ДИНАМИКА
ДИНАМИКА
Итак, в эпоху Возрождения были разрешены многие проблемы элементарной статики, значительные результаты получены в области кинематики. Динамика же фактически начинала делать только первые шаги.
Базой для этих первых шагов было, как и ранее, критическое комментирование представлений Аристотеля, связанных с понятием движения. Для Аристотеля понятие «местного», т. е. механического, движения является только частным случаем понятия изменения вообще. Это изменение должно иметь причину, вследствие которой оно продолжается в течение некоторого времени.
Как известно, аристотелевская традиция различала «естественное» и «насильственное» движения, из которых только второе требует вмешательства причины, внешней природе движущегося объекта. Это представление, господствовавшее в течение всего периода средневековья, стало тем тупиком, из которого следовало найти выход, чтобы механика получила условия для дальнейшего развития. Необходимо было преодолеть понятие о принципиальном различии между «естественным» и «насильственным» движениями и выработать единое представление о причинах движения вообще.
Существенные шаги в этом направлении были сделаны учеными эпохи Возрождения.
Одной из центральных проблем механики становится изучение движения брошенного тела, которое представляет собой сочетание «насильственного» и «естественного» движений[19].
Движение брошенного тела теперь рассматривается как «смешанное», которое начинается с помощью «насилия» и продолжается «естественным образом» лишь после некоторого переходного этапа. В связи с этим появляется представление о «составной» траектории такого движения, состоящей из трех участков: «насильственного» движения, «естественного» движения и переходного участка, промежуточного между ними.
Представление о «смешанном» движении в свою очередь породило многочисленные дискуссии, в основе которых лежали попытки сочетать традиционное понимание импетуса с необходимостью внести новое содержание в это представление.
Что такое импетус «смешанного» движения? Может ли он связать воедино оба эти принципа науки о движении, если для «естественного» движения он внутреннее свойство движущегося тела, а в случае «насильственного» движения он прилагается извне? Возможно ли одновременное существование обоих импетусов в «смешанном» движении и что происходит на промежуточном участке траектории брошенного тела? Традиционное представление исходило из положения, что независимо от того, является ли импетус причиной движения или порождается самим движением, в процессе самого движения он иссякает.
Теперь возникает представление о борьбе импетусов «естественного» и «насильственного» движений. Наиболее прост при этом случай вертикального падения тела, который можно было объяснить борьбой между одинаково направленными импетусами.
Характерным примером в этом смысле являются рассуждения Леонардо да Винчи в его комментарии к исследованию движения шара у Николая Кузанского.
Леонардо говорит о смешении того, что относится к двигателю, с тем, что относится к движущемуся телу, оперируя терминами «составной» и «разлагаемый». Четкого представления о движении брошенного тела он еще не имеет, хотя выдвигает некоторые соображения о составной траектории такого движения. По его представлению, вертикальное падение, которым заканчивается движение брошенного тела, есть признак того, что «насильственное» движение полностью исчерпано и уступило место «чисто естественному» движению. Промежуточную фазу он еще не рассматривает, а только подает мысль о ней.
Существенным вкладом в развитие динамических представлений этой эпохи явилось творчество Тартальи и Бенедетти.
Проблеме движения брошенного тела посвящен основной труд Тартальи «Новая наука» (в двух книгах), которая трижды переиздавалась в самой Италии и была переведена на английский, французский и немецкий языки. В предисловии к «Новой науке» Тарталья уточняет, что трактат посвящен не движению вообще, а движению тяжелого тела, т. е. баллистике.
Тарталью нельзя назвать создателем баллистики (этим занимался еще Леонардо да Винчи). Однако именно ему принадлежит первая попытка математизации этого до сих пор эмпирического искусства. Характерна в этом смысле сама структура «Новой науки»: она написана по образцу «Начал» Евклида.
В I и II предложениях «Новой науки» рассматривается «естественное» движение.
