Архимед С. В. Житомирский

У нас вы можете скачать книгу Архимед С. В. Житомирский в fb2, txt, PDF, EPUB, doc, rtf, jar, djvu, lrf!

Он применил в геометрии метод "мысленного взвешивания", значительно развил предложенный греческим ученым Евдоксом "метод исчерпывания", позволивший исследовать свойства кривых второго порядка.

Однако научное творчество Архимеда не ограничено математикой. Он основоположник статики, гидростатики и математической физики вообще, выдающийся астроном и замечательный инженер. Именно этим сторонам деятельности великого ученого древности и посвящена настоящая книга. Из трудов Архимеда в указанных областях сохранилось очень мало.

Видимо, Архимед не описывал и своих физических опытов, которые несомненно производил. Мало сведений осталось и о его астрономических работах. Тем не менее многие результаты, полученные Архимедом в области механики и астрономии, восстановлены благодаря трудам исследователей его творчества.

Образ ученого, видевшего в математике не одну лишь игру возвышенного ума, а средство познания физических законов и орудие для решения сложных инженерных задач, близок нашему времени.

Известно, что он активно участвовал в обороне родных ему Сиракуз и созданные им машины сделали город неприступным; что он погиб при взятии города римлянами, происшедшего в результате предательства.

Это случилось в г. Византийский хронист конца XII в. Цеци, рассказывая о захвате Сиракуз, добавляет, что Архимеду в это время было около 75 лет. Отсюда вычисляется дата рождения ученого - г. Правда, другому свидетельству Цеци о применении Архимедом сжигающих зеркал - обычно не доверяют. Сам Архимед в одной из работ о результатах определения расстояний до Луны и Солнца приводит значения этих расстояний, которые получил его отец, и называет имя отца - Фидий.

Отсюда можно заключить, что отец ученого был астрономом. Земляк Архимеда, историк I в. Диодор Сицилийский пишет о водоподъемных винтах, изобретенных Архимедом Сиракузским во время его пребывания в Египте. О том, что Архимед учился математике в Александрии и связи с тамошними учеными не порывал, говорит также то, что большинство работ Архимеда написано в виде посланий александрийским математикам. Греческий писатель I в.

Плутарх вскользь упоминает, что Архимед был родственником царя Сиракуз Гиерона. Вот, собственно, и все факты. Для нашего времени он прежде всего математик, поскольку сохранившееся наследие Архимеда составляют математические труды.

Такому же представлению о нем способствует и рассказ Плутарха, рисующий Архимеда отрешенным от мира теоретиком. Но в более ранней характеристике, данной Архимеду греческим историком Полибием Полибий, описывая осаду Сиракуз, подробно рассказывает об архимедовых машинах, которые по его свидетельству были сооружены в мирное время задолго до нападения римлян.

Столетием позже римский писатель Тит Ливий, который в описании осады Сиракуз использует сочинение Полибия, характеризует ученого как астронома, единственного в своем роде наблюдателя неба и звезд, и еще более удивительного конструктора военных машин и сооружений.

Такая характеристика может указывать на то, что Архимед занимался астрономией в последние годы жизни и остался в памяти близких потомков астрономом. Но не исключено, что причиной этого является архимедов небесный глобус, вывезенный римлянами из Сиракуз в качестве трофея.

Диодор Сицилийский, о котором говорилось ранее, упоминает об Архимеде прежде всего как об изобретателе. По поводу архимедовых водоподъемных винтов он замечает: Мы обязаны ему еще многими другими, более замечательными изобретениями, известными всему миру.

Мы опишем их с тщательностью и в подробностях, когда дойдем до описания эпохи Архимеда". Этот талантливый полководец и политик, выходец из простого народа, объединил под властью Сиракуз почти всю Сицилию, вел успешные войны с Карфагеном, пытался подчинить Южную Италию правда, после его смерти Карфаген взял реванш и влияние Сиракуз уменьшилось.

Наиболее красочное из уцелевших описаний Сиракуз принадлежит Цицерону, хотя он описывает город, уже более сотни лет находившийся под властью Рима и сохранивший лишь малую долю былого великолепия: Их высокое местоположение не только содействует их безопасности, но имеет последствием и то, что город со всех сторон, и с суши, и с моря, представляет очень красивое зрелище.

