Метод исчерпывания. Агиляр эугенио мануэль фернандес
лить пределы каждой из этих групп аксиом, изучая не только следствия каждой из них изолированно, но и различные "геометрии", полученные при изъятии или изменении некоторых из этих аксиом.
Теорема 1. Аксиоматика планиметри Лоачевского не противоречива, если не противоречива аксиоматика геометрии Эвклида.
Теорема 2. Если аксиоматика Эвклида непротиворечива, то в планиметрии Эвклида нельзя доказать пятый постулат.
Доказательство. Если бы из первых 19 аксиом планиметрии Эвклида можно было вывести V -й постулат, как теорему, то оказалось бы, что
эта теорема имеет место и в геометрии Лобачевского, что противоречило бы постулату V .
Отметим, что непротиворечивость геометрии Эвклида сводится к непротиворечивости арифметики.
Решение вопросов, поставленных Лобачевским связано с построением конкретных реализаций системы аксиом.
Укажем одну из таких реализаций для эвклидовой планиметрии. Эта реализация называется Декартовой.
Точкой мы будем называть любую упорядоченную пару вещественных чисел x, y .
Прямой будем называть совокупность всех точек, координаты которых удовлетворяют уравнению
ax + by + c = 0.
Понятно, как определяется условие принадлежности данной точки какой-нибудь прямой. Далее легко вводится отношения порядка точек на прямой.
В самом деле, для точек на прямой, заданной уравнением ax + by + c = 0 , мы определяем следующим образом. Если b =6 0 , то A 1 (x 1 , y 1 ) < A 2 (x 2 , y 2 ) в одном направлении определяется условием x 1 < x 2 ) , а в противоположном - условием x 2 < x 1 ) . Если b = 0 , то A 1 (x 1 , y 1 ) < A 2 (x 2 , y 2 ) в одном направлении определяется условием y 1 < y 2 , а в противоположном y 2 < y 1 .
x′ = xcosθ − ǫysinθ + a,
y′ = xsinθ + ǫycosθ + b (ǫ = 1, −1).
При таком конкретном понимании точек и прямых и отношений между ними, кадая из аксиом эвклидовой геометрии предстваляет собой некоторое утверждение, относящееся к вещественным числам.
Можно проверить, что все эти утверждения имеют место в силу соответсвующих теорем арифметики.
4.12 Творчество Архимеда. 1. Архимед – ученый, принадлежащий к числу тех людей, кто определил судьбу науки и человечества (сравнение с Ньютоном). 2. Краткая биография. 3. Интегральные методы. 4. Дифференциальные методы. 5. Исчисление песчинок. 6. Значение творчества Архимеда для развития математики.
Архимед принадлежит к числу ученых, чье творчество определило судьбу науки и, как следствие, судьбу человечества. В этом он схож с Ньютоном. Между творчеством Архимеда и Ньютона можно провести параллели. Схожая область интересов: математика, физика, астрономия; схожие гениальные способности, умение проникать в самую глубь явлений; огромная популярность среди самой широкой общественности - эти имена известны представителям всех слоев общества.
Архимед родился в 287 году до н.э. в богатом торговом городе Сиракузы в Сицилии. Отец его был астроном Фидий, который привил сыну любовь к точным наукам. По-видимому, Архимед посещал Александрию, где пользовался ее знаменитой библиотекой и общался с александрийскими учеными, с которыми имел переписку всю последующую жизнь.
Отметим, что эта переписка была научной и, в некотором смысле, была аналогична статьям в современных журналах. В этих письмах Архимед сообщал новые результаты, которые излагались со всей строгостью
Иногда он сообщал свои теоремы без доказательства, чтобы математики Александрии сами попробовали их доказать, а иногда Архимед добавлял несколько ложных гипотез, чтобы таким образом показать людям, поверившим в эти гипотезы, их безграмотность. По воспоминаниям историков Архимед погиб во время взятия Сиракуз римлянами. Город долго не могли захватить благодаря замечательным орудиям, изобретенным Архимедом. Мы не будем подробно останавливаться на многих замечательных открытиях Архимеда в области физики и механики. Достаточно указать,
закон Архимеда о силе действующей на тело, погруженное в жидкость, сказать, что Архимед был основателем теоретической механики (в частности, статики), оптики и др. Однако, основным делом его жизни все же была математика.
4.13 Интегральные методы Архимеда
Что означало измерение для греческих геометров? После открытия несоизмеримых они опасались приписывать какие-нибудь числа длинам криволинейных дуг, площадям криволинейных фигур и т.д. Так как греки не могли найти общую меру для несоизмеримых фигур, они не измеряли геометрически объекты, а лишь сравнивали их между собой и вычисляли их отношения. Они сравнивали длины дуг кривых с длинами прямолинейных отрезков - спрямляли кривые, а площади криволинейных фигур сравнивали с площадями прямолинейных фигур.
Квадратура некоторой фигуры этимологически как раз и означала построение квадрата (треугольника, многоугольника), имеющего площадь, равную площади рассматриваемой криволинейной фигуры.
Кубатура - это обобщение квадратуры на пространственный случай. Подчеркнем, что все построения должны были выполняться циркулем и
линейкой.
Для греков задача вычислить площадь какой-нибудь фигуры была некорректной, но нахождение отношения двух площадей было вполне допустимым.
В работах Евдокса, Эвклида и Архимеда был развит метод исчерпывания, который позволял сравнить площадь какой-нибудь криволинейной фигуры с известной площадью некоторой стандартной прямолинейной фигуры, например, квадрата или треугольника.
При этом была введена аксиома Архимеда.
Если даны две неравные величины и из большей вычитается часть, большая половины, а затем из остатка - снова часть, большая половины, и это повторяется постоянно, то когда-нибудь остается величина, которая меньше, чем меньшая из данных величин.
Предвестником этой аксиомы было учение Евдокса (408-355) о пропорциях, который был еще и автором метода исчерпывания, с помощью которого
он доказал теорему об объеме пирамиды. Евдокс изучал математику у Архита Тарентского (428-365) - друга Платона, последователя Пифагорейской школы. Евдокс организовал в греческом городе Книде школу, после того как долго путешествовал по Греции и Египту.
В замечательной работе "О квадратуре параболы", которая была одна из первых математических работ Архимеда, доказано:
произвольный сегмент, ограниченный прямой и параболой, равен учетверенной трети треугольника, имеющего с сегментом общее основание и равную высоту.
Решение этой задачи сводится к вычислению геометрической прогрессии
Для ее вычисления Архимед исльзовал тождество |
||||||||||||||||||||
Когда число сторон вписанного многоугольнника растет остаток |
||||||||||||||||||||
3 4 N −1 A стремится к нулю. На рисунке показан метод исчерпывания для
вычисления искомой площади.
Площадь треугольника ABC превышает половину площади парболиче-
ского сегмента, затем строятся новые два треугольника, суммарная площадь которых превосходит половину площади суммы сегментов, в которые они вписаны и т.д. По аксиоме Архимеда при достаточно большом шаге остаток может быть сделан сколь угодно малым. Далее Архимед методом от противного доказывает, что площадь сегмента действительно равна 4 3 A . А именно он доказывает, что площадь S сегмента не может быть меньше и не может быть больше чем 4 3 A .
Архимед первый применил метод верхних и нижних интегральных сумм, которые теперь называются суммами Римана или Дарбу.
Архимед определил объемы сегментов эллипсоидов, параболоидов и двуполостных гиперболоидов вращения. Фактически Архимед обобщает метод исчерпывания Евдокса. Архимед вычислил также площадь, ограниченную первым витком спирали Архимеда ρ = aϕ .
Следует отметить, что хотя Архимед и не ввел понятие определенного интеграла, он свел все решаемые им задачи к определению предела одних и тех же интегральных сумм.
Результаты книги Архимеда "О коноидах и сфероидах"равносильны следующим соотношениям.
x2 dx = |
||||||||
(x2 + bx)dx = |
||||||||
С помощью верхних и нижних интегральных сумм Архимед решил и более трудную проблему - определение длин дуг и площадей кривых поверхностей.
Архимеду удалось найти площадь поверхности сферы, сферического сегмента и дать метод вычисления длины окружности с любой степенью точности. Следует также заметить, что Архимед мог не только доказывать некоторые угаданные им формулы, но и делать вычисления со сколь угодно большой степенью точности и в случае, когда окончательная формула для вычисления не известна.
