Сегодня,
11 января, исполнилось
469 лет со дня рождения
Гвидобальдо дель Монте.
Википедия
Гвидобальдо дель Монте (итал. Guidobaldo del Monte, маркиз; 11 января 1545, Пезаро — 6 января 1607, Момбароччо) — итальянский математик, механик, астроном и философ,
друг и покровитель Галилея. В русской научной литературе встречается множество вариантов написания его имени:
Гвидо Убальди, Гидо Убальди, Гвидо Бальди, Гвидобальди и др.
БиографияГвидобальдо родился в городе Пезаро (в то время — столица герцогства Урбино), в богатой и знатной семье; отец его, Раньери, получил от герцога Гвидобальдо II делла Ровере наследственный титул маркиза за военные заслуги. Учился при дворе герцога Урбино, а в 1564 году поступил в Падуанский университет, где в нём пробудился живой интерес к науке и где он подружился с поэтом Торквато Тассо. Затем юноша участвовал в военных действиях против турок-осман — в основном как военный инженер, строивший фортификационные сооружения.
По окончании кампании Гвидобальдо вернулся в родное имение — в Момбароччо (на полпути между Пезаро и Урбино) — и посвятил себя изучению различных наук (преимущественно математики, астрономии и физики). Математику и механику он изучал под руководством математика Федерико Коммандино (известного, в частности, своими переводами с греческого на латинский трудов древнегреческих математиков и механиков). В это время Гвидобальдо обрёл друга в лице Бернардино Бальди, который также был учеником Коммандино.
В 1588 году Гвидобальдо дель Монте был назначен генеральным инспектором укреплений Тосканского герцогства.
Ещё раньше (около 1586 года) он обратил внимание на 22-летнего талантливого физика и математика Галилея, к этому времени — автора нескольких оригинальных книг и изобретений, но оставшегося без средств к существованию. Маркиз взял его под своё покровительство и (через посредство своего брата-кардинала) представил тосканскому герцогу Фердинанду I Медичи. Это помогло Галилею получить свою первую научную должность — кафедру в Пизанском университете. Спустя 3 года (1592) маркиз помог Галилею стать профессором Падуанского университета, где он совершил свои знаменитые телескопические открытия.
Гвидобальдо скончался в Монтебароччо (Montebaroccio) в 1607 году.
Научная деятельностьТитульный лист книги Mechanicorum Liber, 1577
В XVI—XVII веках Гвидобальдо дель Монте пользовался большим уважением — в первую очередь как теоретик механики (хотя он занимался также математикой и астрономией). Известно, что его труды изучал Декарт. Даже в XIX веке цитаты из работ Гвидобальдо можно найти в статьях Лагранжа.
В двух сочинениях Гвидобальдо дель Монте — «Книга о механике» (1577) и «Замечания по поводу трактата Архимеда “О равновесии плоских фигур”» (1588) — рассматриваются вопросы статики (прежде всего, равновесия
«простых машин»). В этих работах Дель Монте, глубоко изучивший в своё время труды Архимеда, выступил как убеждённый сторонник геометрического варианта статики (и столь же убеждённый противник её кинематического варианта). В основу своей теории равновесия систем подвешенных тяжёлых тел он положил два закона: архимедов критерий расположения центра тяжести на вертикальной прямой, проходящей через точку подвеса и принцип равенства моментов сил относительно неподвижной точки рассматриваемой машины.
Задачи о равновесии
рычага,
ворота,
весов и
груза на наклонной плоскости Дель Монте решает, применяя геометрические методы статики. В то же время, излагая в своей «Книге о механике» теорию
полиспаста и рассматривая в этой связи задачу о равновесии груза, который поддерживается перекинутой через блоки верёвкой, Дель Монте в ходе решения данной задачи пользуется «золотым правилом механики» (т. е. одним из элементарных вариантов принципа возможных скоростей) и тем самым фактически обращается к раскритикованному им же кинематическому варианту статики.
Другой научный труд Гвидобальдо дель Монте относится к математической теории перспективы и называется «Перспективы» (в 6 книгах; опубликован в 1600 году). В нём он разрабатывал основы учения о перспективе и одним из первым показал, что параллельные линии в перспективе сходятся в одной точке. Эта работа Дель Монте приобрела немалую популярность среди художников, архитекторов и театральных режиссёров.
Астрономический труд Дель Монте «Об улитке» был издан посмертно.
Дель Монте принадлежат несколько изобретений, в том числе — оригинальный чертёжный инструмент, предназначенный для вычерчивания правильных многоугольников и деления отрезка на равные части.
Труды- Книга о механике (Mechanicorum liber). Pisauri, 1577
- Planisphaeriorum universalium theorica. Pisauri, 1579; Coloniae, 1581 (переиздание)
- De ecclesiastici calendarii restitutione. Pisauri, 1580
- In duos Archimedis aequeponderantium libros paraphrasis scholiis illustrata. Pisauri, 1588
- Перспективы (Perspectivae). Pisauri, 1600
- Об улитке (De cochlea). Venetiis, 1615
В тексте выделены некоторые предметы исследования дель Монте, на которых я хочу остановиться. Пусть они вам хорошо знакомы, но всё равно ))
1. Простейший механизм1. Простейший механизм
Простейшие механизмы — устройства, служащие для преобразования силы. Представляют собой элементы более сложных механизмов. Некоторые из простейших механизмов появились в глубокой древности.