С одной стороны, Тарталья принимает классификацию Аристотеля, утверждая, что единственное «естественное» движение «одинаково тяжелого тела» — его падение. Все остальные (бросание снизу вверх, горизонтально или под углом к горизонту) — «насильственные», вызванные некоторой «движущей силой». Однако далее он подвергает сомнению основное утверждение Аристотеля, что скорость падения такого тела пропорциональна его весу. По мнению Тартальи, скорость падения пропорциональна высоте падения. «Всякое тело, — говорит он, — одинаково тяжелое [во всех своих частях], при естественном движении будет двигаться тем быстрее, чем больше станет удаляться от своего начала или приближаться к своему концу»{75}. Объясняя причину ускорения тела, он приводит образное сравнение со странником, возвращающимся на родину из далекого путешествия. По мере приближения к «родному гнезду» странник стремится идти с большим напряжением, причем тем большим, чем дальше место, из которого он идет. «То же самое, — говорит Тарталья, — делает тяжелое тело, двигаясь к своему гнезду, каковым является центр Мира, и с чем более далекого расстояния от этого центра оно движется, тем быстрее станет двигаться, приближаясь к нему»{76}.
Заметим, что, обращаясь к этому вопросу в I предложении, он еще не может совсем оторваться от традиционных взглядов, считая эквивалентным удаление тела от начала пути и его приближение к «естественному месту». Только во II предложении он формирует его более четко.
Мы видим, таким образом, что новые веяния у Тартальи своеобразно сочетаются со старыми представлениями (согласно Аристотелю) о стремлении тел к своему «естественному месту».
Несколько позже Тарталья в какой-то мере пытается преодолеть эту непоследовательность, рассматривая следующий мысленный опыт (к которому, впрочем, еще до него обращались представители Парижской школы «широт форм» Н. Орем и Альберт Саксонский, а также Леонардо да Винчи): если Землю просверлить насквозь и в это отверстие бросить тяжелое тело, то остановится ли оно в центре Земли, в котором должны останавливаться все тела, как это следует из концепции «естественного места»? Тарталья считает, что «скорость, заключающаяся в теле», заставляет его миновать центр, двигаясь «насильственным движением». Таким образом, по его представлению, «естественное движение» — падение к центру Земли — способно порождать «насильственное» — подъем. Обратное невозможно, так как (опять-таки согласно аристотелевской традиции) «естественное» движение имеет причину в самом себе.
В предложениях III и IV, аналогичных по структуре предложениям I и II, рассматриваются свойства «насильственного» движения, противоположные свойствам «естественного».
Тарталья утверждает, что при «насильственном» движении скорость постоянно уменьшается до тех пор, пока она не достигнет минимума, одного и того же для всех подобных движений. Чем больше пройденный путь, тем большая требуется начальная скорость.
Обращаясь далее к противопоставлению обоих видов движения, Тарталья вводит понятие «эффекта» движения». Эффект «естественного» движения зависит от высоты падения, эффект «насильственного» движения — от близости тела к отправной точке (в случае стрельбы — к стволу орудия). Таким образом, в какой-то степени Тарталья придает понятию «эффекта» смысл скорости.
«Естественное» движение всегда ускоренное, «насильственное» — всегда замедленное. Движение брошенного тела начинается с «насильственного», которое прекращается в точке, где скорость минимальна. Только после этого оно может продолжаться, но уже в виде «естественного».
Вторая книга «Новой науки» посвящена геометрии траекторий брошенных тел. Различие между обоими видами движений, по мнению Тартальи, проявляется в различии их траекторий. Траектория «естественного» движения — всегда вертикальная прямая, траектория «насильственного» движения может быть прямолинейной, криволинейной или составной.
В рассуждениях о составной траектории, состоящей из трех участков, Тарталья исходит из практики стрельбы. При стрельбе прямой наводкой, т. е. когда линия прицела параллельна оси ствола, траектория ядра почти строго прямолинейна на достаточно большом участке. Затем, на переходном участке, она имеет форму дуги круга и в нейтральной точке переходит в вертикаль. При горизонтальной стрельбе переходный участок равен четверти круга и соответственно больше или меньше ее, если прицел взят выше или ниже горизонтали.
