Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

В 1586 году Стевин опубликовал результаты своих экспериментов по падению двух свинцовых шариков, один в десять раз тяжелее другого, с высоты 30 футов на твердую поверхность. Два шарика упали на поверхность вместе, вопреки мнению Аристотеля, который был уверен, что более тяжелый шарик упадет раньше. Используя наклонные плоскости, Галилей дальше развил законы падения тел и сообщил в своих «Диалогах», что, вне зависимости от веса, они получают одинаковое ускорение и их скорость пропорциональна квадрату времени – факты, чрезвычайно важные для инженеров. Впоследствии Гюйгенс вычислил значение ускорения свободного падения. Галилей также исследовал прочность материалов и создал первые элементарные приспособления для испытаний. Он подвешивал грузы на медных стержнях или на консоли, выступающей из стены. Он измерял прочность – почти наверняка сплава – с вполне достойной точностью. Его испытания консоли были не столь успешными, поскольку он не принял в расчет тот факт, что волокна нижней части выступающей консоли сжаты, а верхней части находятся под напряжением, что доказал Эдм Мариотт в 1680 году. Тем временем Роберт Гук определил, что любой материал под нагрузкой в большей или меньшей степени деформируется.

Вдохновленный Галилеем, его секретарь Эванджелиста Торричелли (1608–1647) сделал большой шаг вперед. Изучая гидростатику Стевина, он обнаружил, что давление воды пропорционально глубине. Торричелли соединил гидростатику и динамику и показал, что под гидростатическим давлением жидкость, такая как вода, течет через отверстие практически с той же скоростью, как если бы она падала с высоты, равной глубине жидкости над отверстием. Следующий шаг был сделан современником Торричелли французом Блезом Паскалем (1623–1662). Он свел все предположения к закону, который носит его имя и известен – или должен быть известен – всем, кто изучает элементарную физику: давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку во всех направлениях без изменений. Используя этот принцип, гидравлические прессы сегодняшнего дня могут производить или сокрушительное давление, или легчайшее прикосновение – в зависимости от требований производства.

Торричелли, а впоследствии и Паскаль были ответственны за создание барометра, который уравновешивал вес воздуха с помощью столба жидкости в трубе, запаянной с одного конца. У этого опыта было «побочное явление» – наличие безвоздушного пространства, торричеллевой пустоты. Это был первый случай получения вакуума. Так была доказана ошибочность утверждения Аристотеля, что природа избегает вакуума. В верхней части трубки Торричелли в 1643 году осталось пространство, куда вес атмосферного столба не мог «загнать» ртуть. А в 1648 году Паскаль продемонстрировал, что на уровне моря ртуть поднимается в трубке выше, чем на вершине горы, где вес атмосферного столба меньше. По этой же причине невозможно поднять столб воды больше чем на 33 или 34 фута на уровне моря, выкачивая воздух над ним всасывающим насосом. Такой столб воды является весовым эквивалентом весу столба воздуха над ним. Экспериментируя с давлением воздуха и его отсутствием, немец Отто фон Герике (1602–1686) в 1650 году создал воздушный насос. С его помощью он сумел настолько полно выкачать воздух из знаменитой магдебургской сферы, что шестнадцать лошадей, по восемь с каждой стороны, не смогли разъединить ее полушария. Таким образом, была подготовлена почва для открытий Томаса Севери, Томаса Ньюкомена и других ученых, работавших над инженерными проблемами, касавшимися давлений ниже атмосферного.

Два французских математика, Пьер Ферма (1601–1665) и Рене Декарт (1596–1650), независимо друг от друга открыли аналитическую геометрию, которая имела значительное влияние на инженерию. Поскольку изложение Декартом новой геометрии являлось более систематическим и доходчивым, чем у Ферма, именно Декарту, как правило, приписывается открытие, которое в его честь иногда называется картезианской геометрией. Величайшая заслуга Декарта заключается в том, что он соединил алгебру и геометрию, тем самым привнеся в геометрию аналитический метод представления кривых с помощью алгебраических выражений, и наоборот. Для инженера аналитическая геометрия облегчает анализ отношений между такими переменными, как температура и давление, скорость и сила, и бесчисленных других групп переменных количественных величин.

Четыре человека, родившиеся во второй четверти XVII века, внесли исключительный научный вклад, имевший очень большое значение для инженерии. Двое из них дожили до XVIII века, но работа всех четырех принадлежит к веку Стевина, Галилео, Торричелли, Паскаля и Декарта. Трое из них – британцы, и один – житель Нидерландов. Их имена: Роберт Бойль, Роберт Гук, Кристиан Гюйгенс и Исаак Ньютон. Роберт Бойль (1627–1691) изучал процесс сжатия газов и в 1661 или 1662 году сформулировал закон, носящий его имя. Этот же закон независимо открыл Эдм Мариотт. «При постоянной температуре объем находящегося в замкнутом сосуде идеального газа обратно пропорционален давлению». Иными словами, объем уменьшается, когда давление возрастает, а произведение давления на объем есть постоянная величина. Таким образом, Бойль и Мариотт установили фундаментальный принцип для инженеров – хотя инженеры никогда не работают с идеальными газами. Бойль, работая в своей лаборатории в Оксфорде вместе с Робертом Гуком, создал первый воздушный насос современной конструкции.

Роберт Гук (1635–1703) самостоятельно экспериментировал в лондонском Грешем-колледже с упругими деформациями и сформулировал закон, носящий его имя: «Деформация, возникающая в упругом теле, пропорциональна приложенной к этому телу силе». При растяжении упругое тело удлиняется, при сжатии, соответственно, становится короче. Закон Гука справедлив только для упругой деформации и выполняется при малых деформациях. Кроме того, у каждого тела своя жесткость; чем больше жесткость, тем меньше оно изменяет длину. Некоторые материалы, такие как стекло и некоторые виды стали, имеют точно определенный предел упругости, другие, такие как пластилин или даже медь, нет. В любом случае предел упругости любого материала проверяется опытным путем. Гук проанализировал некоторые силы, действующие в арке, и создал также универсальное соединение – соответствующая идея была предложена еще Леонардо да Винчи. Через него сила в стержне или оси может быть передана другой оси, связанной с первой, но расположенной под углом.

Тем временем Кристиан Гюйгенс (1629–1695), более невозмутимый человек, чем Гук, и более разносторонний, преобразовал часовую пружину в спираль, изобрел маятник и использовал его для измерения ускорения свободного падения. Маятник данной длины раскачивается, как заметил еще Галилей, с одинаковым периодом, независимо от веса и амплитуды колебания. Гюйгенс применил математический гений к изучению механики. Именно он вывел формулу определения радиальной или центростремительной силы, необходимой, чтобы заставить тело двигаться по криволинейной траектории, – бесценный вклад и в науку, и в инженерное искусство. Кольбер, всесильный министр финансов Франции и покровитель искусств, пригласил голландского ученого на открытие Французской академии наук в 1666 году.