Его гавани находятся внутри городской черты и отчасти окружены зданиями; открываясь в двух противоположных направлениях, они сливаются своими внутренними углами, вследствие чего та часть города, которая называется Островом, отделена узким проливом от материка, с которым ее соединяет мост. Город так велик, что его делят на четыре огромных города Один из них - Остров о котором я только что говорил , будучи окружен с двух сторон гаванями, вдается в море при входе в каждую из гаваней.

На нем находится прежний дворец царя Гиерона, а также множество храмов, из которых выделяются в сравнении с другими два: На крайней оконечности Острова есть источник пресной воды Аретуса, огромной величины, кишащий рыбой; морские волны затопили бы его совершенно, если бы он не был отделен от моря каменной дамбой. Второй город в Сиракузах называется Ахрадиной; здесь находится обширная площадь, прекрасные портики, великолепный пританей правительственное здание , величественное здание курии совета и храм Юпитера Олимпийского Зевса - образцовое произведение искусства; остальные части города, пересекаемые одной широкой и длинной улицей и множеством поперечных, застроены частными зданиями.

Третий город называется Тиха, так как там был древний храм Фортуны Тихи ; в нем огромный гимнассий стадион и множество храмов. Эта часть города застроена и заселена более других. Четвертый город - Неаполь новый город назван так потому, что был выстроен позже других. В самой возвышенной его части находится громадных размеров театр; кроме того, два прекрасных храма, один - Цереры Деметры , другой - Прозерпины Персефоны и колоссальная, чудной работы статуя Аполлона Теменита ". Огромное пространство, занимаемое городом, было обнесено стенами с большим количеством башен.

Стены составляли треугольник со сторонами длиной около 6 км. Особая внутренняя стена отделяла от остального города приморские районы - Ахрадину и Остров, а на холме, в дальнем от моря углу треугольника стен, возвышалась еще одна внутренняя крепость - Эвриал. По свидетельству Плутарха, Архимед, которому в это время было около 10 лет, был родственником Гиерона. Как и Агофокл, Гиерон выдвинулся из простых солдат. Судя по всему, это был человек выдающихся способностей.

Но времена изменились, о возвращении Сиракузам былого величия не приходилось и мечтать. Два могучих соперника - Рим и Карфаген - претендовали на власть над Сицилией. Непосредственным поводом для нее оказалась победа Гиерона над мамертинцами, наемниками-кампанцами, захватившими власть в Мессине. Часть разбитых мамертинцев призвала на помощь карфагенян, другая - римлян.

Гиерон в битве с римлянами потерпел крупное поражение, дело дошло до осады Сиракуз, но ему ценой выплаты Риму большой контрибуции удалось выйти из войны. После этого для Сиракуз наступил мирный период истории, который длился около 50 лет. Но Гиерон, готовый к любым неожиданностям, уделял большое внимание укреплению города, и далеко не последнюю роль в этих работах играл Архимед.

О том, что двор Гиерона был достаточно просвещенным, говорит факт посвящения Архимедом своей работы "Псаммит" сыну и соправителю Гиерона Гелону. Гиерон умер в г. За три года до его смерти Ганнибал перешел через Альпы и началась 2-я Пуническая война. Но пока Гиерон был жив, Сиракузам удавалось держаться от нее в стороне.

Полибий в своей "Всеобщей истории" так характеризует Гиерона: За всю свою власть он никого не убил, не изгнал, не обидел, а властвовал 54 года Нарисованный греческим писателем образ относится скорее к некоему идеализированному ученому-теоретику, чем к Архимеду.

Тем не менее рассказ Плутарха интересен не только как один из немногих уцелевших источников сведений об Архимеде, но и как свидетельство перешагнувшей века славы ученого, изобретателя и воина. Во всей геометрии нельзя найти более трудных и глубокомысленных задач, которые были бы решены так просто и ясно, как те, которыми занимался Архимед. Одни приписывают эту ясность его высоким дарованиям, другие же - тому напряженному труду, при помощи которого ему удавалось дать своим открытиям такое выражение, что они становятся доступными без труда.