Далее следует утверждение, что максимум расстояния, пройденного ядром, достигается при стрельбе под углом в 45° к горизонту. Это правильное утверждение не следует, однако, из предыдущих рассуждений и выдвинуто чисто интуитивно.
Следующая книга Тартальи, посвященная баллистике, — «Различные вопросы и изобретения», написанная в форме диалога между автором и несколькими собеседниками (литературный жанр, к которому впоследствии обратился Галилей), содержит некоторые уточнения его геометрии траекторий. В частности, он показывает, что, строго говоря, траектория «насильственного» движения не имеет никакой прямолинейной части.
Далее следует другое уточнение, что длина квазипрямолинейного участка траектории зависит не только от начальной скорости, но и от наибольшего угла стрельбы.
Современники Тартальи оценили лишь его вклад в геометрию траекторий. Для нас же теперь ясно, что основным его достижением на пути к созданию новой механики является анализ обоих видов движения и вывод об их симметрии, что позволило Тарталье прийти к выводу об их сочетании, хотя и не привело к понятию о единстве этих движений.
Решительный удар аристотелевской теории противопоставления «естественного» и «насильственного» движений нанес ученик Тартальи Джованни Бенедетти.
Обращаясь к проблеме падения тела, Бенедетти уже в своей первой книге «Решение всех задач Евклида, а также других при единственно заданном растворе циркуля» доказывает как истину то, что тела разной величины, но одинакового удельного веса будут падать с одинаковой скоростью[20].
Это новое утверждение Бенедетти отчетливо подразделяет на два момента:
1) падение определяется не весом тела, а избытком этого веса над весом равного ему объема окружающей среды;
2) исходя из понятия центра тяжести тела и его частей, он показывает, что каждая часть совершает при падении то же самое движение, что и все тело.
Вначале Бенедетти доказывает одинаковую скорость движения в пустоте для одинаковых тел того же удельного веса, но разной величины. Затем он переходит к рассмотрению падения тел в разных средах. То, что скорость падения в одной и той же среде разная при разных удельных весах, Бенедетти не доказывает. Из этого предположения он исходит в своих попытках определить величину скорости падения в зависимости от удельного веса (плотности) среды.
Скорости падения, полагает Бенедетти, пропорциональны «силе», т. е. разности веса и потери веса в среде[21]. Сущность рассуждений Бенедетти, как легко видеть, сводится к своеобразному (хотя и неверному) динамическому толкованию статического закона Архимеда: скорость падения пропорциональна весу тела, которое в любой среде теряет в весе столько, сколько весит вытесняемый им объем вещества.
Таким образом, в противоположность Аристотелю Бенедетти характеризует падение тел с помощью разности весов, а не с помощью их отношения. Заметим, что Галилей до открытия своего общего закона падения тел придерживался точки зрения Бенедетти, под существенным влиянием которого он находился в начале своего творческого пути. Таким значительным влиянием обладал уже юношеский труд Бенедетти.
Через тридцать лет после этого он публикует сборник своих трудов под названием «Книга различных математических и физических рассуждений», где излагает разработанное им учение, направленное против Аристотеля. Это учение — усовершенствованная теория «импетуса», которая сама по себе уже была ударом (хотя и нерешительным) по аристотелевской динамике. Согласно Бенедетти, «двигатель» не только не может быть вне движущегося тела, в частности в окружающей среде, но обязательно «вложен» в само тело. Поэтому два различных импетуса, «естественного» и «насильственного» движений, могут быть совместимы в одном и том же теле.