4.14 Дифференциальные методы Архимеда
В сочинении "О спиралях" Архимед разработал методы определения касательной. Эти методы были применены лишь в одном случае - для нахождения касательной к спирали ρ = aϕ . Однако эти методы столь же
универсальны, как и его интегральные методы и могут служить для нахождения касательной к любой дифференцируемой кривой.
По-существу, Архимед нашел необходимое условие экстремума, сводя его к нахождению точки касания двух кривых.
4.15 Исчисление песчинок
Отметим весьма интересную работу Архимеда "Исчисление песчинок" ("Псаммит"). В этом труде Архимед разработал способ, позволяющий регулярно выражать сколь угодно большие числа посредством специальной системы наименований десятичных разрядов. Мириадой Архимед называл число равное 10000. Числа до мириады мириад, то есть до 10 8 именуются
первыми; 10 8 принимается за единицу вторых чисел, следующих до 10 8×2−1 ;
10 8×2 принимается за единицу третьих чисел, следующих до 10 8×3−1 и т.д. вплоть до мириадо-мириадных чисел от 10 8×(10 8 −1) до 10 8×10 8 (исключая
последнее число). Все эти числа составляют первый период.
Аналогично, начиная с 10 8×10 8 строятся первые, вторые и т.д. числа вто-
рого порядка, причем конструкция доводится до мириадо-мириадного периода и числа 10 8×10 8 ×10 8 , но может быть продолжено и далее.
Архимед показал, что число песчинок, заполняющих шар, ограниченный сферой, диаметр которой превосходит диаметр земли в десять тысяч раз, не превосходит числа 10 63 - тысячи мириад единиц восьмых чисел первого периода, то есть 10 3 × 10 4 × 10 8×7 .
Интересно отметить, что в переводах Архимеда на арабский язык, относящихся к VII веку (нашей эры) имеется сочинение "О параллельных линиях". Возможно Архимед одним из первых пытался доказать пятый постулат Эвклида.
4.16 Значение творчества Архимеда для развития математики
Подводя итоги творчества Архимеда, следует сказать, что он фактически предвосхитил создание дифференциального и интегрального исчисления. В то время оно не могло быть создано, так как отсутствовала аналитическая база, буквенное исчисление, освоение более широкого класса функций, создание аналитического аппарата для их выражения. Исследование Архимеда не получили развития в древности. Дважды человечество открывало Архимеда и делало попытки продвинуться дальше по открытому им пути. Первый раз - на арабском Востоке, второй - в Европе в 16-17 вв.
В арабском мире в IX веке Саббит ибн Корра и его школа овладели ме-
тодом верхних и нижних интегральных сумм и вычислили (говоря на со-
временном языке) несколько новых интегралов. Однако далеко они не продвинулись из-за тех же причин, которые были и при Архимеде.
Только после создания буквенной алгебры Виета-Декарта и аналитической геометрии Декарта-Ферма и вместе с успехами физических наук Нового Времени стало возможным создание исчисления бесконечно малых. На это ушли силы многих великих умов 16-17 вв., начиная от Кеплера и Галилея и кончая Ньютоном и Лейбницем. Все они отправлялись от идей Архимеда, стараясь (говоря на современном языке) усилить и обобщить методы великого Архимеда.
Как сказал Лейбниц:
Внимательно читая сочинения Архимеда, перестаешь удивляться всем новейшим открытиям геометров.
4.17 От Архимеда к Кеплеру и Кавальери 1. Творчество Кеплера. Законы движения планет. Вычисление объемов винных бочек. Новые идеи в интегрировании. 2. Бонавентура Кавальери автор метода неделимых.
Первые значительные попытки развития интеграционных методов Архимеда были сделаны в уже в XVII веке, когда были достигнуты значительные успехи в области алгебры, а с другой стороны стала интенсивно развиваться экономика и техника, требовавшая общих и мощных математических методов изучения и вычисления величин.
Пальма первенства в развитии идей Архимеда принадлежит Иогану Кеплеру (1571-1630) немецкий астроном и математик, который открыл законы движения планет.
каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится солнце;
радиус-вектор, проведенный от Солнца к планенте, в равные промежутки времени описывает равные площади.
Из второго закона видно, что Кеплер сумел вычислить площади, заметаемые радиус-вектором. Его формулировка гласила "сумма радиус-векторов некоторой дуги орбиты относится к сумме радиус-векторов всего эллипса, как время использованное для прохождения этой дуги, относится ко времени, тебуемому для полного оборота эллипса.
Эта формулировка говорит, что Кеплер рассматривал фигуру как состоящую из мелких частиц, отрезков.
1612 год для жителей австрийского города Линца, в котором тогда жил Кеплер, был очень урожайным, особенно по винограду. Люди изготовляли бочки, объем которых необходимо было вычислять. Кеплер в 1615 г. написал работу "Новая стереометрия винных бочек", в которой вычислил площади плоских фигур и поверхностей, а также объемов, основываясь на разложении фигур и тел на бесконечное число малых частей, которые он называл тончайшими кружочками или частями крайне малой ширины. Из этих мельчайших частиц после суммирования получалась фигура эквивалентная первоначальной, и площадь или объем которой была известен.
Кеплер отбросил строгость греков и стал более вольно обращаться с вычислением бесконечных сумм. Оо заменил окружность правильным многоугольником с бескоенечным числом сторон.
Далее методы интегрирования развивал итаьянский математик Бонавентура Кавальери (1598-1647) - ученик Галилея. В труде "Геометрия", опубликованномв 1635 году, он ввел новый метод определения площадей и объемов, так называемый метод неделимых. Неделимыми он называл параллельные между собой хорды плосокй фигуры или части паралельных плоскостей тела. Плоскую фигуру он рассматривал как множество заполняющих ее "линий", а пространственное тело как множество сосотоящее из "неопределенного числа параллельных плоскостей". Кавальери говорил, что линия образована из точек, как ожерелье из жемчужин, площадь из линий, как ткань из нитей, а тело из плоскостей, как книга из страниц.
Кавальери отдавал себе отчет в трудностях суммирования бесконечного числа элементов.
Кавальери сформулировал следующий принцип определения отношений сумм всех неделимых:
если две плоские (пространственные фигуры) заключены между одними и теми же двумя параллельными прямыми (плоскостями) и если неделимые обех фигур, находящиеся на одной праллели, имеют постоянное отношение, то и "суммы всех неделимых"сравниваемых фигур будут иметь то же отношение, а площади и объемы сравниваемых фигур относятся между собой, как суммы соответсвующих неделимых.
Таким образом, он определял отношение площадей фигур, неделимые ко-
торых находятся в постоянном отношении.
Например, он доказывал, что площадь параллелограма равна удвоенной площади каждого из треугольников, на которые разбивает параллелограмм его диагональ. При этом он разбивал треугольники на линии таким образом, что отношение соответствующих линий равно единице (см. рис.). Кавальери говорил: сумма всех "линий"треугольника ABC равна сумме всех "линий"треугольника DBC , и эти треугольники имеют равныне площади. Сумма всех "линий"параллелограмма ABCD равна удвоенной сумме "ли-
ний"одного из треугольников. Метод Кавальери вызывал много критики, но и много восторгов, так как с помощью этого метода ему удавалась получать правильные результаты.
Под термином "линия"Кавальери понимал нашу ординату y при рас-
смотрении криволинейной трапеции. Для обозначения суммы всех "линий"(ординат) Каваьери использовал символ omn (omnes lineae - все ли-
Позднее Лейбниц писал:
"Целесообразно писать знак вместо omn и l вместо "все линии". От знака l Лейбниц позднее перешел к знаку y , а затем к символоу ydx .
Можно сказать, что понятие "все линии"по Кавальери эквивалентно то-
му что мы сейчас обозначаем, где a - длина инциденты, то есть расстоя-
ние между двумя крайними прямыми, параллельными регуле - образующей. Фактически Кавальери приблизился к вычислению интеграла как сумми-
рования ydx .
С помощью своего принципа Кавальери удалось вычислить, говоря на со-
временном языке, интегралы x m dx для m = 1, . . . , 9 .
Последователями Кавальери были Валлис, Дж. Валлис, П. Ферма и Б. Паскаль, которые подготовили в XVII веке создание дифференциального и интегрального исчисления. Завершение же принадлежит, как хорошо известно, Ньютону и Лейбницу.
4.18 Конические сечения Апполония
Апполоний родился в Пергах в Малой Азии. Основные его результаты относятся примерно к 210 г. н.э. В то время он жил в Александрии, куда он приехал юношей и где учился под руководством математиков школы Эв-
клида. Апполоний прославился как геометр и астроном. Умер Апполоний около 170 г. до. н.э.
