который очень внимательно изучил предложения о центробежной силе и позже признал влияние Horologium Oscillatorium на свою главную работу . [17] Тем не менее, с появлением исчисления архимедов и геометрический стиль математики Гюйгенса вскоре вышел из употребления , что затруднило последующим поколениям оценку его работы. [9]
Наследие
[ редактировать ]Самым значительным вкладом Гюйгенса в Horologium Oscillatorium является его тщательное применение математики для объяснения маятниковых часов, которые были первыми надежными хронометристами, пригодными для научного использования . [4] На протяжении всей этой работы Гюйгенс продемонстрировал не только свое мастерство в геометрии и физике, но и в машиностроении . [28]
Его анализ циклоиды в частях II и III позже привел к изучению многих других подобных кривых, включая каустику , брахистохрону , кривую паруса и цепную линию . [9] физических проблем Гюйгенсом Кроме того, тщательное математическое разделение на минимум параметров послужило примером для других (таких как Бернулли ) в работе в области прикладной математики , которая будет продолжена в последующие столетия, хотя и на языке исчисления. [8]
Издания
[ редактировать ]Собственная рукопись книги Гюйгенса отсутствует, но свои записные книжки и корреспонденцию он завещал Библиотеке Лейденского университета , ныне находящиеся в Codices Hugeniorum . Большая часть справочного материала находится в Oeuvres Complètes , vols. 17-18. [8]
С момента публикации во Франции в 1673 году работа Гюйгенса была доступна на латыни и на следующих современных языках:
- Первая публикация. Колеблющиеся часы, или Движение маятников, приспособленное к часовому делу, геометрические демонстрации . латинский Париж: Ф. Мюге, 1673. [14] + 161 + [1] страницы. [1 ]
- Более позднее издание WJ's Gravesande. В Кристиани Гугении Зулихемии Опера вариация , 4 тт. латинский Лейден: Дж. Вандер Аа, 1724, 15–192. [Представитель. как Christiani Hugenii Zulichemii механические, геометрические, астрономические и прочие труды , 4 т., Лейден: Г. Потвлиет и др., 1751].
- Стандартное издание. В Oeuvres Completes , vol. 18. Французский и латынь. Гаага: Мартинус Нийхофф, 1934, 68–368.
- Немецкий перевод. Часы-маятник (пер. А. Хекшера и А. фон Эттингена), Лейпциг: Энгельманн, 1913 ( Классика точных наук Оствальда , № 192).
- Итальянский перевод. L'orologio a pendolo (пер. К. Пигетти), Флоренция: Барбера, 1963. [Также включает итальянский перевод Traité de la Lumière ].
- Французский перевод . Колебательные часы (пер. Ж. Пейру), Бордо: Бержере, 1980. [Фоторепортаж. Париж: Бланшар, 1980].
- Английский перевод. Часы с маятником Кристиана Гюйгенса, или геометрические демонстрации движения маятника применительно к часам (перевод Р. Дж. Блэквелла), Эймс: Издательство Университета штата Айова, 1986.
- Голландский перевод. Христиан Гюйгенс: «Маятниковые часы», исследование (перевод Дж. Аартса), Утрехт: Epsilon Uitgevers, 2015.
Ссылки
[ редактировать ]- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Гюйгенс, Кристиан; Блэквелл, Ричард Дж., пер. (1986). Horologium Oscillatorium (Часы-маятники, или Геометрические демонстрации движения маятника применительно к часам) . Эймс, Айова: Издательство Университета штата Айова. ISBN 0813809339 .
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Херивел, Джон. «Христиан Гюйгенс» . Британская энциклопедия . Проверено 14 ноября 2013 г.
- ^ Белл, AE (30 августа 1941 г.). «Часы-осцилляторы Христиана Гюйгенса» . Природа . 148 (3748): 245–248. дои : 10.1038/148245a0 . S2CID 4112797 . Проверено 14 ноября 2013 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Йодер, Джоэлла Г. (1988). Разворачивающееся время: Христиан Гюйгенс и математизация природы . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-34140-0 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж Брюс, И. (2007). Христиан Гюйгенс: Horologium Oscillatorium . Переведено и аннотировано Яном Брюсом.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Йодер, Джоэлла Г. (1 января 2005 г.). «Христиан Гюйгенс, книга о маятниковых часах (1673 г.)» . Знаковые сочинения по западной математике 1640–1940 : 33–45. дои : 10.1016/B978-044450871-3/50084-X . ISBN 9780444508713 .
