CC BY
161
УДК 621.313.1
А.Ф. Бурков, Дальрыбвтуз, Владивосток ОСНОВНЫЕ ОТКРЫТИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ МАГНЕТИЗМА, ЭЛЕКТРИЧЕСТВА, МАТЕМАТИКИ И МЕХАНИКИ ДО КОНЦА XVII ВЕКА
Приведены основные открытия и исследования в области магнетизма, электричества, математики и механики до конца XVII в.
Современное общество тесно связано с использованием электрического оборудования в различных областях.
Основными потребителями электрической энергии, вырабатываемой преимущественно электромеханическими
источниками - генераторами, являются электрические двигатели.
Термин «энергия» в современном его смысле ввел в науку в 1860 г. английский физик Уильям Томсон (Thomson) (1824-1907 гг.),
получивший за научные заслуги титул лорда Кельвина (Kelvin) [1, 2, 3] (рис. 1).
Предысторией проблемы
преобразования различных видов энергии в электрическую энергию, и наоборот, использования
электрической энергии на судах явились физические природные явления, проводимые опыты, теоретические разработки и их практическая реализация в виде создания опытных образцов, экспериментальных устройств и промышленных установок.
Человеческие цивилизации постоянно сталкивались с магнитными и электрическими явлениями, к которым в первую очередь относятся магнитные свойства материалов, электрическая молния и рыбы.
Мощность разряда электрической молнии достигает миллионы киловатт, электрическое напряжение - миллионы киловольт, а ток -сотни килоампер. Электрическая мощность у рыб намного меньше и достигает десятки киловатт, электрическое напряжение - единицы киловольт, а ток - десятки ампер.
Известно, что электрические и магнитные явления позднее стали относиться к отрасли науки и техники, называемой электротехника.
Первые упоминания о магнитных явлениях встречаются в далеком прошлом и относятся к У!!-У! вв. до н.э. [2].
Китайцам, а позднее народам Средиземного моря, была известна руда, обладающая способностью притягивать металлические предметы.
В [5] отмечено: «... От имени города Магнезии, служившего пунктом торговли финикийцев с народами далекого севера, минерал получил название магнита. В настоящее время мы называем естественным магнитом куски железной руды магнитного железняка .».
Магнит нашел практическое применение в Китае и Индии до н.э., в частности, при изготовлении магнитных компасов (рис. 2).
Рис. 2. Китайский магнитный компас [6]
По известным преданиям, об электрических явлениях одним из первых высказался древнегреческий философ Фалес из Милета (VI-V вв. до н.э.), рис. 3.
По его сообщению, кусок янтаря, натертый мехом или шерстью, на расстоянии нескольких сантиметров притягивает пушинки, соломинки, льняные нитки и пр. [8].
В IV в. до н.э., в период античного рабовладельческого общества (VI в. до н.э. - V в. н.э.), [9] крупнейший философ Древней Греции Платон (Platon) (428 или 427-348 или 347 гг. до н.э.), (рис. 4), отмечал: «... Божественная сила магнита передается от железа к железу, подобно тому, как вдохновение поэта передается через поэта его рассказчику и слушателю ...» [11].
В то же время происходит первое осмысление механики движения, которая в современном виде лежит в основе теории и практики электрических машин.
Древнегреческий философ и естествоиспытатель Аристотель (Aristotelgs) (384-322 гг. до н.э.) (рис. 5), сформулировал следующее положение: «... тело движется только при наличии внешнего на него воздействия ...», которое впоследствии сменило положение одного из основателей естествознания, итальянского физика, механика и астронома Галилео Галилея (Galilei) (1564-1642 гг.) (рис. 6).
Рис. 3. Фалес [7] Рис. 4. Платон [10]
Рис. 5. Аристотель [12]
Рис. 6. Галилей Г. [13]
Он отмечал: «... скорость, однажды сообщенная движущемуся телу, будет строго сохраняться, поскольку устранены внешние причины ускорения или замедления, - условие, которое обнаруживается только на горизонтальной плоскости, ибо в случае движения по наклонной плоскости вниз уже существует причина ускорения, в то время как при движении по наклонной плоскости вверх налицо замедление; из этого следует, что движение по горизонтальной плоскости вечно, ибо, если скорость будет постоянной, движение не может быть уменьшено или ослаблено, а тем более уничтожено ...» [14].
Таким образом, согласно положению Галилео Галилея, «... если на тело не производится никакого внешнего воздействия, то оно либо находится в состоянии покоя, либо движется прямолинейно с неизменной скоростью ...» [3].
Как отмечено в [14], «... переход от аристотелева образа мышления к галилееву положил самый важный краеугольный камень в обоснование науки. Прорыв был сделан, линия дальнейшего развития была ясна ...».
Первая теория магнитных явлений принадлежит английскому физику и придворному врачу королевы Елизаветы Уильяму (Вильяму) Гильберту (Gilbert) (1540-1 б0э гг.), рис. 7.