Принято выделять шесть простейших механизмов, из которых четыре являются разновидностью двух основных:
Виды простейших механизмов
- Наклонная плоскость — простой механизм в виде плоскости, установленной под острым углом к горизонтальной поверхности.
- Клин — позволяет увеличить давление за счёт концентрации силы на малой площади. Используется в копье, лопате, пуле и др.
- Винт — используется в шурупах, для подъёма воды (Архимедов винт), в качестве сверла в дрелях, отбойных молотках и др.
- Рычаг — описан Архимедом. Используется для подъёма тяжестей, в качестве выключателей и спусковых крючков (шатун-кривошип — используется в ткацком станке, паровой машине, двигателях внутреннего сгорания).
- Ворот — используется для подъёма воды в колодцах, для ременной передачи и др.
- Блок — колесо с жёлобом, по которому пропускают верёвку, трос или цепь; применяется для изменения величины или направления силы.
- Колесо — используется на транспорте и в зубчатых передачах. Наиболее ранние находки колёс встречаются на территории современной Румынии (неолитическая культура Кукутени — Триполье) и датируются последней четвертью V тысячелетия до н. э.
- Поршень — позволяет использовать энергию расширяющихся нагретых газов или пара. Применяется в огнестрельном оружии и паровой машине.
Таблица простейших механизмов, из Циклопедии, 1728 год. Простейшие механизмы являются "букварём" для понимания более сложных механизмов.
2. Наклонная плоскость2. Наклонная плоскость
Наклонная плоскость — это плоская поверхность, установленная под углом к горизонтали. Наклонная плоскость является одним из простых механизмов. Она позволяет поднимать груз вверх, прикладывая к нему усилие, заметно меньшее веса этого груза.
Примерами наклонных плоскостей служат пандусы и трапы. Принцип наклонной плоскости можно видеть также в таких колющих и режущих инструментах, как стамеска, топор, плуг, клин, винт.
История
Пандусы и трапы широко применялись при строительстве ранних каменных сооружений, дорог и акведуков, при штурме военных укреплений.
Эксперименты с наклонными плоскостями, которые на заре Нового времени делали Леонардо да Винчи, Симон Стевин, Галилео Галилей и другие физики, привели к познанию законов природы, связанных с силой тяжести, массой, инерцией.
Равновесие на наклонной плоскости является хорошим примером для понимания того, как работает правило параллелограмма сил.
Здесь:
N — сила реакции опоры
m — Масса объекта
g — Ускорение свободного падения
θ (Тета) — Угол наклона плоскости
f — Сила трения
3. Весы3. Весы
Весы — устройство или прибор для определения массы тел (взвешивания) по действующему на них весу, приближённо считая его равным силе тяжести. Вес тела может быть определён как через сравнение с весом эталонной массы (как в рычажных весах), так и через измерение этой силы через другие физические величины.
История
Первые найденные археологами образцы весов относятся к V тысячелетию до н. э., применялись они в Месопотамии.
Весы хорошо видны на папирусе ХIX династии (около 1250 года до н. э.). Согласно древнеегипетской «Книге мертвых», Анубис, на входе в подземное царство взвешивает сердце всякого умершего на особых весах, где в качестве гири выступает богиня правосудия Маат.
Каменная стела I тысячелетия до н. э. (Турция) изображает хетта, использующего вместо поперечной планки балансовых весов собственный палец.
Историки приписывают римлянам изобретение принципиально новой системы измерения веса — при которой передвигается гиря, а точка опоры и положение привеса остаются неизменными. В Помпеях найден один из самых ранних безменов. У римского приспособления, в отличие от современного, было две шкалы и две ручки в виде крюков.
В Древней Руси товары взвешивали на равноплечих весах — скалвах. С XIV века на Руси появляется слово «безмен» (от тюрк. batman — мера веса около 10 кг).
Классификация по принципу действия
По тому, на каких физических законах основано взвешивание, весы можно разделить на рычажные (основаны на принципе рычага), пружинные (основаны на законе Гука, например, ручные пружинные весы), тензометрические (основаны на преобразовании деформации тензодатчика), гидростатические (основаны на действии архимедовой силы, применяются для измерения плотностей тел), гидравлические.
Старинные весы для взвешивания табака (1850-е годы)
4. Ворот4. Ворот
Ворот (от — воротить, крутить, вращать) — простейший механизм, предназначенный для создания тягового усилия на канате (тросе, верёвке). Синоним простейшей лебёдки. В более широком смысле воротом называют рычаг (для создания крутящего момента), совершающий при работе полный оборот (вороток в слесарном инструменте, вороты привода мельничных жерновов от лошадей).