Труд "Конические сечения"состоит из восьми книг. Первые четыре дошли до нас по-гречески, следующие три в арабском переводе Сабита ибн Корры. Последняя восьмая книга утеряна. Имеется реконструкция ее текста, принадлежащая английскому астроному Э. Галлею (XVIII в.).
Кривые второго порядка впервые появились при решении задачи удвоения куба. Менехм, живший около 360 г. до н.э., и являвшийся учеником Евдокса и его преемником в руководстве школой в Кизике, представил их как плоские сечения прямоугольного, тупоугольного и остроугольного конусов вращения. Сечения проводились перпендикулярно образующей. Тогда в случае остроугольного конуса получался эллипс, в случае прямоугольного получалась парабола, а в случае тупоугольного получалась гипербола.
Менехм нашел основное свойство каждого из сечений, которое мы называем уравнением, а древние называли симптомом. В современных обозначениях симптом оказался уравнением второго порядка.
Апполоний дал более общий метод получения конических сечений. Он предложил рассмотреть произвольный круговой конус, причем обе его полости (что дало возможность получить обе ветви гиперболы) и проводить сечение конуса под любым углом к образующей. Таким образом он получил все три конические сечения. При этом:
в сечении получается эллипс, если плоскость пресекает только одну полость;
парабола, если плоскость параллельна образующей конуса; получается гипербола если плоскость пересекает обе полости конуса.
Апполоний впервые вводит термины эллипс, парабола, гипербола и также устанавливает симптомы этих кривых. В современных обозначениях симптомы Апполония имеют вид y 2 = 2px ± a p x 2 , где эллипсу соответству-
ет знак "минус", параболе соответствует равенство нулю второго члена, и гиперболе соответствует знак "плюс".
При отсутствии второго члена получаем, что площадь квадрата, построенного на ординате y точки, параболы равна площади прямоугольника
Архимед (около 287 до н.э., Сиракузы, Сицилия - 212 до н.э., там же) - древнегреческий ученый, математик и механик, основоположник теоретической механики и гидростатики.
Разработал предвосхитившие интегральное исчисление методы нахождения площадей, поверхностей и объемов различных фигур и тел.
Архимед родился в 287 году до нашей эры в греческом городе Сиракузы, где и прожил почти всю свою жизнь. Отцом его был Фидий, придворный астроном правителя города Гиерона. Учился Архимед, как и многие другие древнегреческие ученые, в Александрии, где правители Египта Птолемеи собрали лучших греческих ученых и мыслителей, а также основали знаменитую, самую большую в мире библиотеку.
После учебы в Александрии Архимед вновь вернулся в Сиракузы и унаследовал должность своего отца.
В теоретическом отношении труд этого великого ученого был ослепляюще многогранным. Основные работы Архимеда касались различных практических приложений математики (геометрии), физики, гидростатики и механики. В сочинении «Параболы квадратуры» Архимед обосновал метод расчета площади параболического сегмента, причем сделал это за две тысячи лет до открытия интегрального исчисления. В труде «Об измерении круга» Архимед впервые вычислил число «пи» - отношение длины окружности к диаметру - и доказал, что оно одинаково для любого круга. Мы до сих пор пользуемся придуманной Архимедом системой наименования целых чисел.
Математический метод Архимеда, связанный с математическими работами пифагорейцев и с завершившей их работой Эвклида, а также с открытиями современников Архимеда, подводил к познанию материального пространства, окружающего нас, к познанию теоретической формы предметов, находящихся в этом пространстве, формы совершенной, геометрической формы, к которой предметы более или менее приближаются и законы которой необходимо знать, если мы хотим воздействовать на материальный мир.
Но Архимед знал также, что предметы имеют не только форму и измерение: они движутся, или могут двигаться, или остаются неподвижными под действием определенных сил, которые двигают предметы вперед или приводят в равновесие. Великий сиракузец изучал эти силы, изобретая новую отрасль математики, в которой материальные тела, приведенные к их геометрической форме, сохраняют в то же время свою тяжесть. Эта геометрия веса и есть рациональная механика, это статика, а также гидростатика, первый закон которой открыл Архимед (закон, носящий имя Архимеда), согласно которому на тело, погруженное в жидкость, действует сила, равная весу вытесненной им жидкости.
Однажды приподнявши ногу в воде, Архимед констатировал с удивлением, что в воде нога стала легче. «Эврика! Нашел» - воскликнул он, выходя из своей ванны. Анекдот занятный, но, переданный таким образом, он не точен. Знаменитое «Эврика!» было произнесено не в связи с открытием закона Архимеда, как это часто говорят, но по поводу закона удельного веса металлов - открытия, которое также принадлежит сиракузскому ученому и обстоятельные детали которого находим у Витрувия.
Рассказывают, что однажды к Архимеду обратился Гиерон, правитель Сиракуз. Он приказал проверить, соответствует ли вес золотой короны весу отпущенного на нее золота. Для этого Архимед сделал два слитка: один из золота, другой из серебра, каждый такого же веса, что и корона. Затем поочередно положил их в сосуд с водой, отметил, на сколько поднялся ее уровень. Опустив в сосуд корону, Архимед установил, что ее объем превышает объем слитка. Так и была доказана недобросовестность мастера.
Любопытен отзыв , великого оратора древности, увидевшего «архимедову сферу» - модель, показывающую движение небесных светил вокруг Земли: «Этот сицилиец обладал гением, которого, казалось бы, человеческая природа не может достигнуть».
И, наконец, Архимед был не только великим ученым, он был, кроме того, человеком, страстно увлеченным механикой. Он проверяет и создает теорию пяти механизмов, известных в его время и именуемых «простые механизмы». Это - рычаг («Дайте мне точку опоры, - говорил Архимед, - и я сдвину Землю»), клин, блок, бесконечный винт и лебедка. Именно Архимеду часто приписывают изобретение бесконечного винта, но возможно, что он лишь усовершенствовал гидравлический винт, который служил египтянам при осушении болот. Впоследствии эти механизмы широко применялись в разных странах Мира. Интересно, что усовершенствованный вариант водоподъемной машины можно было встретить в начале XX века в монастыре, находившемся на Валааме, одном из северных российских островов. Сегодня же архимедов винт используется, к примеру, в обыкновенной мясорубке.
Изобретение бесконечного винта привело его к другому важному изобретению, пусть даже оно и стало обычным, - к изобретению болта, сконструированного из винта и гайки.
Тем своим согражданам, которые сочли бы ничтожными подобные изобретения, Архимед представил решительное доказательство противного в тот день, когда он, хитроумно приладив рычаг, винт и лебедку, нашел средство, к удивлению зевак, спустить на воду тяжелую галеру, севшую на мель, со всем ее экипажем и грузом.
Еще более убедительное доказательство он дал в 212 году до нашей эры. При обороне Сиракуз от римлян во время второй Пунической войны Архимед сконструировал несколько боевых машин, которые позволили горожанам отражать атаки превосходящих в силе римлян в течение почти трех лет. Одной из них стала система зеркал, с помощью которой египтяне смогли сжечь флот римлян. Этот его подвиг, о котором рассказали Плутарх, Полибий и Тит Ливий, конечно, вызвал большее сочувствие у простых людей, чем вычисление числа «пи» - другой подвиг Архимеда, весьма полезный в наше время для изучающих математику.
Архимед погиб во время осады Сиракуз - его убил римский воин в тот момент, когда ученый был поглощен поисками решения поставленной перед собой проблемы.
Любопытно, что, завоевав Сиракузы, римляне так и не стали обладателями трудов Архимеда. Только через много веков они были обнаружены европейскими учеными. Вот почему Плутарх, одним из первых описавший жизнь Архимеда, упомянул с сожалением, что ученый не оставил ни одного сочинения.
Плутарх пишет, что Архимед умер в глубокой старости. На его могиле была установлена плита с изображением шара и цилиндра. Ее видел Цицерон, посетивший Сицилию через 137 лет после смерти ученого. Только в XVI-XVII веках европейские математики смогли, наконец, осознать значение того, что было сделано Архимедом за две тысячи лет до них.
Архимед оставил многочисленных учеников. На новый путь, открытый им, устремилось целое поколение последователей, энтузиастов, которые горели желанием, как и учитель, доказать свои знания конкретными завоеваниями.