Если читатель сам не находит доказательства, то при изучении архимедовых сочинений у него создается впечатление, что он и сам смог бы без труда найти решения, - таким легким и быстрым путем Архимед приводит к тому, что он хочет доказать. Поэтому не кажется невероятным, что он, как рассказывают, будучи околдован геометрией, забывал о пище и пренебрегал заботами о своем теле. Часто его насильно заставляли принимать ванну и натираться мазями, а он чертил на золе геометрические фигуры и на своем намазанном маслом теле проводил пальцем линии, - настолько он был охвачен этими занятиями и действительно одухотворен музами.

И хотя у него было много прекрасных открытий, он просил своих родственников и друзей начертить на его могиле только цилиндр и содержащийся в нем шар и указать соотношение между объемами этих тел.

Таков был Архимед, который благодаря своим глубоким познаниям в механике смог, насколько это от него зависело, сохранить от поражения и себя самого и свой город". С его именем связывается введение понятия центра тяжести, открытие законов рычага и разработка основ гидростатики.

Известно, что он занимался и геометрической оптикой, хотя его работы в этой области до нас не дошли. Для древних греков физика была целостным учением о мире и считалась частью философии. Ее практические стороны, такие, как механика, относились к прикладным дисциплинам. Математика хотя и применялась, но от нее не требовали ни строгости, ни полноты описания явлений.

Архимед первым подошел к решению физических задач с широким применением математики. Как уже говорилось, он начал с механики. Античные механические представления настолько отличались от наших, что сейчас воспринимаются с трудом, хотя "Физику" Аристотеля Аристотель разделял движения на "естественные" и "насильственные".

Естественным считалось стремление материи к своему "месту", зависящему от ее свойств, например стремление камня к центру ; Земли, огня - от Земли вверх. Насильственные движения предполагали внешнюю причину - приложение силы. Механика Аристотеля не знала явления инерции: Движение же по инерции объяснялось влиянием среды.

Так, последователи Аристотеля считали, что при бросании камня возникает воздушный вихрь, несущий его после того, как камень покинул руку. В своих трудах Архимед изучал только силы, которые с точки зрения аристотелевой механики вызывают "естественные" движения. Более того, он сразу упростил задачу, исключив из нее движение. До Архимеда закон рычага рассматривался в сочинении "Механические проблемы", автором которого долгое время считался Аристотель.

В "Механических проблемах", которые составлены в форме вопросов и ответов, содержится описание ряда инструментов и механизмов рычаг, колодезный журавль с противовесом, клещи, кривошип, полиспаст, зубчатые колеса, рычажные весы и объяснение их действия на основе "принципа рычага" и правила: Однако отсутствие ясности в постановке задач в ряде случаев приводило к совершенно неправильным представлениям.

Вот как, например, описывается в "Проблемах" работа корабельного руля: Быть может, потому, что руль есть рычаг, а рулевой есть то, что приводит его в действие? Стало быть, место, где он прикреплен к кораблю, становится точкой опоры, руль в целом рычагом, море - грузом, а рулевой - движущей силой".

Действие руля, основанное на силе реакции отталкиваемой им воды, разумеется, нельзя свести к простому рычагу. Нечетким рассуждениям, содержавшимся в "Механических проблемах", Архимед противопоставил безупречную теорию, построенную по законам геометрии. Архимед сделал в механике то, что греческие геометры сделали в египетской и вавилонской землемерной науке. Вместо полей они рассматривали отрезки плоскостей, вместо межевых границ - бесконечно тонкие и абсолютно прямые или имеющие строго обусловленную кривизну линии.

И тогда оказалось возможным найти между фигурами соотношения, о которых не подозревала восточная математика, удовлетворявшаяся решением практических задач. Архимед придал геометрическим фигурам вес, равномерно распределенный по площади или объему. В отличие от автора "Механических проблем" он рассматривает не реальные рычаги или барабаны, а их идеализированные схемы.

Это тем более замечательно, что Архимед был и блестящим практиком-конструктором. Из механических, вернее, механогеометрических сочинений Архимеда до нас дошли только два: Однако отрывки из его более ранних механических сочинений "О весах" и "О рычагах" сохранились в произведениях ряда авторов.