В 1600 г. им было опубликовано первое научное сочинение о магнетизме «О магните, магнитных телах и о большом магните -Земле», (рис. 8), в котором он утверждал, что Земля есть большой магнит. Кроме того, он установил, что многие тела (алмаз, сера, смола и др.), подобно янтарю, обладают свойством притягивать легкие предметы после натирания. Исследовав эти свойства, Гильберт назвал их электрическими (от греческого слова electron - янтарь) [16, 17].
Рис. 7. Гильберт У. (В). [15]
Рис. 8. Титульный лист книги У. (В). Гильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле» [8]
Таким образом, У. Гильберт впервые ввел термин «электричество», назвав «электрическими» тела, способные электризоваться [2], расширил и углубил знания, полученные в далеком прошлом.
Однако, сравнивая магнитные и электрические явления, У. Гильберт пришел к ошибочному заключению о различной природе этих явлений [17].
Следует отметить немецкого ученого монаха-иезуита Атанасиуса Кирхера (Athanasius Kircher) (1602-1680 гг.), (рис. 9), который в 1634 г. писал, что магнит любит красный свет и, будучи, завернут в красную материю, он становится сильнее и лучше сохраняет свою способность притягивать железо. Он объяснял это тем, что магнит - «царь камней» и ему свойственен пурпур [17, 19].
В середине XVII в. немецкий ученый Отто фон Герике (Guericke) (1602-1686 гг.), (рис. 10), сконструировал машину, включающую шар из серы, насаженный на ось [20].
Механизировав процесс натирания о шар, он обнаружил, что натертый шар активно притягивает, а затем отталкивает птичье перышко. Так было сделано одно из первых открытий в области электричества: «... электрическая сила, как и магнитная, может быть не только притягивающей, но и отталкивающей ...» [21].
Один из основоположников работ по электричеству, первый электротехник России Георг Вильгельм Рихман (1711-1753 гг.) (рис. 11) отмечал, что Герике дал «... отменный повод к дальнейшему расширению возбуждать электричество трением, но также сообщать
Рис. 9. Кирхер А. [18]
Рис. 10. О. фон Герике [20]
электричество другим телам, не электризующимся путем трения ...» [21].
Выдающийся французский философ и математик Рене Декарт (Descartes) (1596-165о гг.), (рис. 12), создал основы математики (от греческого слова mathema - знание), в первую очередь аналитической геометрии, и ввел оси координат (декартовая система координат) [4, 23].
Рис. 11. Рихман Г.В. [11] Рис. 12. Декарт Р. [22]
Кроме того, он использовал переменную величину, понятие которой легло в основу дифференциального и интегрального исчисления, разработанного английским математиком и физиком Исааком Ньютоном (Newton) (1643-1727 гг.), (рис. 13), и независимо от него немецким ученым Готфридом Вильгельмом Лейбницем (Leibniz) (1646-1716 гг.) - рис. 14.
В 1665-1667 гг. у И. Ньютона сформировались в основном те идеи, которые привели его к разработке дифференциального и интегрального исчисления, открытию закона всемирного тяготения.
Ньютон рассматривал вопросы механики (от греческого слова тёсИапё - орудие, машина), физики (от греческого слова рЬуБ|Б -природа) и математики, тесно связанные с научной проблематикой того времени [23, 26].
В 1687 г. был опубликован труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», значение которого трудно переоценить [27].
Обобщив результаты исследований, Исаак Ньютон сформулировал аксиомы, или законы движения, используемые в настоящее время, в том числе в теории и практике электромеханических преобразователей (генераторов и двигателей) [4].
Языком механики и физики является язык количественных соотношений. В этом случае большинство законов выражается формулами.
Для более глубокого понимания значимости открытий и исследований необходимо использование математического аппарата.
Согласно первому закону Ньютона - закону инерции, открытому Г. Галилеем, «... Всякое тело продолжает удерживаться в ... состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние ...» [27].
Второй закон Ньютона - закон пропорциональности количества движения силе - гласит: «. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует .» и имеет в современной интерпретации следующий аналитический вид:
где F - действующая сила; m - масса тела; V - скорость движения тела; t - время; a - ускорение тела при его движении.
По третьему закону Ньютона - закону равенства действия и противодействия - «... взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны ...».
Ньютон вывел также один из универсальных законов природы -закон всемирного тяготения, согласно которому «... все материальные тела притягивают друг друга, причем величина силы тяготения не зависит от физических и химических свойств тел, от состояния их движения, от свойств среды, где находятся тела ...» [28]
Г = т-----------------------= т ■ а,
(1)
где F1 - сила притяжения, направленная вдоль прямой, соединяющей материальные тела; G - постоянная (гравитационная); m1, m2 - массы материальных тел; r - расстояние между материальными телами.
Законы И. Ньютона лежат в основе созданной им единой системы классической механики.