Первым по времени из этих учеников был александриец Ктесибий, живший во II веке до нашей эры. Изобретения Архимеда в области механики были в полном ходу, когда Ктесибий присоединил к ним изобретение зубчатого колеса. (Самин Д. К. 100 великих ученых. - М.: Вече, 2000)
В основополагающих трудах по статике и гидростатике (закон Архимеда) Архимед дал образцы применения математики в естествознании и технике. Архимеду принадлежит множество технических изобретений (архимедов винт, определение состава сплавов взвешиванием в воде, системы для поднятия больших тяжестей, военные метательные машины), завоевавших ему необычайную популярность среди современников.
Архимед получил образование у своего отца, астронома и математика Фидия, родственника сиракузского тирана Гиерона II, покровительствовавшего Архимеду. В юности провел несколько лет в крупнейшем культурном центре того времени Александрии Египетской, где познакомился с Эрастосфеном. Затем до конца жизни жил в Сиракузах.
Во время Второй Пунической войны (218-201), когда Сиракузы были осаждены войском римского полководца Марцелла, Архимед участвовал в обороне города, строил метательные орудия. Военные изобретения ученого (о них рассказывал Плутарх в жизнеописании полководца Марцелла) в течение двух лет помогали сдерживать осаду Сиракуз римлянами. Архимеду приписывается сожжение римского флота направленными через систему вогнутых зеркал солнечными лучами, но это недостоверные сведения. Гений Архимеда вызывал восхищение даже у римлян. Марцелл приказал сохранить ученому жизнь, но при взятии Сиракуз Архимед был убит.
Архимеду принадлежит первенство во многих открытиях из области точных наук. До нас дошло тринадцать трактатов Архимеда. В самом знаменитом из них - «О шаре и цилиндре» (в двух книгах) Архимед устанавливает, что площадь поверхности шара в 4 раза больше площади наибольшего его сечения; формулирует соотношение объемов шара и описанного около него цилиндра как 2:3 - открытие, которым он так дорожил, что в завещании просил поставить на своей могиле памятник с изображением цилиндра с вписанным в него шаром и надписью расчета (памятник через полтора века видел Цицерон). В этом же трактате сформулирована аксиома Архимеда (называемая иногда аксиомой Евдокса), играющая важную роль в современной математике.
В трактате «О коноидах и сфероидах» Архимед рассматривает шар, эллипсоид, параболоид и гиперболоид вращения и их сегменты и определяет их объемы. В сочинении «О спиралях» исследует свойства кривой, получившей его имя (Архимедова спираль) и касательной к ней. В трактате «Измерение круга» Архимед предлагает метод определения числа π, который использовался до конца 17 в., и указывает две удивительно точные границы числа π:
3·10/71В физике Архимед ввел понятие центра тяжести, установил научные принципы статики и гидростатики, дал образцы применения математических методов в физических исследованиях. Основные положения статики сформулированы в сочинении «О равновесии плоских фигур».
Архимед рассматривает сложение параллельных сил, определяет понятие центра тяжести для различных фигур, дает вывод закона рычага. Знаменитый закон гидростатики, вошедший в науку с его именем (Архимеда закон), сформулирован в трактате «О плавающих телах». Существует предание, что идея этого закона посетила Архимеда, когда он принимал ванну, с возгласом «Эврика!» он выскочил из ванны и нагим побежал записывать пришедшую к нему научную истину.
Закон Архимеда: на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости. Закон Архимеда справедлив и для газов.
F - выталкивающая сила;
P - сила тяжести, действующая на тело.
Архимед построил небесную сферу - механический прибор, на котором можно было наблюдать движение планет, Солнца и Луны (описан Цицероном, после гибели Архимеда планетарий был вывезен Марцеллом в Рим, где на протяжении нескольких веков вызывал восхищение); гидравлический орган, упоминаемый Тертуллианом как одно из чудес техники (изобретение органа некоторые приписывают александрийскому инженеру Ктесибию).
Считается, что еще в юности, во время пребывания в Александрии, Архимед изобрел водоподъемный механизм (Архимедов винт), который был применен при осушении залитых Нилом земель. Он построил также прибор для определения видимого (углового) диаметра Солнца (о нем Архимед рассказывает в трактате «Псаммит») и определил значение этого угла.
Уроженец греческого города Сиракузы на острове Сицилия, Архимед был приближенным управлявшего городом царя Гиерона (и, вероятно, его родственником). Возможно, какое-то время Архимед жил в Александрии – знаменитом научном центре того времени. То, что сообщения о своих открытиях он адресовал математикам, связанным с Александрией, например Эратосфену, подтверждает мнение о том, что Архимед являлся одним из деятельных преемников Эвклида, развивавших математические традиции александрийской школы. Вернувшись в Сиракузы, Архимед находился там вплоть до своей гибели при захвате Сиракуз римлянами в 212 до н.э.
Дата рождения Архимеда (287 до н.э.) определяется исходя из свидетельства византийского историка 12 в. Иоанна Цеца, согласно которому он «прожил семьдесят пять лет». Яркие картины его гибели у Ливия, Плутарха, Валерия Максима и Цеца отличаются лишь в деталях, но сходятся в том, что Архимеда, погруженного в геометрические построения, зарубил римский воин. Кроме того, Плутарх сообщает, что Архимед, «как утверждают, завещал родным и друзьям установить на его могиле описанный вокруг шара цилиндр с указанием отношения объема описанного тела к вписанному», что было одним из наиболее славных его открытий. Цицерон, который в 75 до н.э. был на Сицилии, обнаружил выглядывавшее из-под колючего кустарника надгробие и на нем – шар и цилиндр.
Легенды об Архимеде. Хотя слава Архимеда как ученого связана главным образом с его замечательными математическими работами, его репутация в античности опиралась также и на приписывавшиеся ему различного рода механические устройства и инструменты, о чем нередко сообщают авторы, жившие в более позднюю эпоху. Так, считается, что Архимед был изобретателем т.н. архимедова винта, который служил для подъема воды на поля и явился прообразом корабельных и воздушных винтов, хотя, судя по всему, такого рода устройство использовалось и раньше. Не внушает особого доверия и то, что рассказывает Плутарх в Жизнеописании Марцелла . Здесь говорится, что в ответ на просьбу царя Гиерона продемонстрировать, как тяжелый груз может быть сдвинут малой силой, Архимед «взял трехмачтовое грузовое судно, которое перед этим с превеликим трудом вытянули на берег много людей, усадил на него множество народа и загрузил обычным грузом. После этого Архимед сел поодаль и стал легко двигать конец полиспаста назад и вперед, отчего судно стало легко и плавно, словно по водной поверхности, двигаться к нему». Именно в связи с этой историей Плутарх приводит замечание Архимеда, что, «если бы имелась иная земля, он сдвинул бы нашу, перейдя на ту» (более известный вариант этого высказывания сообщает Папп Александрийский: «Дайте мне, где стать, и я сдвину Землю»). Вызывает сомнение и подлинность истории, поведанной Витрувием, что будто бы царь Гиерон поручил Архимеду проверить, из чистого ли золота сделана его корона или же ювелир присвоил часть золота, сплавив его с серебром. «Размышляя над этой задачей, Архимед как-то зашел в баню и там, усаживаясь в ванну, заметил, что количество воды, переливающейся через край, равно количеству воды, вытесненной его телом. Это наблюдение подсказало Архимеду решение задачи о короне, и он, не медля ни секунды, выскочил из ванны и, как был нагой, бросился домой, крича во весь голос о своем открытии: «Эврика! Эврика!» (греч. «Нашел! Нашел!»).
Более достоверным представляется свидетельство Паппа, что Архимеду принадлежало сочинение Об изготовлении [небесной ] сферы , речь в котором шла, вероятно, о построении модели планетария, воспроизводившей видимые движения Солнца, Луны и планет, а также, возможно, звездного глобуса с изображением созвездий. Во всяком случае Цицерон сообщает, что тот и другой инструмент захватил в Сиракузах в качестве трофеев Марцелл. Наконец, Полибий, Ливий, Плутарх и Цец сообщают о беснословных баллистических и иных машинах, построеннных Архимедом для отражения римлян.
Математические труды. Сохранившиеся математические сочинения Архимеда можно разделить на три группы. Сочинения первой группы посвящены в основном доказательству теорем о площадях и объемах криволиниейных фигур или тел. Сюда относятся трактаты О шаре и цилиндре , Об измерении круга , О коноидах и сфероидах , О спиралях и О квадратуре параболы . Вторую группу составляют работы по геометрическому анализу статических и гидростатических задач: О равновесии плоских фигур , О плавающих телах . К третьей группе можно отнести различные математические работы: О методе механического доказательства теорем , Исчисление песчинок , Задача о быках и сохранившийся лишь в отрывках Стомахион . Существует еще одна работа – Книга о предположениях (или Книга лемм ), сохранившаяся лишь в арабском переводе. Хотя она и приписывается Архимеду, в своем нынешнем виде она явно принадлежит другому автору (поскольку в тексте имеются ссылки на Архимеда), но, возможно, здесь приведены доказательства, восходящие к Архимеду. Несколько других работ, приписываемых Архимеду древнегреческими и арабскими математиками, утеряны.
