Мы ценим Галилея за фантастические достижения в области астрономии и его блестящую защиту гелиоцентрической теории нашей Солнечной системы. Он также внес огромный вклад в создание основ механики, которые часто упускают из виду.
На современном языке Галилео можно было бы назвать физиком-теоретиком или физиком-экспериментатором. Помимо тщательно выполненных экспериментов, Галилео также известен как мастер экспериментов Геданкен (мыслительных экспериментов).
Основное внимание в этой статье будет уделено экспериментам, которые он провел, и его теоретическим выводам, которые оказали глубокое влияние на Ньютона. В недавнем переводе книги Principia авторы утверждают, что Ньютон отдал должное Галилею как за первый, так и за второй законы динамики, которые составляют большую часть основы классической механики.
В этой статье я рассмотрю его вклад в механику, включая теорию относительности Галилео - предшественника теории относительности Эйнштейна. Это исследования равномерно ускоренных объектов, включая свободно падающие тела, объекты на наклонных плоскостях. Для более подробного описания его обширной работы в этой области, мы предлагаем читателям ознакомиться с работой Роберто Вергары Каффаре.
Относительность Галилео
Как мы все знаем, чашку кофе можно пить на самолете или поезде, который движется с постоянной скоростью, так же легко, как и стоя на станции. Однако пить один и тот же кофе в ускоренной системе, такой как ускоряющаяся машина или американские горки - это совсем другое предложение.
В 1632 году Галилей ввел этот принцип относительности, т.е. эквивалентность всех инерциальных рамок, чтобы утверждать, что движение Земли вокруг Солнца или вращение Земли вокруг его оси не должно иметь более заметных различий в свободном падении земных тел, чем можно было бы ожидать на стационарной Земле.
Разумеется, это было сделано для поддержки геоцентрической системы Коперника. В частности, Галилео представил аналитический эксперимент в "Диалогах о двух главных мировых системах", в котором он предположил, что шарик, упавший с мачты судна, ударится о судно у основания мачты независимо от того, было ли судно неподвижным или оно двигалось с постоянной скоростью. Равномерное движение судна не приведет к падению шарика за мачту. Его претензии не лишены оснований. Он увидел независимость вертикального и горизонтального движений снаряда и объяснил, что равномерное горизонтальное движение корабля не должно влиять на падающий шар. Иными словами, эксперимент, проведенный на палубе судна, не сможет определить, является ли судно неподвижным или движется с постоянной скоростью. Это утверждение, по-видимому, было подтверждено наблюдениями его друга Джованни Франческо Сагредо, математика и страстного путешественника, и экспериментально подтверждено эмпириком и математиком Пьером Гассенди. Никто до Галилея не говорил так ясно об этом принципе относительности. Влияние этого принципа на развитие механики, электродинамики и особой относительности невозможно переоценить.
Свободно падающие тела
Когда вещи движутся только под действием силы тяжести, это движение называется свободным падением. Это, вероятно, одна из областей механики, где вклад Галилея хорошо известен. Его наблюдения за свободным падением легли в основу законов гравитации Ньютона и Эйнштейна. Он предположительно сбросил с Пизанской башни два предмета разной массы, и они оба упали одновременно. Исходя из этого, он заметил, что все массы ускоряются с одинаковой скоростью под действием силы тяжести.
Законы динамики Ньютона: инерция
По словам Аристотеля, чтобы объект двигался даже с постоянной скоростью, нам нужна внешняя сила на объект. Галилео проверил этот принцип на прочность.
Как мы видим на рисунке, представленном ниже, мяч, выпущенный из точки А, поднимается на вторую доску до точки Б. Если угол наклона доски опускается, она поднимается до C. Каждый раз, когда она поднимается до той же высоты, что и точка отсчета A. Если мы будем продолжать опускать наклон второй доски, она будет двигаться все дальше и дальше, чтобы достичь той же высоты. Что если мы сделаем вторую планку горизонтальной? В этом случае мяч должен продолжать двигаться дальше и дальше в своих бесполезных попытках достичь высоты А - это закон инерции.
То есть, нам не нужно толкать объект, чтобы он двигался с постоянной скоростью на горизонтальной поверхности без трения. Это утверждение Первого закона Ньютона, которое сам Ньютон приписывает Галилею.
Заключение
Мы используем выражение "человек эпохи Возрождения" для обозначения человека, который преуспевает во многих областях одновременно. Галилей был фигурой не только исторически позднеевропейского Возрождения, но и того, чей ум и достижения коснулись многих областей: физики, астрономии, механики, религии и политики. Несмотря на то, что его часто омрачают противоречия, в которых он принимал участие, его вклад в понимание движения, инерции, ускорения и гравитации примечателен. Объяснение его реальных и мыслительных экспериментов в механике дает нам еще один способ оценить его огромный вклад в физику и человечество.