Лейбницем в 1675 г. были получены первые результаты при разработке дифференциального и интегрального исчисления. В 1684 г. впервые был опубликован его очерк о дифференциальном исчислении, а в 1686 г. - об интегральном исчислении.
Готфрид В. Лейбниц дал определения «дифференциал» и
«интеграл», ввел знаки для их обозначения (d и J, соответственно).
Кроме того, ему принадлежит и ряд других определений, в том числе «функция», «переменная», «постоянная», «координаты», «алгоритм».
В противоположность Декарту, считавшему мерой движения «мертвую силу» (произведение массы на скорость), Лейбниц установил в качестве количественной меры движения «живую силу»
(кинетическую энергию, пропорциональную произведению массы тела на квадрат скорости), открыл закон сохранения «живых сил»,
явившийся первой формулировкой закона сохранения энергии [25].
Таким образом, до XVIII в. происходило первое осмысление
магнитных и электрических природных явлений. Особое место занимают наблюдения за механическими действиями Г. Галилея и магнитными явлениями У.(В.) Гильберта, исследования Р. Декарта в области математики, И. Ньютона и Г.В. Лейбница в области математики и физики, в первую очередь механики движения и тяготения.
Библиографический список
1. Томсон Уильям. Режим доступа: http://www. cultinfo.ru/fulltext/1/001.
2. Веселовский О.Н. Энергетическая техника и ее развитие / О.Н. Веселовский, Я.А. Шнейберг. М.: Высш. шк., 1976. 304 с.
3. Кириллин В.А. Страницы истории науки и техники. М.: Наука, 1986. 512 с.
4. Биографии. Уильям Томсон. Режим доступа: http://www.ssga.ru/ erudites_info/astronomy/outer_astr/0.
5. Магнетизм, электричество, гальванизм, индукция. 1908, 196 с.
6. Сан-Чунь В. Acta Universitatis Tsinghuanensis. 1955, вып. 1. С. 131.
7. Фале. Режим доступа: http://www.sunhome.ru/philosophy/110.
8. Вильям Гильберт. Режим доступа: http://www.home-edu.ru/user/f/ 00000951/biograf.
9. Виргинский В.С. Очерки истории науки и техники с древнейших времен до середины XV века / В.С. Виргинский, В.Ф. Хотеенков. М.: Просвещение, 1993. 288 с.
10. Большая советская энциклопедия: в 30 т. 3-е изд. М.: Советская энциклопедия, 1975. Т. 20. 608 с.
11. Иванов Б.И. История развития электротехники в Санкт-Петербурге / Б.И. Иванов, Л.М. Вишневецкий, Л.Г. Левин. СПб.: Наука, 2ОО1. 2О8 с.
12. Большая советская энциклопедия: в ЗО т. З-е изд. М.: Советская энциклопедия, 197О. Т. 2. 6З2 с.
13. Город эрудитов. Режим доступа: http://tambov.fio.ru/vjpusk/ vjp070/rabot/36
14. Эйнштейн А. Эволюция физики / А. Эйнштейн, Л. Инфельд / Пер. с англ. С.Г. Суворова. 2-е изд. М.: Наука, 1965. З28 с.
15. Энциклопедия - РОЛ. Режим доступа: http:// www.krugosvet.ru/ articles/04/1000447/0014819G
16. Большая советская энциклопедия: в ЗО т. З-е изд. М.: Советская энциклопедия, 1971. Т. 6. 624 с.
17. Шателен М.А. Русские электротехники XIX в. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1955. 449 с.
18. Kircher A. Режим доступа: http://www.zhurnal.ru/magister/library/ extelop/authors/k/kircher
19. Атлантида. Режим доступа: http://www.vlepp.serpukhov.su/ ~osadchiy/bd/atlantida1
20. Дальнейшие успехи экспериментальной физики Режим доступа: http://historic.ru/books/item/f00/s00/ z0000027
21. От проблем пустоты к проблемам электричества Режим доступа: http://connect.a133.hthosting.ru/article
22. Новая методология и новая организация науки. Бэкон и Декарт. Режим доступа: http://historic.ru/books/item/f00/s00/z0000027/st016
23. Философский словарь / Под ред. М.М. Розенталя. З-е изд. М.: Политиздат, 1972. 496 с.
24. Ньютон Исаак. Режим доступа: http://www.booksite.ru/fulltext/ 1/001/008/082/927
25. Большая советская энциклопедия: в ЗО т. З-е изд. М.: Советская энциклопедия, 197З. Т. 14. 624 с.
26. Локшина С.М. Краткий словарь иностранных слов. 10-е изд. М.: Русский язык, 1988. 6З2 с.
27. Большая советская энциклопедия: в ЗО т. З-е изд. М.: Советская энциклопедия, 1974. Т. 18. 6З2 с.
28. Вавилов С.И. Исаак Ньютон. Научная биография и статьи. М.: Изд-во АН СССР, 1961. 294 с.