Дошедшие до нас работы не сохранили своей первоначальной формы. Так, судя по всему, I книга трактата О равновесии плоских фигур является отрывком из более обширного сочинения Элементы механики ; кроме того, она заметно отличается от II книги, написанной явно позднее. Доказательство, упоминаемое Архимедом в сочинении О шаре и цилиндре , было утрачено ко 2 в. н.э. Работа Об измерении круга сильно отличается от первоначального варианта, и предложение II в ней скорее всего заимствовано из другого сочинения. Заглавие О квадратуре параболы вряд ли могло принадлежать самому Архимеду, так как в его время слово «парабола» еще не использовалось в качестве названия одного из конических сечений. Тексты таких сочинений, как О шаре и цилиндре и Об измерении круга , скорее всего, подвергались изменениям в процессе перевода с дорийско-сицилийского на аттический диалект.
При доказательстве теорем о площадях фигур и объемах тел, ограниченных кривыми линиями или поверхностями, Архимед постоянно использует метод, известный как «метод исчерпывания». Изобрел его, вероятно, Эвдокс (расцвет деятельности ок. 370 до н.э.) – по крайней мере, так считал сам Архимед. К этому методу время от времени прибегает и Эвклид в XII книге Начал . Доказательство с помощью метода исчерпывания, в сущности, представляет собой косвенное доказательство от противного. Иначе говоря, если теорема записана в форме отношения «А равно В», она считается истинной в том случае, когда принятие противоположного отношения «А не равно В» ведет к противоречию. Основная идея метода исчерпывания заключается в том, что в фигуру, площадь или объем которой требуется найти, вписывают (или вокруг нее описывают, либо же вписывают и описывают одновременно) правильные фигуры. Площадь или объем вписанных или описанных фигур увеличивают или уменьшают до тех пор, пока разность между площадью или объемом, которые требуется найти, и площадью или объемом вписанной фигуры не становится меньше заданной величины. Пользуясь различными вариантами метода исчерпывания, Архимед смог доказать различные теоремы, эквивалентные в современной записи соотношениям S = 4pr 2 для поверхности шара, V = 4/3pr 3 для его объема, теореме о том, что площадь сегмента параболы равна 4/3 площади треугольника, имеющего те же оcнование и высоту, что и сегмент, а также многие другие интересные теоремы.
Ясно, что, используя метод исчерпывания (который является скорее методом доказательства, а не открытия новых соотношений), Архимед должен был располагать каким-то другим методом, позволяющим находить формулы, которые составляют содержание доказанных им теорем. Один из методов нахождения формул раскрывает его трактат О механическом методе доказательства теорем . В трактате излагается механический метод, при котором Архимед мысленно уравновешивал геометрические фигуры, как бы лежащие на чашах весов. Уравновесив фигуру с неизвестной площадью или объемом с фигурой с известной площадью или объемом, Архимед отмечал относительные расстояния от центров тяжести этих двух фигур до точки подвеса коромысла весов и по закону рычага находил требуемые площадь или объем, выражая их, соответственно, через площадь или объем известной фигуры. Одно из основных допущений, используемых в методе исчерпывания, состоит в том, что площадь рассматривается как сумма линейных отрезков, а объем – как сумма плоских сечений. Архимед считал, что его механический метод не имеет доказательной силы, но позволяет находить предварительный результат, который впоследствии может быть доказан более строгими геометрическими методами.
Хотя Архимед был в первую очередь геометром, он совершил ряд интересных экскурсов и в область численных расчетов, пусть примененные им методы и не вполне ясны. В предложении III сочинения Об измерении круга он установил, что число p меньше и больше . Из доказательства видно, что он располагал алгоритмом получения приближенных значений квадратных корней из больших чисел. Интересно отметить, что у него приведена и приближенная оценка числа , а именно: . В сочинении, известном под названием Исчисление песчинок , Архимед излагает оригинальную систему представления больших чисел, позволившую ему записать число , где само Р равно . Эта система потребовалась ему, чтобы сосчитать, сколько песчинок понадобилось бы, чтобы заполнить Вселенную.
В труде О спирали Архимед исследовал свойства т.н. архимедовой спирали, записал в полярных координатах характеристическое свойство точек спирали, дал построение касательной к этой спирали, а также определил ее площадь.
В истории физики Архимед известен как один из основоположников успешного применения геометрии к статике и гидростатике. В I книге сочинения О равновесии плоских фигур он приводит чисто геометрический вывод закона рычага. По сути, его доказательство основано на сведении общего случая рычага с плечами, обратно пропорциональными приложенным к ним силам, к частному случаю равноплечего рычага и равных сил. Все доказательство от начала и до конца пронизано идеей геометрической симметрии.
В своем сочинении О плавающих телах Архимед применяет аналогичный метод к решению задач гидростатики. Исходя из двух исходных допущений, сформулированных на геометрическом языке, Архимед доказывает теоремы (предложения) относительно величины погруженной части тел и веса тел в жидкости как с большей, так и с меньшей плотностью, чем само тело. В предложении VII, где говорится о телах более плотных, чем жидкость, выражен т.н. закон Архимеда, согласно которому «всякое тело, погруженное в жидкость, теряет по сравнению со своим весом в воздухе столько, сколько весит вытесненная им жидкость». В книге II содержатся тонкие соображения относительно устойчивости плавающих сегментов параболоида.
Влияние Архимеда. В отличие от Эвклида, Архимеда вспоминали в античности лишь от случая к случаю. Если мы что-то знаем о его работах, то лишь благодаря тому интересу, который питали к ним в Константинополе в 6–9 в. Эвтокий, математик, родившийся в конце 5 в., прокомментировал по крайней мере три работы Архимеда, по-видимому, наиболее известные в то время: О шаре и цилиндре , Об измерении круга и О равновесии плоских фигур . Работы Архимеда и комментарии Эвтокия изучали и преподавали математики Анфимий из Тралл и Исидор из Милета, архитекторы собора св. Софии, возведенного в Константинополе в правление императора Юстиниана. Реформа преподавания математики, которую проводил в Константинополе в 9 в. Лев Фессалоникийский, по-видимому, способствовала собиранию работ Архимеда. Тогда же он стал известен мусульманским математикам. Теперь мы видим, что арабским авторам недоставало некоторых наиболее важных работ Архимеда, таких как О квадратуре параболы , О спиралях , О коноидах и сфероидах , Исчисление песчинок и О методе . Но в целом арабы овладели методами, изложенными в других работах Архимеда, и нередко блестяще ими пользовались.
Средневековые латиноязычные ученые впервые услышали об Архимеде в 12 в., когда появились два перевода с арабского на латынь его сочинения Об измерении круга .. Лучший перевод принадлежал знаменитому переводчику Герарду Кремонскому, и в последующие три столетия он послужил основой многих изложений и расширенных версий. Герарду принадлежал также перевод трактата Слова сынов Моисеевых арабского математика 9 в. Бану Мусы, в котором приводились теоремы из сочинения Архимеда О шаре и цилиндре с доказательством, аналогичным приведенному у Архимеда. В начале 13 в. Иоанн де Тинемюэ перевел сочинение О криволинейных поверхностях , по которому видно, что автор был знаком с другой работой Архимеда – О шаре и цилиндре . В 1269 доминиканец Вильгельм из Мербеке перевел с древнегреческого весь корпус работ Архимеда, кроме Исчисления песчинок , Метода и небольших сочинений Задача о быках и Стомахион . Для перевода Вильгельм из Мербеке использовал две из трех известных нам византийских рукописей (рукописи А и В). Мы можем проследить историю всех трех. Первая из них (рукопись А), источник всех копий, снятых в эпоху Возрождения, по-видимому, была утрачена примерно в 1544. Вторая рукопись (рукопись В), содержавшая работы Архимеда по механике, в том числе сочинение О плавающих телах , исчезла в 14 в. Копий с нее снято не было. Третья рукопись (рукопись С) не была известна до 1899, а изучать ее стали лишь с 1906. Именно рукопись С стала драгоценной находкой, так как содержала великолепное сочинение О методе , известное ранее лишь по отрывочным фрагментам, и древнегреческий текст О плавающих телах , исчезнувший после утраты в 14 в. рукописи В, которую использовал при переводе на латынь Вильгельм из Мербеке. Этот перевод имел хождение в 14 в. в Париже. Он использовался также Якобом Кремонским, когда в середине 15 в. тот предпринял новый перевод корпуса сочинений Архимеда, входивших в рукопись А (т.е. за исключением сочинения О плавающих телах ). Именно этот перевод, несколько поправленный Региомонтаном, был опубликован в 1644 в первом греческом издании трудов Архимеда, хотя некоторые переводы Вильгельма из Мербеке были изданы в 1501 и 1543. После 1544 известность Архимеда начала возрастать, и его методы оказали значительное влияние на таких ученых, как Симон Стевин и Галилей, а тем самым, хотя и косвенно, воздействовали на формирование современной механики.
