Архимед– гениальный изобретатель

Архимед– гениальный изобретатель

Архимед родился в 287 году до н. э. в городе Сиракузы на острове Сицилия. Его отец – астроном и математик Фидий – с детства прививал сыну интерес к точным наукам и дал ему хорошее образование. Чтобы продолжить свое обучение, Архимед отправился в культурный центр античного мира – Александрию (Египет). Там был организован Мусейон, сообщество ученых, посвятивших себя научным исследованиям и получавших от царя жалованье за свои занятия. Они изучали четыре дисциплины – литературу, математику, астрономию и медицину. Ученые пользовались богатейшей на то время библиотекой, насчитывавшей около 700 000 книг. Пребывая в Александрии, Архимед изучал труды Демокрита, Евдокса и др., а также общался со знаменитыми учеными – астрономом Кононом, астрономом и математиком Эратосфеном. С ними он в дальнейшем поддерживал научную переписку.

Архимед вернулся на родину с богатым опытом научных исследований в различных областях: математика, физика, астрономия. Однако первые его труды были посвящены механике. Большинство из них написано в виде писем к его друзьям (Конону, Эрастофену, Досифею). В Сиракузах Архимед вел беззаботную жизнь, был окружен почетом, вниманием и не нуждался в средствах. Ученый был так поглощен своими вычислениями и изобретательством, что нередко забывал о пище, подолгу не посещал баню и чертил везде: в пыли, пепле, на песке, даже на собственном теле. Его мало заботило общественное мнение. Некоторые свои идеи он даже не считал нужным записывать.

Архимед был не только математиком и механиком, но и одним из величайших инженеров и конструкторов своего времени. Машина для орошения полей «Улитка», водоподъемный винт (винт Архимеда), различные военные машины для метания копий и дротиков, для поднятия и потопления судов увековечили славу ученого, способствовали тому, что его биография обросла вымыслами и легендами.

Однажды, наблюдая за работой строителей, которые с помощью толстых палок передвигали каменные блоки, Архимед понял: чем длиннее рычаг, тем больше сила его воздействия. Он сказал сиракузскому царю Гиерону: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю». Царь не поверил ученому. И тогда с помощью сложной системы механизмов тот усилием одной руки вытащил на берег корабль, который обычно из воды вытаскивали сотни человек.

Инженерный гений Архимеда особенно проявился при осаде Сиракуз, когда римляне высадили в Сицилии сухопутное войско, а под стенами города появился римский флот во главе с консулом Марцеллом. Вот как описывает эти события греческий историк Плутарх: «При двойной атаке римлян (с суши и с моря) сиракузцы онемели, пораженные ужасом. Как они могли противостоять таким силам, такой могущественной рати? Архимед пустил в ход свои машины. Сухопутная армия была поражена градом метательных снарядов и громадных камней, бросаемых с великой стремительностью. Ничто не могло противостоять их делу, они все низвергали пред собой и вносили смятение в ряды. Что касается флота – то вдруг с высоты стен бревна опускались, вследствие своего веса и природной скорости, на суда и топили их».

Машины Архимеда были передвижными. Они скрывались за стенами и только при необходимости выдвигались за пределы укреплений. Кроме того, их, скорее всего, передвигали вдоль стены к тому месту, где в этот миг совершалось нападение. Эти машины имели стрелу, поворачивавшуюся вокруг вертикальной и горизонтальной оси. На короткой цепи к концу стрелы была прикреплена своеобразная «лапа». Этой «лапой» машинист захватывал нос корабля и приподнимал его настолько, что мог погрузить в воду корму или часть весельных люков. Тогда вода попадала внутрь, корабль начинал погружаться и переворачиваться. Расчеты показали, что для этого достаточно было применить силу, составляющую 10 % веса корабля. Грузоподъемность архимедовых машин достигала 10–15 тонн.

Важнейшими достижениями Архимеда в области механики являются принцип рычага, учение о центре тяжести и закон Архимеда. Военная и строительная техника была тесно связана с вопросами равновесия и подводила к формулировке понятия центра тяжести. В основе этой техники лежал рычаг и другие простые механизмы. Машины, построенные с использованием этих механизмов (прежде всего рычага), помогли человеку «перехитрить» природу. Отсюда и произошел термин «механика». Греческое слово «механе» переводится как орудие, приспособление, осадная или театральная машина, а также уловка, ухищрение.