Импетус Бенедетти характеризует направлением, рассматривая его как некий прямолинейный элемент. Так, вращение волчка он объясняет прямолинейностью горизонтального и тангенциального импетусов, уравновешивающих «тяжесть» частей, к которым они приложены. Пока скорость волчка велика, это позволяет ему сохранять свое положение. Расходуясь, импетусы уступают место «тяжести», что ведет к падению волчка. Опираясь на эти рассуждения, Бенедетти показывает, что совершенного «естественного» движения (а им является только вечное и равномерное круговое движение) быть не может.
Таким образом, развивая теорию импетуса, он вплотную подошел к двум фундаментальным положениям: во-первых, совершенное «естественное» движение не существует; во-вторых, что самое существенное, в природе обоих традиционных видов переменного («естественного» и «насильственного») движения нет принципиального различия. Любое движение, возникающее по какой-либо причине или под действием «двигателя», осуществляется при помощи направленного прямолинейного импетуса. Четкой формулировки единства природы движения вообще у Бенедетти еще нет, но мы видим, что он достаточно близко к этому подошел.
Чтобы завершить характеристику творчества Бенедетти, следует остановиться на его критике положения Аристотеля о том, что движение падающего тела тем быстрее, чем оно ближе к «естественному месту». Как мы видели, Тарталья в первой книге «Новой науки» еще придерживался взгляда о формальной эквивалентности между удалением от начальной точки и приближением к конечной точке движения. Бенедетти же совершенно четко формулирует зависимость между скоростью и расстоянием от начальной точки движения. У Бенедетти это представление связано с учением об импетусе. Согласно его представлению, «воздействие» на падающее тело становится тем большим, чем дольше это тело движется. Ускорение при падении вызвано действием последовательных импетусов, непрерывно порождаемых самим движением по мере удаления движущегося тела от исходной точки.
«Прямолинейное движение, называемое естественным, — говорит он, — увеличивает все время свою скорость вследствие непрерывного воздействия, которое получает от причины, постоянно связанной с этим телом и являющейся естественным устремлением двигаться к своему месту по некоему кратчайшему пути»{77}.
По-новому подходит Бенедетти и к траектории «естественного» движения при падении. Для него вертикаль — это уже не путь, который ведет «путника» к «родному гнезду», а кратчайшее расстояние между двумя сферическими поверхностями, центры которых совпадают с центром Земли.
Творчество Бенедетти можно расценивать как существенную веху на пути, который привел к созданию классической механики (существенную именно потому, что его подход к понятию о единстве обоих видов переменного движения указывает, что именно следовало преодолеть, чтобы в ее развитии раскрылись действительно новые перспективы).
Говоря о попытках, предпринятых в XVI в. с целью объяснения закона падения тел, следует упомянуть, что первым, кто занимался систематическим экспериментальным изучением падения тел, был Стевин. Он писал: «Эксперимент, опровергающий Аристотеля, таков: возьми два свинцовых шара… и пусть вес одного в 10 раз больше другого. Дай им падать с одинаковой высоты в 30 футов на подставленную внизу доску или на другой твердый предмет, издающий звонкий звук. Тогда мы вполне убедимся, что более легкий шар не в 10 раз медленнее, чем тяжелый, а одновременно ударяет о доску, так что звук от обоих ударов кажется одним. То же самое бывает в телах равной величины, но весящих одно в 10 раз больше другого. Вот почему соотношение, указываемое Аристотелем, далеко от истины»{78}.
К эпохе Возрождения относятся и первые попытки приблизиться к понятию инерционного движения.
Некоторые соображения в этом смысле высказывал еще Аристотель, который утверждал, что приведенное в движение тело в пустоте должно либо находиться в покое, либо двигаться до бесконечности. Однако Аристотель приводит это соображение лишь как средство для доказательства (от противного) своего утверждения, что пустота в природе невозможна.
В попытках же, о которых идет речь, рассматривается не идеальный случай движения тела в пустоте, а конкретные случаи, когда устранены всякие поводы к изменению движения.