АРХИМЕД - древнегреческий математик и механик, основоположник теоретической механики и гидростатики. Разработал методы нахождения площадей поверхностей и объемов различных фигур и тел, которые предвосхитили методы дифференциального и интегрального исчислений. Архимеду принадлежит множество технических изобретений, завоевавших ему необычайную популярность среди современников.Жизнь
Архимед получил блестящее образование у своего отца, астронома и математика Фидия, родственника сиракузского тирана Гиерона II, покровительствовавшего Архимеду. В юности провел несколько лет в крупнейшем культурном центре того времени Александрии, где познакомился с Эрастосфеном. Затем до конца жизни жил в Сиракузах. Во время 2-й Пунической войны Архимед организовал инженерную оборону города. Изобретенные им военные метательные и др. машины (о них рассказывает Плутарх в жизнеописании римского полководца Марцелла) в течение двух лет сдерживали осаду Сиракуз римлянами. Архимеду приписывается также сожжение римского флота направленным на него через систему вогнутых зеркал солнечным светом, но это вряд ли достоверно. Гений Архимеда вызывал такое восхищение у римлян, что Марцелл приказал сохранить ему жизнь, но при взятии Сиракуз он был убит не узнавшим его солдатом.
Архимед как математик
До нас дошло 13 трактатов Архимеда. В самом знаменитом из них - "О шаре и цилиндре" (в двух книгах) Архимед устанавливает, что площадь поверхности шара в 4 раза больше площади наибольшего его сечения; формулирует соотношение объемов шара и описанного около него цилиндра как 2:3 - открытие, которым он так дорожил, что в завещании просил поставить на своей могиле памятник с изображением цилиндра с вписанным в него шаром и надписью расчета (памятник через полтора века видел Цицерон). В этом же трактате сформулирована аксиома Архимеда (называемая иногда аксиомой Евдокса), играющая важную роль в современной математике. В трактате "О коноидах и сфероидах" Архимед рассматривает шар, эллипсоид, параболоид и гиперболоид вращения и их сегменты и определяет их объемы. В сочинении "О спиралях" исследует свойства кривой, получившей его имя (см . ) и касательной к ней. В трактате "Измерение круга" Архимед предлагает метод определения числа Пи, который использовался до конца 17 в. В "Псаммите" ("Исчисление песчинок") Архимед предлагает систему счисления, позволявшую записывать сверхбольшие числа, что поражало воображение современников. В "Квадратуре параболы" определяет площадь сегмента параболы сначала с помощью "механического" метода, а затем доказывает результаты геометрическим путем. Кроме того, Архимеду принадлежат "Книга лемм", "Стомахион" и обнаруженные только в 20 в. "Метод" (или "Эфод") и "Правильный семиугольник". В "Методе" Архимед описывает процесс открытия в математике, проводя четкое различие между своими механическими приемами и математическим доказательством.
Механика
Основные положения статики сформулированы в сочинении "О равновесии плоских фигур". Архимед рассматривает сложение параллельных сил, определяет понятие центра тяжести для различных фигур, дает вывод закона рычага. Знаменитый закон гидростатики, вошедший в науку с его именем (см. ), сформулирован в трактате "О плавающих телах".
Существует предание, что идея этого закона посетила Архимеда, когда он принимал ванну; с возгласом "Эврика!" он выскочил из ванны и нагим побежал записывать пришедшую к нему научную истину. Архимед построил небесную сферу - механический прибор, на котором можно было наблюдать движение планет, Солнца и Луны (описан Цицероном; после гибели Архимеда планетарий был вывезен Марцеллом в Рим, где на протяжении нескольких веков вызывал восхищение); гидравлический орган, упоминаемый Тертуллианом как одно из чудес техники (изобретение органа некоторые приписывают александрийскому инженеру Ктесибию). Считается, что еще в юности, во время пребывания в Александрии, Архимед изобрел водоподъемный механизм (см. ), сыгравший большую роль в ирригационных работах на засушливых землях египетского государства Птолемеев. Он построил также прибор для определения видимого диаметра солнца (о нем Архимед рассказывает в трактате "Псаммит").
Большой Энциклопедический Словарь
Сергей Житомирский
Архимед-физик
Архимеда справедливо считают основоположником математической физики. С его именем связывается введение понятия центра тяжести, открытие законов рычага и разработка основ гидростатики. Известно, что он занимался и геометрической оптикой, хотя его работы в этой области до нас не дошли. Для древних греков физика была целостным учением о мире и считалась частью философии. Ее практические стороны, такие, как механика, относились к прикладным дисциплинам. Математика хотя и применялась, но от нее не требовали ни строгости, ни полноты описания явлений.
Архимед первым подошел к решению физических задач с широким применением математики. Как уже говорилось, он начал с механики. Античные механические представления настолько отличались от наших, что сейчас воспринимаются с трудом, хотя «Физику» Аристотеля (384...322 г. до н.э.) в течение многих столетий изучали, комментировали, считали безошибочной. Аристотель разделял движения на «естественные» и «насильственные». Естественным считалось стремление материи к своему «месту», зависящему от ее свойств, например стремление камня к центру; Земли, огня – от Земли вверх. Насильственные движения предполагали внешнюю причину – приложение силы. Механика Аристотеля не знала явления инерции: движение должно было прекратиться тотчас же после прекращения действия силы. Движение же по инерции объяснялось влиянием среды. Так, последователи Аристотеля считали, что при бросании камня возникает воздушный вихрь, несущий его после того, как камень покинул руку.
В своих трудах Архимед изучал только силы, которые с точки зрения аристотелевой механики вызывают «естественные» движения. Более того, он сразу упростил задачу, исключив из нее движение. Так появилась статика.
До Архимеда закон рычага рассматривался в сочинении «Механические проблемы», автором которого долгое время считался Аристотель.
В «Механических проблемах», которые составлены в форме вопросов и ответов, содержится описание ряда инструментов и механизмов (рычаг, колодезный журавль с противовесом, клещи, кривошип, полиспаст, зубчатые колеса, рычажные весы) и объяснение их действия на основе «принципа рычага» и правила: «Выигрываем в скорости (пути) – проигрываем в силе».
Однако отсутствие ясности в постановке задач в ряде случаев приводило к совершенно неправильным представлениям. Вот как, например, описывается в «Проблемах» работа корабельного руля: «Почему малый руль, привешенный на корме корабля, имеет столь большую силу?.. Быть может, потому, что руль есть рычаг, а рулевой есть то, что приводит его в действие? Стало быть, место, где он прикреплен к кораблю, становится точкой опоры, руль в целом – рычагом, море – грузом, а рулевой – движущей силой». Действие руля, основанное на силе реакции отталкиваемой им воды, разумеется, нельзя свести к простому рычагу.
Нечетким рассуждениям, содержавшимся в «Механических проблемах», Архимед противопоставил безупречную теорию, построенную по законам геометрии. Архимед сделал в механике то, что греческие геометры сделали в египетской и вавилонской землемерной науке. Вместо полей они рассматривали отрезки плоскостей, вместо межевых границ – бесконечно тонкие и абсолютно прямые (или имеющие строго обусловленную кривизну) линии. И тогда оказалось возможным найти между фигурами соотношения, о которых не подозревала восточная математика, удовлетворявшаяся решением практических задач.
Архимед придал геометрическим фигурам вес, равномерно распределенный по площади или объему. В отличие от автора «Механических проблем» он рассматривает не реальные рычаги или барабаны, а их идеализированные схемы. Это тем более замечательно, что Архимед был и блестящим практиком-конструктором.