- ^ Леви, Дэвид Х.; Уоллах-Леви, Венди (2001), Космические открытия: чудеса астрономии , Prometheus Books, ISBN 9781615925667 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л Йодер, Джоэлла Г. (2005), «Книга Христиана Гюйгенса о маятниковых часах 1673 года» , «Важные сочинения по западной математике 1640–1940 годов» , Elsevier, ISBN 9780080457444 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж г Бос, HJM (1973). Гюйгенс, Христиан . Полный словарь научной биографии , стр. 597-613.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Лау, К.И.; Плофкер, К. (2007), Шелл-Геллаш, А. (редактор), «Циклоидные маятниковые часы Христиана Гюйгенса» , Практические занятия по истории: ресурс для преподавания математики , Математическая ассоциация Америки, стр. 145–152, ISBN 978-0-88385-182-1
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Ховард, Николь (2008). «Маркетинговая долгота: часы, короли, придворные и Христиан Гюйгенс» . История книги . 11 : 59–88. ISSN 1098-7371 . JSTOR 30227413 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б ван ден Энде, Х., Хордейк, Б., Керсинг, В. и Мемель, Р. (2018). Изобретение часов с маятником: совместная работа по реальной истории .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Дейкстерхейс, Фокко Дж. (2008). «Стевин, Гюйгенс и Голландская республика» . Новый архив по математике (на голландском языке). С 5, том 9 (2): 100–107. ISSN 0028-9825 .
- ^ Дюшейн, Штеффен (2008). «Галилей и Гюйгенс о свободном падении: математические и методологические различия» . Динамис . 28 : 243–274. дои : 10.4321/S0211-95362008000100011 . hdl : 10481/77577 . ISSN 0211-9536 .
- ^ Лоддер, Дж. (2018). Радиус кривизны по Христиану Гюйгенсу , стр. 1-14.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Махони, М.С. (2000), Гросхольц, Э.; Брегер, Х. (ред.), «Гюйгенс и маятник: от устройства к математическому соотношению» , «Рост математических знаний » , Synthese Library, Springer Нидерланды, стр. 17–39, doi : 10.1007/978-94-015- 9558-2_2 , ISBN 978-90-481-5391-6
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Шаре, Ф. (2004). Гюйгенс и механика . Материалы международной конференции «Титан – от открытия к встрече» (13–17 апреля 2004 г.). Нордвейк, Нидерланды: Отдел публикаций ЕКА, ISBN 92-9092-997-9 , с. 55 – 65.
- ^ Эрлихсон, Герман (1 мая 1996 г.). «Открытие Христианом Гюйгенсом формулы центра колебаний» . Американский журнал физики . 64 (5): 571–574. дои : 10.1119/1.18156 . ISSN 0002-9505 .
- ^ Дюшейн, Штеффен (2008). «Галилей и Гюйгенс о свободном падении: математические и методологические различия» . Динамис . 28 : 243–274. дои : 10.4321/S0211-95362008000100011 . hdl : 10481/77577 . ISSN 0211-9536 . Проверено 27 декабря 2013 г.
- ^ Махони, Майкл С. (19 марта 2007 г.). «Христиан Гюйгенс: измерение времени и долготы на море» . Принстонский университет. Архивировано из оригинала 4 декабря 2007 г. Проверено 27 декабря 2013 г.
- ^ Габби, Алан (1980). Гюйгенс и механика. В HJM Bos, MJS Rudwick, HAM Snelders и RPW Visser (ред.), Исследования Христиана Гюйгенса (стр. 166–199). Светс и Цайтлингер Б.В.
- ^ Бевилаква, Фабио; Лидия Фаломо; Лусио Фрегонезе; Энрико Джанетто; Франко Джудизе; Паоло Маскеретти (2005). «Маятник: от вынужденного падения к концепции потенциала» . Маятник: научные, исторические, философские и образовательные перспективы . Спрингер. стр. 195–200. ISBN 1-4020-3525-Х . Проверено 26 февраля 2008 г. дает подробное описание методов Гюйгенса.
- ^ Гюйгенс, Кристиан (август 2013 г.). «Horologium Oscillatorium (английский перевод Яна Брюса)» . Проверено 14 ноября 2013 г.
- ^ Дейкстерхейс, ФК (2006). Линзы и волны: Христиан Гюйгенс и математическая наука оптика в семнадцатом веке . Springer Science & Business Media. стр. 96–97. ISBN 978-1-4020-2698-0 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Бос, HJM (1980). Гюйгенс и математика. В HJM Bos, MJS Rudwick, HAM Snelders и RPW Visser (ред.), Исследования Христиана Гюйгенса (стр. 126–146). Светс и Цайтлингер Б.В.
- ^ Дюшен, С. (2008). «Галилей и Гюйгенс о свободном падении: математические и методологические различия» . Динамис . 28 : 243–274. дои : 10.4321/S0211-95362008000100011 . hdl : 10481/77577 . ISSN 0211-9536 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Ховард, Северная Каролина (2003). «Христиан Гюйгенс: Построение текстов и аудитории — ProQuest» . стр. 162–177. ПроКвест 305334788 .
- ^ Марконелл, Мария Хелена (1999). Христиан Гюйгенс: иностранный изобретатель при дворе Людовика XIV: его роль предшественника машиностроения (докторская диссертация). Открытый университет.