Наиболее важные из них, относящиеся к учению о центре тяжести, имеются в "Механике" александрийского ученого I в. Герона и в "Математической библиотеке" ученого III в. Герон и Папп приводят со ссылкой на Архимеда доказательство существования центра тяжести. Герон предваряет теорему фразой, относящейся к рассмотрению Архимедом идеализированных "физико-математических" тел метод абстракции. Если же мы говорим о плоских или телесных объемных фигурах, что некоторая точка является их центром поворота и центром тяжести, то это достаточно разъяснено Архимедом".

Эта фраза подтверждает, что замена тел их теоретическими моделями была в науке новшеством, введенным Архимедом. Архимедовы определение центра тяжести и теорему о его существовании мы приведем в пересказе Паппа.

Определение центра тяжести формулируется так: Доказательство существования центра тяжести также основано на мысленном уравновешивании тела. В нем тело мысленно помещают на горизонтальную прямую, являющуюся основанием вертикальной плоскости рис. Если затем переставить груз так, чтобы он касался прямой CD другой своей частью, то можно при поворачивании дать ему такое положение, что он, будучи отпущен, останется в покое Если снова вообразить плоскость ABCD продолженной, то она разделит груз на две взаимно уравновешивающиеся части и пересечется с первой плоскостью Если бы эти плоскости не пересеклись, то те же самые части были бы и уравновешивающимися и неуравновешивающимися, что нелепо".

Это означало бы, что к одной из частей добавился бы отнятый от второй части объем, заключенный между плоскостями, что должно было бы нарушить равновесие.

Путем подобных же рассуждений доказывается, что на линии пересечения плоскостей находится единственная точка, являющаяся центром тяжести.

Архимед решил ряд задач на нахождение центров тяжести различных геометрических фигур: Причем сохранившийся в "Механике" Герона отрывок из сочинения Архимеда показывает, что в этом сочинении рассматривался случай, когда точки приложения сил расположены на окружностях разного диаметра, имеющих общую точку поворота.

Это схема таких механизмов, как ворот, зубчатая передача и амфирион разновидность ворота, состоящая из сидящих на одном валу барабанов разного диаметра.

Приведя теорему, сводящую этот случай к рычагу, Герон пишет: Отсюда ясно, что можно сдвинуть большую величину малой силой". Но более серьезную разработку этих проблем Архимед предпринял позже в сочинении "О равновесии плоских фигур", состоящем из двух частей.

В первой приводится ряд аксиом и теорем общего характера, а во второй с их помощью решается задача о нахождении центра тяжести сегмента параболы. В этой работе Архимед впервые развил аксиоматический подход к механике. Он строит свою теорию на базе геометрии путем добавления к геометрическим аксиомам нескольких "механических" аксиом. Равные тяжести на равных длинах уравновешиваются, на неравных же длинах не уравновешиваются, но перевешивают тяжести на большей длине.

Если при равновесии тяжестей на каких-нибудь длинах к одной из тяжестей будет что-нибудь прибавлено, то они не будут уравновешиваться, но перевесит та тяжесть, к которой будет прибавлено". Архимед приводит семь аксиом и на их основании доказывает ряд теорем, касающихся определения общего центра тяжести двух или нескольких фигур. Нахождение общего центра тяжести фигур сводится к их уравновешиванию на воображаемом рычаге, поскольку такое уравновешивание произойдет, если точка подвеса окажется в этом центре.

Содержание закона рычага, выведенного из аксиом, заключено в следующих двух теоремах: Разумеется, для практики, когда требуются лишь приближенные расчеты, вторая теорема не нужна. Но она имеет глубокий теоретический смысл, показывая, что закон рычага действует при любых отношениях плеч, включая и иррациональные. Архимед не только ввел в геометрию новый класс задач определение центров тяжести фигур , но и впервые применил при их решении "механические" методы например, мысленное взвешивание для нахождения площадей сложных фигур.

Применив математику для изучения механического равновесия, Архимед показал, что математический подход к решению физических проблем не только помогает проникнуть в суть законов природы, но обогащает и саму математику.

© Крушина - дерево хрупкое Валентин Сафонов 2018. Powered by WordPress