Из механических, вернее, механогеометрических сочинений Архимеда до нас дошли только два: «О равновесии плоских фигур» и «Эфод, или послание Эратосфену о механических теоремах». Однако отрывки из его более ранних механических сочинений «О весах» и «О рычагах» сохранились в произведениях ряда авторов. Наиболее важные из них, относящиеся к учению о центре тяжести, имеются в «Механике» александрийского ученого I в. н.э. Герона и в «Математической библиотеке» ученого III в. н.э. (также александрийца) Паппа.
Центр тяжести
Первым открытием Архимеда в механике было введение понятия центра тяжести, т.е. доказательство того, что в любом теле есть единственная точка, в которой можно сосредоточить его вес, не нарушив равновесного состояния.
Герон и Папп приводят со ссылкой на Архимеда доказательство существования центра тяжести. Герон предваряет теорему фразой, относящейся к рассмотрению Архимедом идеализированных «физико-математических» тел (метод абстракции). Герон пишет: «Никто не отрицает, что о наклонении и отклонении в действительности говорят только о телах. Если же мы говорим о плоских или телесных (объемных) фигурах, что некоторая точка является их центром поворота и центром тяжести, то это достаточно разъяснено Архимедом». Эта фраза подтверждает, что замена тел их теоретическими моделями была в науке новшеством, введенным Архимедом.
Архимедовы определение центра тяжести и теорему о его существовании мы приведем в пересказе Паппа.
Определение центра тяжести формулируется так: «...центром тяжести некоторого тела является некоторая расположенная внутри него точка, обладающая тем свойством, что если за нее мысленно подвесить тяжелое тело, то оно останется в покое и сохранит первоначальное положение».
Доказательство существования центра тяжести также основано на мысленном уравновешивании тела. В нем тело мысленно помещают на горизонтальную прямую, являющуюся основанием вертикальной плоскости (рис. 1): «Если какое-нибудь обладающее весом тело положить на прямую CD так, чтобы оно полностью рассекалось продолжением упомянутой плоскости, то оно может иногда занять такое положение, что будет оставаться в покое... Если затем переставить груз так, чтобы он касался прямой CD другой своей частью, то можно при поворачивании дать ему такое положение, что он, будучи отпущен, останется в покое... Если снова вообразить плоскость ABCD продолженной, то она разделит груз на две взаимно уравновешивающиеся части и пересечется с первой плоскостью... Если бы эти плоскости не пересеклись, то те же самые части были бы и уравновешивающимися и неуравновешивающимися, что нелепо».
Рис. 1. К определению центра тяжести тела
Действительно, если бы плоскости, рассекающие груз на уравновешенные части, оказались параллельными (не пересекались), то можно было бы уравновесить тело, не поворачивая его, а только сдвинув параллельно самому себе. Это означало бы, что к одной из частей добавился бы отнятый от второй части объем, заключенный между плоскостями, что должно было бы нарушить равновесие. Путем подобных же рассуждений доказывается, что на линии пересечения плоскостей находится единственная точка, являющаяся центром тяжести.
Архимед решил ряд задач на нахождение центров тяжести различных геометрических фигур: треугольника, параллелограмма, конуса, сегмента параболы.
Закон рычага
Закон рычага, вероятно, был сформулирован в одном из упомянутых выше не дошедших до нас сочинений Архимеда. Причем сохранившийся в «Механике» Герона отрывок из сочинения Архимеда показывает, что в этом сочинении рассматривался случай, когда точки приложения сил расположены на окружностях разного диаметра, имеющих общую точку поворота. Это схема таких механизмов, как ворот, зубчатая передача и амфирион (разновидность ворота, состоящая из сидящих на одном валу барабанов разного диаметра). Приведя теорему, сводящую этот случай к рычагу, Герон пишет: «Это доказал Архимед в своей книге о равновесии. Отсюда ясно, что можно сдвинуть большую величину малой силой».
Но более серьезную разработку этих проблем Архимед предпринял позже в сочинении «О равновесии плоских фигур», состоящем из двух частей. В первой приводится ряд аксиом и теорем общего характера, а во второй с их помощью решается задача о нахождении центра тяжести сегмента параболы. В этой работе Архимед впервые развил аксиоматический подход к механике. Он строит свою теорию на базе геометрии путем добавления к геометрическим аксиомам нескольких «механических» аксиом. Книга начинается так:
«Сделаем следующие допущения:
- Равные тяжести на равных длинах уравновешиваются, на неравных же длинах не уравновешиваются, но перевешивают тяжести на большей длине.
- Если при равновесии тяжестей на каких-нибудь длинах к одной из тяжестей будет что-нибудь прибавлено, то они не будут уравновешиваться, но перевесит та тяжесть, к которой будет прибавлено».
Архимед приводит семь аксиом и на их основании доказывает ряд теорем, касающихся определения общего центра тяжести двух или нескольких фигур. Нахождение общего центра тяжести фигур сводится к их уравновешиванию на воображаемом рычаге, поскольку такое уравновешивание произойдет, если точка подвеса окажется в этом центре.
- «Соизмеримые величины уравновешиваются на длинах, которые будут обратно пропорциональны тяжестям».
- «Если величины несоизмеримы, то они точно так же уравновешиваются на длинах, которые обратно пропорциональны этим величинам».
Разумеется, для практики, когда требуются лишь приближенные расчеты, вторая теорема не нужна. Но она имеет глубокий теоретический смысл, показывая, что закон рычага действует при любых отношениях плеч, включая и иррациональные.
Архимед не только ввел в геометрию новый класс задач (определение центров тяжести фигур), но и впервые применил при их решении «механические» методы (например, мысленное взвешивание для нахождения площадей сложных фигур).
Применив математику для изучения механического равновесия, Архимед показал, что математический подход к решению физических проблем не только помогает проникнуть в суть законов природы, но обогащает и саму математику.
«То механическое открытие»
В XI главе «Математической библиотеки» Паппа говорится: «Как определенный груз привести в движение определенной силой – это то механическое открытие Архимеда, которое заставило его радостно воскликнуть: «Дай мне место, где бы я мог стоять, и я подниму Землю!» Сходный по содержанию текст имеется у Плутарха, который рассказывает: «Архимед, между прочим, писал однажды своему родственнику и другу царю Гиерону, что данной силой можно поднять любую тяжесть. В юношески смелом доверии к силе своего доказательства он сказал, что, если бы у него была другая Земля, он перешел бы на нее и сдвинул с места нашу. Удивленный Гиерон стал просить его доказать свои слова и привести в движение какое-либо большое тело малой силой. Архимед приказал посадить на царскую грузовую триеру, с громадным трудом с помощью многих рук вытащенную на берег, большой экипаж, положить на нее обыкновенный груз и, усевшись на некотором расстоянии, без всяких усилий, спокойно двигая рукой конец полиспаста, стал тянуть к себе триеру так тихо и ровно, как будто она плыла по морю».
Таким образом, открытие связывается с эффектной механической демонстрацией и со знаменитой фразой Архимеда о том, что он смог бы сдвинуть саму Землю. Обычно эту фразу относят к открытию закона рычага. Но рычаг был известен с незапамятных времен, а закон его действия, хотя и не строго, уже был сформулирован в «Механических проблемах». Кроме того, при попытке сдвинуть рычагом очень большой груз, мы получим весьма малое перемещение. Также мало вероятно, чтобы эта фраза относилась к какому-нибудь изобретенному Архимедом механизму, например винту. Ведь Папп говорит о каком-то открытом Архимедом законе, «как определенный груз привести в движение определенной силой». Ссылаясь на книгу Герона «Барулк», Папп пишет: «В «Барулк» он описывает, как поднять определенный груз определенной силой, причем он принимает отношение диаметра колеса к диаметру оси равным 5:1, предварительно допустив, что подлежащий поднятию груз весит 1000 талантов (25 т), а движущая сила равна 5 талантам (125 кг)». Далее Папп, меняя условия задачи (поднять груз в 160 талантов силой 4 таланта), описывает расчет многоступенчатого зубчатого редуктора, имеющего на входе червячную передачу.Слово «барулк», видимо, и является названием описываемого механизма.
«Открытие» не названо, но по крайней мере теперь мы знаем, что оно заключено в механизме, который мы бы назвали лебедкой, содержащей барабан для наматывания каната, несколько зубчатых передач и червячную пару. Кроме червячной передачи, которая входит в состав лебедки, остальные механизмы – ворот и зубчатые колеса – упоминаются в «Механических проблемах» и, значит, были известны до Архимеда.
Новым здесь был сам принцип построения многоступенчатой передачи. Открытие Архимеда должно было состоять в нахождении закона определения общего «выигрыша в силе», достигаемого с помощью механизма, состоящего из последовательно соединенных передач. Этот закон можно сформулировать так: общее передаточное отношение многозвенного механизма равно произведению передаточных отношений его звеньев.
