Великий механик: пять коротких историй из жизни Архимеда

Текст ниже не будет попыткой описать биографию великого древнегреческого ученого. Мы не так уж много знаем достоверных фактов о его биографии. Уделим внимание некоторым его научным результатам, многие из которых вам, наверняка, известны, но возможно удастся узнать и что-то новое. Ведь это биография его до нас не дошла, а вот труды сохранились - целых тринадцать книг.

А в заключении статьи посмотрим советский мультик: "Школьники Оля и Коля отправляются в древние Сиракузы, чтобы познакомиться со знаменитым учёным Архимедом. Они узнают много полезного о его открытиях и обстоятельства его жизни. В занимательной форме даётся представление о законах Архимеда."

История первая. Как взвесить корону

Эту историю все знают из школьных учебников. Правитель Сиракуз (города на Сицилии, где, собственно, и жил Архимед) Гиерон заподозрил, что ювелир, изготовивший ему новую корону, украл часть золота, заменив его серебром. И попросил Архимеда внести ясность в этот вопрос, не разрушая саму корону. Согласно легенде, мудрец долго искал способ как измерить плотность материала короны и в результате, открыл свой знаменитый закон: каждое тело, погруженное в жидкость, теряет столько своего веса, сколько весит вытесненная им жидкость.

Я тоже помню эту историю по школе. Но как мы, школьники, представляли себе процесс экспертизы короны. Архимед ставит сосуд, наполненный водой до краев, в таз, потом погружает в сосуд корону и замеряет, сколько воды вылилось, узнав тем самым ее объем. Потом взвесил корону, узнал ее массу. Поделил массу на объем вылитой воды, узнал плотность материала, сравнил с плотностью золота… Вопросом, откуда Архимед знал значение плотности золота в школе я не задавался.

Уже позже я услышал совсем другое описание этого эксперимента. Архимед взял рычажные весы, на один конец поместил корону, на другую некий вес, равный ей (например, песок). Потом поднес снизу к короне полное ведро воды и погрузил ее в ведро, не отцепляя от весов. Корона, понятно, потеряла часть своего веса и, чтобы снова уравновесить планку, груз надо было передвинуть ближе к центру весов. Замерив расстояние, на которое пришлось сдвигать противовес, Архимед повторил опыт с куском чистого золота, равным тому, что выдали ювелиру. Иначе говоря, Архимед придумал простой, но действенный способ сравнения плотностей разных веществ.

Легенда гласит, что опыт разоблачил жульничество ювелира, потому что противовес пришлось сдвигать иначе. Впрочем, это имело значение для Гиерона, а для науки, конечно, важнее сам принцип, который стал основным законом гидростатики.

История вторая. Как перевернуть корабль

«Дайте мне точку опоры, и я переверну мир», - это выражение Архимеда, наверное, так же знаменито, как и его «Эврика». Вообще-то, скорее всего так он не говорил, но нам в данном случае интересны обстоятельства, при которых это заявление, якобы, прозвучало. Как известно, речь шла о неограниченных возможностях рычага.

Сам рычаг был известен человечеству задолго до Архимеда (например, строителям египетских пирамид). Но именно Архимед сформулировал первую механико-математическую теорию рычага в трактате «О равновесии плоских фигур» и успешно применял ее на практике, создавая довольно сложные рычажные конструкции.

Когда по приказу все того же Гиерона был построен тяжелый многопалубный корабль «Сиракузия» (считается, что он весил более полутора тысяч тонн), встала проблема – как спустить его на воду, не разломав при этом. Понятно дело, снова привлекли Архимеда. В итоге, мудрец соорудил грузоподъёмное устройство, состоящее из собранных в подвижную и неподвижную обоймы блоков, последовательно огибаемых канатом – полиспаст.

По легенде, с помощью этого устройства он смог в одиночку приподнять корабль и перетащить его к воде. Тогда, дескать, он и выдал свой знаменитый афоризм.

Так это или нет, но Архимеда принято считать изобретателем этого устройства, которое по сей день широко используется, причем не только для перемещения грузов. Кстати, по другой легенде, когда римляне осадили Сиракузы, полиспастам нашлось и другое применение: защитники города цепляли крюками борта римских кораблей, приближавшихся к городским стенам и с помощью полиспастов (к которым крепились канаты с крюками) поднимали и переворачивали их. Такие устройства называли «коготь Архимеда».

