Развитие колебательной хронометрии на примере создания маятниковых часов

М. В. Трапезников. Развитие колебательной хронометрии на примере создания маятниковых часов

УДК 167.7

М. В. Трапезников

РАЗВИТИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ ХРОНОМЕТРИИ НА ПРИМЕРЕ СОЗДАНИЯ МАЯТНИКОВЫХ ЧАСОВ

В статье рассматриваются специфические процессы, происходящие в технической науке и направленные на конструирование прикладной разработки.

The article examines the specific processes occurring in technical science aimed at designing the application development.

Ключевые слова: наука, практика, практическое познание, прикладное исследование, прикладная модель, технический проект, теория маятника, механические часы.

Keywords: science, practice, practical knowledge, applied research, the application model, engineering design, theory of a pendulum, mechanical timepieces.

Главная цель технических наук - выработка практико-методических рекомендаций по применению теоретических знаний в сфере технической теории и практике инженерной деятельности [1]. Это происходит таким образом: возникает некоторое прикладное направление, основанием которого является необходимость создания определенного практического блага. При этом из базовой естественной науки сначала транслируется исходная частная теоретическая схема, из смежной технической науки - структурная теоретическая схема, а из математической теории -функциональная схема. Это составляет теоретический уровень. На уровне прикладного исследования происходит предпроектное обследование, научное обоснование разработки, анализ возможности использования уже полученных научных данных для конкретных инженерных расчетов, характеристика эффективности разработки, анализ необходимости проведения недостающих научных исследований. Это ведет к созданию проекта, а затем рабочей модели. На ней отрабатывается влияние ранее несущественных или неучтенных факторов. Затем создается образец, который может иметь практическое применение. На примере изобретения маятниковых часов рассмотрим, как данная модель работает в действительности.

Со времен изобретения маятниковых часов начинается история классической колебательной хронометрии, которая достигла значительного успеха в XVIII-XIX вв. и развивалась вместе с развитием культуры как неотъемлемая часть на-

© Трапезников М. В., 2013

уки и техники. История маятниковых часов берет начало у арабов в средние века. В исторической литературе стало обычным утверждение, что арабский ученый Ибн Юнис в 1008 г. первый стал применять маятник для измерения времени, но остался неизвестным способ его использования [2]. Идея применения маятника в качестве регулятора шпиндельного хода также имелась у Леонардо да Винчи (1462-1519). Он сделал ряд важных выводов из эмпирического материала и сформулировал некоторые научные обобщения, но у нас нет данных о создании им рабочей модели часов с соединением маятника с устройством для поддержания его колебаний и их отсчета. Таким образом, изобретение маятниковых часов нельзя приписать кому-то одному. Но все же основоположниками теории и практики создания часов можно считать Галилео Галилея и Христиана Гюйгенса.

Галилей (1564-1642) считается основоположником экспериментального естествознания и современной механики, физики и астрономии. Одним из важных результатов переворота в методике научно-исследовательской работы, произведенного им благодаря введению эксперимента и математического исчисления, было установление точных законов движения тяжелых тел, как свободных, так и связанных, в том числе законов колебания маятника. Галилей в ходе своих исследований установил главный закон колебания маятника - независимость периода колебания при малых амплитудах. Этот закон, известный под названием изохронизма, имел не только теоретическое, но и большое практическое значение. Галилей сразу понял, какие важные последствия можно извлечь из сделанного им открытия. Исследуя колебание маятника, Галилей установил, что время качаний маятников разной длины пропорционально квадратным корням из их длин. Сам Галилей сформулировал этот закон в книге «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей...» (1638) следующим образом: «Что касается отношения времени качания тел, подвешенных к нитям различной длины, то промежутки времени относятся между собой, как корни квадратные из длин маятников, и, обратно, длины маятников... относятся друг к другу, как квадраты времени качания» [3].

Галилей установил также существование независимости периода колебаний маятника от его массы или что маятники одинаковой длины имеют колебания одинаковой продолжительности независимо от того, из какого материала они сделаны - из дерева, камня или металла. Однако Галилей не дал математической формулы для определения периода колебаний маятника. Это было сделано Гюйгенсом, которому удалось до-

Философия и социология

казать, что малые колебания физического маятника можно сделать так же изохронными, как и у математического маятника. Свойство изохронности колебания делало маятник весьма удобным средством для создания часов с таким регулятором [4].

Но только в конце жизни, когда Галилей уединился в Арчетри, он вплотную занялся вопросом применения маятниковых часов, о чем свидетельствует его письмо генеральным штатам Нидерландов от 15 августа 1636 г. Оно было извлечено из национального архива Гааги и опубликовано в шестнадцатом томе трудов Галилея и в третьем томе собрания сочинений Гюйгенса. «У меня есть, - писал Галилей генеральным штатам, - такой измеритель времени, что если бы сделать 4 или 6 таких приборов и запустить их, то мы бы обнаружили (в подтверждение их точности), что измеряемое и показываемое ими время не только из часу в час, но изо дня в день, из месяца в месяц не отличалось бы на различных приборах даже на секунду, настолько одинаково они шли» [5].

В письме от 6 июня 1637 г. к Лоренцо Реалю, бывшему губернатору Голландской Индии, Галилей сообщил об изобретении им особого устройства для счета колебаний маятника, предназначенного для определения долготы. Этот прибор не был собственно часами, а был только счетчиком колебаний маятника. Зубчатое колесо под действием растяжения и сокращения свиной щетины приводилось в движение толчками - зуб за зубом. Щетина в данном случае действовала как храповик с собачкой. По-видимому, Галилей тогда еще не считал для себя возможным взяться за конструирование механизма маятниковых часов, поскольку был убежден, что опытные голландские часовщики сами сумеют решить эту техническую задачу.