На протяжении многих веков механика рассматривалась как наука о простых статических машинах. Ее основой была теория рычага, изложенная Архимедом в книге «О равновесии плоских фигур». В ней также даны определения цент ров тяжести треугольника, параболического сегмента, параллелограмма, трапеции, боковые стороны которой являются дугами парабол. Несомненно, все законы и постулаты, описанные в этой книге, получены Архимедом в результате длительного практического опыта, обобщением которого и стала механика Архимеда.

Знаменитый закон Архимеда был изложен в его сочинении «О плавающих телах». Звучит он так: «На каждое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости». Об этом открытии повествует римский архитектор Витрувий:

«Во время своего царствования в Сиракузах Гиерон дал обет пожертвовать золотую корону в храм бессмертным богам. Он договорился с мастером о большой цене за работу и дал нужное ему по весу количество золота. В назначенный день мастер принес свою работу царю, который нашел ее отлично исполненной; после взвешивания корона оказалась соответствующей выданному весу золота. После этого был сделан донос, что из короны взята часть золота и вместо него примешано такое же количество серебра. Гиерон разгневался на то, что его провели, и, не находя способа уличить мастера в воровстве, попросил Архимеда хорошенько подумать об этом. Тот, погруженный в думы по этому вопросу, как-то случайно пришел в баню и там, опустившись в ванну, заметил, что из нее вытекает такое же количество воды, как и объем его тела, погруженного в ванну. Выяснив ценность этого факта, он, недолго думая, выскочил из ванны, пошел домой голым и громким голосом сообщал всем, что он нашел то, что искал. Он бежал и по-гречески кричал одно и то же: «Эврика, эврика!» («Нашел, нашел!»). Затем, исходя из своего открытия, он сделал два слитка, каждый такого же веса, какого была корона: один из золота, другой из серебра. Сделав это, он наполнил сосуд до самых краев, опустил в него серебряный слиток и… соответствующее ему количество воды вытекло. Так он нашел, какой вес серебра соответствует определенному объему воды. Затем он произвел такое же исследование для золотого слитка и таким же методом определил объем короны. Она вытеснила воды больше, чем золотой слиток, и кража была доказана».

Кроме математики и механики Архимед проводил исследования в области оптики и астрономии. Сохранилась легенда о том, что в борьбе с римским флотом он использовал вогнутые зеркала, поджигая вражеские корабли сфокусированными солнечными лучами. Есть сведения о том, что Архимед написал не сохранившееся до наших дней сочинение по оптике «Катоптрика». Дошедшие до нас отрывки, цитируемые авторами, свидетельствуют, что ученый отлично знал зажигательные качества вогнутых зеркал, проводил опыты по преломлению света, изучал свойства изображений в плоских, выпуклых и вогнутых зеркалах.

О занятиях Архимеда астрономией свидетельствуют рассказы о построенной им астрономической сфере, захваченной Марцеллом как военный трофей, и сочинение «Псаммит», где ученый подсчитывает количество песчинок во Вселенной. Постановка этой задачи представляет большой исторический интерес: точное естествознание впервые приступило к подсчетам космического масштаба, пользуясь неудобной системой чисел. Результат, полученный Архимедом, выражается в современных обозначениях числом 10?63. Кроме того, в его работе впервые в истории науки сопоставляются две системы мира: геоцентрическая и гелиоцентрическая (в центре Земля или Солнце). Архимед пишет, что «большинство астрономов называют миром шар, заключающийся между центрами Солнца и Земли».