Устройства, использующие принцип ворота:
- ворот колодца с ручкой;
- отвёртка (разница диаметров жала и ручки);
- велосипед (педали, вращающие звёздочку);
- рулевое колесо автомобиля, штурвал судна и т.п. средства управления.
Происхождение слова
Слово "ворот" происходят от латинского "vortex" - водоворот, от корня "vertere" вертеть.
Типы воротов
- Ворот простой — это древнейший механизм, состоящий из станка, в середине которого находится вал, который вертят посредством рычагов (вымбовки) и таким образом навивают на него веревку. С помощью этого ворота передвигают или поднимают разные тяжести.
- Ворот кривошипный — это ворот, на одном конце которого находится кривошипная рукоятка.
- Ворот сложный — это механизм, состоящий из станка с двумя желобоватыми чугунными валами, вращающимися в одно и тоже время, от вращения шестерни, приводимой в движение рычагами или вымбовками.
- Ворот временный — это механизм, применяемый для вытягивания простых судов на берег и других тяжестей, состоит из круглого обрубка дерева, который ставится вертикально и удерживается в таком положении с помощью веревки или оттяжек, укрепляемых к стойкам, в некотором расстоянии от установленного обрубка, в землю вколоченного; к самому же обрубку или валу, привязывается рычаг, служащий для вращения.
- Дифференциальный ворот — простейший механизм. Представляет собой два колеса, соединённые вместе и вращающиеся вокруг одной оси. Колёса при этом обязательно разного диаметра (что и составляет "different" - различие), при вращении большего колеса (ворота) на окружности меньшего колеса усилие возрастает (а скорость уменьшается) пропорционально отношению диаметров колёс. Например, это блок из двух или нескольких зубчатых колёс разного диаметра, расположенных на одном валу и скреплённых друг с другом в коробке передач автомобиля.
5. Рычаг5. Рычаг
Рычаг — простейшее механическое устройство, представляющее собой твёрдое тело (перекладину), вращающееся вокруг точки опоры. Стороны перекладины по бокам от точки опоры называются плечами рычага.
Рычаг используется для получения большего усилия на коротком плече с помощью меньшего усилия на длинном плече (или для получения большего перемещения на длинном плече с помощью меньшего перемещения на коротком плече). Сделав плечо рычага достаточно длинным, теоретически, можно развить любое усилие.
Частными случаями рычага являются также два других простейших механизма: Дифференциальный ворот и Блок.
Рычаги используются, чтобы получить большое усилие на коротком конце, прикладывая маленькое на длинном
История
Человек стал использовать рычаг ещё в доисторические времена, интуитивно понимая его принцип. Такие инструменты, как мотыга или весло, применялись, чтобы уменьшить силу, которую необходимо было прикладывать человеку. В пятом тысячелетии до нашей эры в Месопотамии применялись весы, использовавшие принцип рычага для достижения равновесия. Позже, в Греции, был изобретён безмен, позволивший изменять плечо приложения силы, что сделало использование весов более удобным. Около 1500 года до н. э. в Египте и Индии появляется шадуф(колодец с "журавлём"), прародитель современных кранов, устройство для поднимания сосудов с водой.
Неизвестно, пытались ли мыслители тех времён объяснить принцип работы рычага. Первое письменное объяснение дал в III веке до н. э. Архимед, связав понятия силы, груза и плеча. Закон равновесия, сформулированный им, используется до сих пор и звучит как: «Усилие, умноженное на плечо приложения силы, равно нагрузке, умноженной на плечо приложения нагрузки, где плечо приложения силы — это расстояние от точки приложения силы до опоры, а плечо приложения нагрузки — это расстояние от точки приложения нагрузки до опоры». По легенде, осознав значение своего открытия, Архимед воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!». Правда это сделать при своей жизни он бы не смог. Ведь для того чтобы поднять землю хотя бы на один сантиметр, неимоверно длинный рычаг пришлось бы двигать десятки миллионов лет(хотя бы со скоростью 1 сантиметр в минуту).
Гравюра из «Журнала механики», изданного в Лондоне в 1842 году, изображающая Архимеда, переворачивающего Землю с помощью рычага.
В 1773 году Джеймс Уатт предложил идею составного рычага, состоящего из двух или нескольких связанных друг с другом рычагов, который можно было использовать для ещё большего увеличения усилия. Пример составного рычага, используемого в повседневной жизни, можно найти в щипчиках для ногтей.
В современном мире принцип действия рычага используется повсеместно. Практически любой механизм, преобразующий механическое движение, в том или ином виде использует рычаги. Подъёмные краны, двигатели, плоскогубцы, ножницы, а также тысячи других механизмов и инструментов используют рычаги в своей конструкции.6. Полиспаст6. Полиспаст
Полиспаст (др.-греч. πολύσπαστον от πολύσπαστος — натягиваемый многими верёвками или канатами) таль, грузоподъёмное устройство, состоящее из собранных в подвижную и неподвижную обоймы блоков, последовательно огибаемых канатом или цепью, и предназначенное для выигрыша в силе (силовой полиспаст) или в скорости (скоростной полиспаст).
Крюковая подвеска с полиспастом