Содержание письма Галилея генеральным штатам Нидерландов от 1636 г. с его сообщением о маятниковых часах, точно идущих из месяца в месяц, определенно свидетельствует, что такие часы тогда уже были задуманы, но еще не были воплощены ни в чертежах, ни в моделях. К конструктивной разработке идеи о своих часах Галилей смог приступить лишь в 1641 г.; на этом пути самым крупным его достижением было изобретение совершенного спускового регулятора хода маятниковых часов. Но, будучи лишен зрения и в силу физической слабости, Галилей ознакомил со своими мыслями сына Винченцо в один из его приездов в Арчет-ри из Флоренции. После этого они не раз обсуждали вопрос о создании реальной модели маятниковых часов: в итоге был составлен чертеж конструкции этих часов. Решено было сразу приступить к делу, с тем чтобы определить возможные трудности в этом деле, которые невоз-

можно заранее предвидеть при теоретической разработке конструкции.

Но через несколько месяцев Галилей - автор этого замечательного изобретения - заболел и 8 января 1642 г. умер. Только в апреле 1649 г. Винченцо стал самостоятельно работать над созданием конструкции согласно концепции своего отца. Винченцо не раз демонстрировал Вивиани механизм часов, заключенный между грузом и маятником, как знакомому с существом изобретения Галилея и могущему помочь советами и по достоинству оценить работу. К сожалению, сын ненадолго пережил отца: Винченцо скончался 16 мая 1649 г. от острого припадка нервно-психического заболевания, уничтожив большое количество часов [6]. Тем не менее важно отметить, что у отца и сына Галилеев мы видим создание предварительной научно обоснованной технической модели, но она, по-видимому, нуждалась в доработке для практического применения.

Христиан Гюйгенс (1629-1695), великий голландский математик, физик и астроном XVII в., не только продолжил исследования, начатые Галилеем, но и положил начало развитию новой области механики - динамики системы материальных точек твердого тела. В ходе исследования проблемы физического маятника он сконструировал часы с обыкновенным, циклоидальным и коническим маятниками. Центральное место в творчестве Гюйгенса занимает работа «Маятниковые часы» («Ного^шт oscillatorium»), изданная в 1673 г. в Париже.

Этот труд выходит далеко за пределы, очерченные названием. В нем, кроме описания конструкции изобретенных Гюйгенсом часов с обыкновенным, циклоидальным и коническим маятниками, впервые рассматриваются учение о центре колебаний физических тел, проблема ускорения силы тяжести посредством наблюдения колебания маятника; предложение о применении длины секундного маятника в качестве единицы длины; теория центробежной силы; механические и геометрические свойства циклоиды; учение об эволютах и эвольвентах. Исследования в области физико-математических наук осуществлялись Гюйгенсом на более широкой, чем у Галилея, основе и касались более сложных научных и технических проблем [6].

Своими трудами по хронометрии Гюйгенс внес огромный вклад в науку и технику. С них, как и с трудов Галилея, собственно, и начинается новая история часов - развитие классической колебательной хронометрии. После Гюйгенса часы стали более надежным механизмом, основанным на выводах науки и служащим ей. В 1658 г. в Гааге появилась брошюра Гюйгенса «Часы» («Ного^шт»), где было приведено описание его первых часов с простым маятником. После выхода брошюры ряд

М. В. Трапезников. Разбитие колебательной хронометрии на примере создания маятниковых часов

лиц выступили с опровержением приоритета Гюйгенса в изобретении маятниковых часов и со ссылками на свои более ранние изобретения или изобретения других лиц. Тем не менее является установленным факт, что «...маятник в качестве регулятора хода часов стал входить в широкое применение только после появления трудов Гюйгенса "Часы" и особенно "Маятниковые часы". Если в ранней работе Гюйгенса содержится в основном только описание первых маятниковых часов, то в последующей дается и их теория, которая в принципе остается без изменения до сих пор. Эта теория оказалась способной служить рациональной основой для последующего конструирования маятниковых часов» [7].

Таким образом, история возникновения механических часов показательна для истории науки и техники. «К XVII в. в Европе назрела потребность в точном измерении времени, нужны были механические часы, удобные как для научной лаборатории, так и для корабля, а также для бытовых нужд. Налицо важный социальный проект» [8].

Гюйгенс сформулировал инженерную задачу: как сконструировать часы с изохронным качанием маятника? Для ее решения были применены

данные естественных наук, проведено прикладное исследование о центре качания. Гюйгенс пришел к выводу о том, что маятник изохронен, если он движется по циклоиде, обращенной вершиной вниз. Этап инженерной разработки создал модельную конструкцию часов, где определялись места и функции маятника, подвесного механизма и других технических объектов. Затем модель была воплощена в металлической конструкции механических часов. По данному образцу в мастерских и было налажено их массовое производство.

Примечания

1. Горохов В. Г. Основы философии техники и технических наук. URL: http://newuc.jinr.ru/img_sections/ file/Aspirant/Gprochov/GorokhovFilosTekhn2.pdf

2. Мармери Дж. В. Прогресс науки, его происхождение, развитие, причины и результаты. СПб.: Академия наук, 1896.

3. Галилей Г. Избранные труды: в 2 т. М.: Наука, 1964.

4. Пипуныров В. Н. История часов с древнейших времен до наших дней. URL: http://www.german242.com/ books/pipunirov-clock_history.pdf

5. Цит. по: Пипуныров В. Н. Указ. соч.

6. Гойгенс X. Три мемуара по механике. М.: Изд-во АН СССР, 1956.

7. Пипуныров В. Н. Указ. соч.

8. Юлов В. Ф. История и философия науки: учеб. пособие. URL: http://www.srinest.com