С Древней Греции начинается период преднауки, когда впервые
выделяется наука о природе – физика. Термин «механика» в переводе с
греческого означает «мастерство», касающееся машин. В современной физике
«механика» присутствует в названиях таких разделов как классическая
механика, теоретическая механика, статистическая механика, квантовая
механика и других.
Мы будем рассматривать здесь открытия в области классической механики – это научное знание о движении макроскопических тел со скоростями, много меньшими скорости света, их взаимном расположении в пространстве и изменениями с течением времени. Общие законы движения и взаимодействия макроскопических тел со времен Исаака Ньютона (1643-1727) устанавливались на основе опытов и их обобщений.
До формирования основных положений классической механики прошло почти 2000 лет, когда в IV веке до н.э. древнегреческие ученые предприняли первые попытки научных обобщений в области статики (воздействие приложенных сил на равновесие тел). С помощью научных знаний в области механики греки строили дома, в военных целях на основе рычага были сконструированы краны, легко опрокидывающие корабли противника. Механика рассматривалась как чисто прикладная, практическая наука, не имеющая ничего общего с высокой чистой наукой, «просветляющейдушу человека».
Архимед родился около 287 г. до н.э. Он знаменит тем, что открыл
число (пи) для вычисления длины окружности в зависимости от ее радиуса,
нашел объем шара, а также способ вычисления расстояния от Земли до
некоторых планет. Этот гениальный механик-изобретатель написал только один
труд по прикладной механике «Об изготовлении небесной сферы», в остальных
его трудах нет ни одного описания механизма, из них тщательно устранено то,
что имеет прикладной характер, не описан ни один прибор. Сделанный им
небесный глобус, на котором можно было наблюдать не только движения светил, но и затмения, и который приводился в движение водой; изобретенная им машина для поливки египетских полей, целый ряд сложнейших военных машин – дают право говорить об Архимеде как инженере-изобретателе, проявлявшего гениальность в технической области. Он изобрел особый вид рычага и винт для подъема воды при искусственном орошении.
Рычаг был одним из древнейших орудий, который позволил выйти
человеку из беспомощного первобытного состояния. Этот загадочный механизм, при помощи которого можно малой силой поднимать большой груз, не мог казаться первобытному человеку чем-то сверхъестественным. Человек видел два ряда явлений: большое плечо рычага, описывающего большую дугу, и малое плечо, описывающее в тоже время малую дугу, причем оба сектора,
описываемые плечами рычага, подобны друг другу.
Эти аналогичные ряды явлений связаны между собой стержнем рычага. Воздействуя на одно плечо рычага, можно вызвать аналогичное действие в другом плече. Архимед объяснил принцип действия рычага. Он обнаружил, что в каждом теле есть центр тяжести. Это точка, за которую можно подвесить тело, чтобы оно сохраняло равновесие.
Архимед ограничил себя изучением законов равновесия: нахождением центров тяжести и исследованием уравновешенного и неподвижного рычага, и стал основателем новой науки ̶ статики. Вопросам теоретической механики посвящена первая книга дошедшего до нас сочинения «О равновесии плоских тел или о центрах тяжести плоских тел» в двух книгах.
Как же обосновывает закон рычага Архимед? Он выдвигал предварительные
условия (постулаты).
1. Равные веса, находящиеся на равных расстояниях (от точки опоры),
находятся в равновесии, а равные веса, находящиеся на неравных
расстояниях, не находятся в равновесии, но перевес происходит в сторону
того веса, который находится на большем расстоянии.
2. Если два веса, находясь на определенных расстояниях, уравновешивают
друг друга и если к одному из этих весов что-либо прибавить, то весы не
будут уравновешивать друг друга, но наклонятся к тому весу, который
увеличили.
3. Если подобным образом отнять что-либо от одного из весов, то весы не
останутся в равновесии, но склонятся к тому, от которого не отнимали.
4. Если равные и подобные плоские фигуры при наложении совпадают, то
совпадают и их центры тяжести.
5. Если две величины, находясь на известных расстояниях, уравновешивают
друг друга, то и равновеликие им величины (линии, плоскости и тела),
находясь на тех же расстояниях, уравновесят друг друга.
На основании этих постулатов Архимед сформулировал закон рычага:
«Соизмеримые величины уравновешиваются на длинах, которые будут
обратно пропорциональны тяжестям. Если величины будут несоизмеримы,
то они точно также уравновесятся на длинах, которые обратно
пропорциональны этим величинам». Легенда об Архимеде говорит о том,
что восхищенный своим открытием правила рычага, он воскликнул: «Дайте мне
точку опоры, и я переверну Землю».