Одним из важнейших исследований Архимеда в области астрономии было вычисление расстояний между планетами. Благодаря этим расчетам появилась возможность воссоздать облик «вселенной Архимеда». В ее середине находилась Земля, вокруг нее вращались Луна и Солнце. Вокруг него очерчены орбиты трех ближайших планет – Меркурия, Венеры и Марса. Радиусы планетных орбит кратны между собой и относятся как 1:2:4. Согласно вычислениям Архимеда, относительное (по сравнению с расстоянием от Земли до Солнца) значение радиуса орбиты Меркурия составляет 0,36 (на самом деле 0,39, ошибка 8 %), орбиты Венеры – 0,72 (совпадает с действительным), Марса – 1,44 (на самом деле 1,52, ошибка 5 %). Расчеты Архимеда относительно других планет оказались неверными.

Кроме того, Архимед изобрел первый планетарий, заставив макеты небесных светил перемещаться с помощью специальных механизмов. Этот планетарий демонстрировал все видимые движения небесных тел фазы Луны.

Интересной особенностью системы мира Архимеда является пересечение орбит Сатурна и Юпитера с орбитой Марса. Это неправильное представление, но оно говорит о том, что ученый представлял себе планеты отдельными телами, летящими в пространстве.

Архимед написал ряд необычайно глубоких и оригинальных работ по математике. Этим он отличается от Эвклида, который стал известен скорее благодаря систематизации знаний, существовавших до него. В работах Архимеда приведены расчеты площадей фигур, ограниченных кривыми, и объемов тел, которые ограничены произвольными плоскостями, – поэтому он может заслуженно считаться отцом интегрального исчисления, появившегося на два тысячелетия позже. Есть сведения, что важнейшим своим достижением Архимед считал следующее открытие: объем шара и описанного вокруг него цилиндра относятся между собой как 2:3.

По одной из версий историков, Архимед погиб в 212 году до н. э. от меча римского легионера. Он был так поглощен очередной работой, что не заметил, как город захватили римляне. Когда посыльный солдат пришел к ученому и потребовал, чтобы тот немедленно явился к Марцеллу, Архимед поморщился, отмахнулся от него, как от надоедливой мухи, и, не отрывая взгляда от чертежа, буркнул: «Не мешай, я вычисляю». Тогда разгневанный солдат выхватил меч и убил старика. Впрочем, некоторые историки считают, что Архимед был убит вовсе не случайно – ведь его ум стоил в те времена целой армии.

На своей надгробной плите великий изобретатель завещал выгравировать шар и цилиндр – символы его геометрических открытий. Но его могила заросла травой и о ней очень скоро позабыли. Лишь через 137 лет после смерти Архимеда Цицерон разыскал в Сиракузах этот могильный камень с наполовину стертыми знаками. А потом могила снова затерялась, но уже навсегда.

Значение:

• Архимеда можно по праву считать самым известным изобретателем и одним из величайших ученых Древней Греции.

• Его математические труды значительно опередили свое время. Он выполнил множество исследований в области алгебры, геометрии, арифметики, предложил универсальный метод вычисления площадей различных фигур. Идеи Архимеда позже легли в основу теории интегрального исчисления.

• Он также является одним из создателей механики как науки, автором различных технических изобретений.

• Архимед сформулировал закон гидростатики (закон Архимеда). Также он проявил себя как астроном (создал планетарий).

• Чтобы помочь защите своего города при осаде, изобрел катапульту и абордажный крюк.

Что о нем говорили:

«Архимед был настолько горд наукой, что именно о тех своих открытиях, благодаря которым он приобрел славу, он не оставил ни одного сочинения» (Плутарх).

«…Нет оснований не верить написанному об Архимеде, что он жил как бы околдованный какою-то домашнею сиреною, постоянной его спутницей, заставляющей его забывать пищу, питье, всякие заботы о своем теле. Иногда, приведенный в баню, он чертил пальцем на золе очага геометрические фигуры или проводил линии на умащенном маслом своем теле. Автор прекрасных открытий, он просил своих родственников поставить на его могиле цилиндр, включающий в себя конус и шар, и подписать отношение их объемов (3:2:1)» (Плутарх).

Что он сказал:

«Эврика!»

«Время свободно, но оно бесценно».

«Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю».

«Любовь – теорема, которую каждый день надо доказывать».

«Молчи, пока ты не в состоянии сказать нечто такое, что полезнее твоего молчания».

«Будь в моем распоряжении другая земля, на которую можно было бы встать, я сдвинул бы с места нашу».