История третья. Тела небесные

В 1900 году водолазы обнаружили в Эгейском море затонувший античный римский корабль. В течение следующего года с корабля подняли массу артефактов, самый известный получил название Антикитерского механизма. Это устройство и история его изучения заслуживают отдельного поста. Здесь же ограничусь кратким определением: он считается самым древним механическим вычислительным устройством, использовался для расчёта конфигурации движения всех известных в древности планет, включая Марс, Юпитер, Сатурн. Причем тут Архимед? Дело в том, что такое сложное устройство «на пустом месте» не построить, и одним из предшественников его создателей был как раз мудрый грек из Сиракуз.

Астрономия не относилась к главным научным интересам Архимеда. Но он все же написал астрономический трактат «О строении сфер», который, увы, до нас не дошел. Поэтому о его концепции мироустройства мы знаем только со слов других. Архимед в целом был согласен с геоцентрической картиной мира от Аристотеля, где в центре мироздания расположена Земля. Но при этом он считал, что Венера, Марс и Меркурий – обращаются вокруг Солнца и уже вместе с ним – вокруг Земли. В общем система получалась сложная, и чтобы сделать ее более наглядной Архимед (по свидетельству Цицерона) построил механическую модель движения Солнца, Луны, планет и звезд. Модель представляла собой большую металлическую конструкцию и называлась – планетарий.

Причем, они не просто двигались в произвольном порядке, модель Архимеда позволяла рассчитывать фазы Луны и предсказывать даты затмений. По крайней мере, так уверяли очевидцы. После того, как римляне все-таки взяли Сиракузы (Архимед погиб во время штурма), планетарий в числе трофеев увезли в римский храм Доблести. И если одних этот трофей просто развлекал, то других, видимо, подтолкнул к созданию аналогов и даже более сложных вещей, что в итоге и вылилось в создание римлянами Антикитерского механизма. Но это уже исключительно моя версия.

История четвертая. Простые вещи

Когда мы говорим о наследии Архимеда, надо помнить, что оно нас окружает в буквальном смысле слова. Я уже писал, что он написал математическую теорию рычага. Но это не все. Его считают автором теории пяти механизмов, известных в его время и именуемых «простые механизмы». Это – рычаг, наклонная плоскость, блок, лебедка и бесконечный винт. Последний механизм он изобрел и одновременно придумал резьбовое соединение элементов – винта и гайки. А теперь попробуйте представить себе жилье, в котором нет ни одного резьбового соединения. Так что все мы постоянно пользуемся плодами научного наследия Архимеда, даже не подозревая об этом.

История пятая. Математические достижения

Математика была главной наукой в жизни Архимеда. И он добился в этой области потрясающих результатов. О его вычислениях числа π я рассказывал в одном из постов. Есть мнение, что он продолжал эту работу, когда римляне ворвались в Сиракузы и не пожелал прерваться, что и стало причиной его гибели. Но вот сам Архимед считал своим главным математическим достижением – расчет соотношения объемов цилиндра и вписанного в него шара (оно равно 3/2). Это при условии, что диаметр шара равен диаметру основания цилиндра и его высоте. Такое же соотношение и у площадей их поверхностей. Кому-то может показаться, что это не такая уж сложная задача. Но, напомню, в то время не было алгебры, греки не знали десятичных дробей, не оперировали понятием ноля, иррациональных чисел и многими другими привычными нам элементами математики. Так что решение этой задачи вылилось в целый трактат «О шаре и цилиндре», который содержал еще кучу важной геометрической информации, полученной Архимедом в качестве промежуточных результатов.

Архимед настолько гордился этой работой, что просил выбить на своей могиле изображение цилиндра с вписанным в него шаром с отношением их объемов. Много лет спустя, посетив Сиракузы, Цицерон утверждал, что нашел это надгробие с выбитым кубом, в который были вписаны цилиндр и шар. И не просто нашел, а распорядился привести заросшую могилу в порядок и ухаживать за ней. Увы, затем все вновь пришло в запустение, и могила была повторно утеряна, теперь уже навсегда.

Сегодня память об Архимеде живет в виде множества картин, почтовых марок и проч. А еще профиль Архимеда и его слова «Превзойти свою человеческую ограниченность и покорить Вселенную» выбиты на медали лауреата премии Филдса – аналога Нобелевской премии для математиков.

Источник