Для Николая Кузанского таким является случай движения идеального шара по идеальной горизонтальной плоскости. «Пусть пол совершенно плоский и шар совершенно круглый… Раз начав двигаться как таковой, такой шар никогда не перестанет двигаться, поскольку он не может менять свое состояние. Ведь движущееся не может перестать двигаться, не изменяя своего состояния в разное время. А потому шар, находясь на плоской и ровной поверхности, пребывая всегда в одинаковом состоянии, будучи однажды приведен в движение, двигался бы всегда»{79}.
В середине XVI в. движение шара по горизонтальной плоскости рассматривал Кардано. Он доказывал, что «всякое сферическое тело, касающееся плоскости в точке, движется в сторону под действием любой силы, способной разделять среду»{80}. Далее он утверждал, что для передвижения шара по горизонтальной плоскости достаточна сколь угодно малая или «никакая» сила. Если, по его мнению, устранить сопротивление воздуха, то тело будет двигаться всегда.
Еще более решительно высказывает эти мысли Стевин: «Любые тяжести, движимые по горизонтали, каковы корабли на воде, телеги на равнинах полей и т. п., не нуждаются для своего движения даже в силе одной мухи, если оставить в стороне те препятствия, которые создает окружающая среда и которые мешают движению, каковы вода, воздух, трение колес, осей, толчки и удары о мостовую дорог и т. п.»{81}.
Характерны размышления Кеплера по этому поводу. Небесное тело, по Кеплеру, имеет «в меру своей материи естественную неспособность переходить из одного места в другое, имеет естественную инерцию или покой и благодаря этому покоится в любом месте, где оно предоставлено самому себе» (дословно: «где оно находится в одиночестве»){82}.
«Всякое телесное вещество, или материя всех вещей, имеет то качество… что оно …неспособно само по себе переходить с одного места на другое, а потому тела должны быть притягиваемы или гонимы чем-то живым или иным»{83}.
Очевидно, что все упомянутые авторы были еще очень далеки от понимания самой сути закона инерции. Даже Кеплер понимает инерцию лишь как сопротивление тела силе, которая стремится вывести его из состояния покоя, но не изменить скорость его движения. Открыть первый закон движения удалось лишь Галилею.
Однако именно Кеплеру принадлежит попытка динамического подхода к объяснению движения небесных тел, которая стала вместе с тем первым шагом к созданию действительной небесной механики. Он еще понимал силу по-аристотелевски, как величину, пропорциональную скорости (а не ускорению). Убывание скорости планеты по мере возрастания ее расстояния от Солнца ассоциируется с формулировкой закона рычага, восходящей к «Механическим проблемам»: если планета дальше от Солнца, она «тяжелее» и поэтому должна двигаться медленнее.
Позже Кеплер ассоциирует свое понятие о силе тяготения с понятием о силе магнитного притяжения, исходя из представления о Земле как о большом магните.
С другой стороны, сила, действующая на планеты, по его мнению, «обнаруживает теснейшее родство со светом».
В то же время (хотя в большинстве случаев он говорил только о притяжении планет Землей) Кеплер высказывает и некоторые соображения о тяготении тел друг к другу. Сила такого тяготения, по Кеплеру, обратно пропорциональна объемам (массам) тел, поэтому при движении друг к другу они должны до встречи пройти расстояния, обратно пропорциональные их массам. Таким образом, и в этом случае он рассматривает скорости и расстояния в линейной зависимости от величины «движущей силы», т. е. еще «по-аристотелевски».
Объяснение движения небесных тел с помощью земной механики стало окончательно возможным только после того, как Декарт сформулировал принцип инерции для прямолинейного движения, а Галилей установил принципы относительности, инерции, независимости действия сил и понятия скорости в данной точке, ускорения, сложения движений. Они, хотя и не были доведены до своего окончательного выражения, составили тот остов, на который могли опираться дальнейшие исследования. В сочетании с законами Ньютона это позволило создать единую механику, объединяющую законы криволинейного движения Кеплера и принципы динамики Галилея.