Но это простое правило приводит к ошеломляющим результатам. Если взять пару зубчатых колес с отношениями радиусов 1:5 (как у Герона), то получим на большом колесе «выигрыш в силе» в 5 раз. Если же мы на вал с малым колесом насадим еще одно такое же большое и сцепим его с еще одним таким же маленьким, то получится уже «выигрыш» в 25 раз. Для редуктора с тремя такими передачами он будет равен 125, с пятью – 3125, а с семью передачами составит 390 625; наконец, взяв всего 12 передач, получим астрономическое число 1 220 703 125!
Найдя этот закон, Архимед открыл, на что способна механика, и счел не лишним продемонстрировать ее могущество окружающим.
Гидростатика
Хотя, как мы видим, Архимед ввел понятие центра тяжести и нашел закон рычага, в физику под именем закона Архимеда и архимедовой силы вошли понятия из его замечательного сочинения «О плавающих телах». Как и сочинение «О равновесии плоских фигур», это сочинение состоит из двух частей: вступительной, в которой даются основные положения, и основной, посвященной рассмотрению равновесия плавающего в жидкости параболоида вращения.
Замечательно, что роль аксиомы здесь берет на себя физическая модель «идеальной жидкости». «Предположим, – пишет Архимед, – что жидкость имеет такую природу, что из ее частиц, расположенных на одинаковом уровне и прилежащих друг к другу, менее сдавленные выталкиваются более сдавленными и что каждая из частиц сдавливается жидкостью, находящейся над ней по отвесу, если только жидкость не заключена в каком-нибудь сосуде и не сдавливается чем-нибудь другим». Это единственное предположение, исходя из которого Архимед выводит все остальное.
Первым выводом является доказательство того, что «поверхность всякой жидкости, установившейся неподвижно, будет иметь форму шара, центр которого совпадает с центром Земли». Далее следуют теоремы: «Тела, равнотяжелые с жидкостью, будучи опущены в эту жидкость, погружаются так, что никакая их часть не выступает над поверхностью жидкости и не будут двигаться вниз», «Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погружений части тела, имел вес, равный весу всего тела», Тела, более легкие, чем жидкость, опущенные в эту жидкость насильственно, будут выталкиваться вверх силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный объем с телом, будет тяжелее этого тела», «Тела, более тяжелые, чем жидкость, опущенные в жидкость, будут погружаться, пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину а жидкости в объеме, равном объему погруженного тела».
Трудно представить себе более ясные и четкие формулировки поведения в воде плавающих тел. Но возникает вопрос: правомочно ли было выводить их из принятого вначале положения о свойствах жидкости. Как можно доказать его правильность?
И тут мы впервые в истории физики встречаемся со своеобразием ее аксиом.
Архимед предлагает нам мысленно представить себе вещество, состоящее из абсолютно скользких атомов, способных передавать давление во все стороны и подвергающихся давлению со стороны таких же атомов, находящихся сверху. Потом он математически исследует это вещество. Оказывается, что поверхность такого вещества в свободном состоянии есть сфера с центром в центре земного шара. Но так как это общеизвестный факт (форма поверхности Мирового океана), то отсюда можно сделать обратный вывод: поскольку поверхность океана – сфера, то жидкость имеет именно такое строение, какое постулировано Архимедом. Можно также не сомневаться в том, что выведенные математические законы гидростатики Архимед проверял на опыте.
Таким образом, сочинение «О плавающих телах» – первая попытка экспериментально проверить фундаментальное предположение о строении вещества путем создания его модели. В этом сочинении Архимед не только подтвердил атомистические идеи Демокрита, но и доказал ряд важных положений о физических свойствах атомов жидкости.
Архимед вывел законы гидростатики для идеальной жидкости, описав ее свойства. Свойства реальной жидкости немного отличаются от свойств архимедовой идеальной жидкости. Эти отличия в некоторых случаях играют заметную роль. Так, вопреки законам Архимеда смазанная жиром иголка может держаться на поверхности налитой в сосуд воды. Но нельзя упрекнуть ученого в неверности его законов. Эти законы справедливы постольку, поскольку жидкость приближается к идеальной модели. Для описания свойств реальной жидкости надо внести соответствующие поправки в модель. Но это не опровергает справедливость выкладок Архимеда.
Определение удельного веса
Римский архитектор Витрувий, сообщая о поразивших его открытиях разных ученых, приводит следующую историю: «Что касается Архимеда, то изо всех его многочисленных и разнообразных открытий то открытие, о котором я расскажу, представляется мне сделанным с безграничным остроумием.
Во время своего царствования в Сиракузах Гиерон после благополучного окончания всех своих мероприятий дал обет пожертвовать в какой-то храм золотую корону бессмертным богам. Он условился с мастером о большой цене за работу и дал ему нужное 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 была взята часть золота и вместо него примешано такое же количество серебра. Гиерон разгневался на то, что его провели, и, не находя способа уличить это воровство, 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 количество воды, каков объем его тела, погруженного в ванну. Выяснив себе ценность этого факта, он, не долго думая, выскочил с радостью из ванны, пошел домой голым и громким голосом сообщал всем, что он нашел то, что искал. Он бежал и кричал одно и то же по-гречески: «Эврика, эврика! (Нашел, нашел!)».
Затем, исходя из своего открытия, он, говорят, сделал два слитка, каждый такого же веса, какого была корона, один из золота, другой из серебра. Сделав это, он наполнил сосуд до самых краев и опустил в него серебряный слиток, и... соответственное ему количество воды вытекло. Вынув слиток, он долил в сосуд такое же количество воды.., отмеряя вливаемую воду секстарием (0,547л), чтобы, как прежде, сосуд был наполнен водой до самых краев. Так он нашел, какой вес серебра соответствует какому определенному объему воды.
Произведя такое исследование, он таким же образом опустил золотой слиток... и, добавив той же меркой вылившееся количество воды, нашел на основании меньшего количества секстантов воды (секстант – римская мера веса, равная 0,534 Н), насколько меньший объем занимает слиток».
Потом тем же методом был определен объем короны. Она вытеснила воды больше, чем золотой слиток, и кража была доказана.
Часто этот, рассказ связывают с открытием закона Архимеда, хотя он касается способа определения объема тел неправильной формы.
Возможно, что в этом рассказе Витрувия ванна, забытая одежда и возглас «Эврика!» являются вымыслом, но нас интересуют научные факты. Во-первых, бросается в глаза, что согласно описанию Витрувия Архимед сделал больше того, что требовалось. Чтобы обнаружить примесь, достаточно было сравнить объем короны с объемом равного ей веса золота. По-видимому, Витрувий не вполне разобрался в какой-то другой принадлежавшей Архимеду задаче об определении удельного веса тел. Об этом свидетельствует и фраза: «Отсюда он нашел, какой вес серебра соответствует какому объему воды». В ней, собственно, и содержится определение удельного веса – отношение веса к объему или к весу вытесненной воды (при измерении объема золотого слитка говорится о весе воды).
Оптика
В своем стремлении математически описать явления природы Архимед выделял задачи, наиболее поддающиеся геометрическому анализу. Поэтому занятия Архимеда в области геометрической оптики – «катоптрике», как ее называли прежде, можно считать закономерными.
Очень немного можно сказать о «катоптрике» Архимеда. От нее в позднем пересказе уцелела единственная теорема, в которой доказывается, что при отражении света от зеркала угол падения луча равен углу отражения. Свои оптические теории (как и механические) Архимед строил на основе аксиом. Одной из таких аксиом являлась обратимость хода луча – глаз и объект наблюдения можно поменять местами. Весь же круг вопросов «катоптрики» был очень широк. Перечисление проблем, которых касался Архимед в этой книге, мы находим у других авторов античного периода. Вот как об этих работах говорил Апулей: «Почему в плоских зеркалах предметы сохраняют свою натуральную величину, в выпуклых – уменьшаются, а в вогнутых – увеличиваются; почему левые части предметов видны справа и наоборот; когда изображение в зеркале исчезает и когда появляется; почему вогнутые зеркала, будучи поставлены против Солнца, зажигают поднесенный к ним трут; почему в небе видна радуга; почему иногда кажется, что на небе два одинаковых Солнца, и много другого подобного же рода, о чем рассказывается в объемистом томе Архимеда». Из других свидетельств следует, что Архимед изучал также и явление преломления лучей в воде.
С «катоптрикой» связана легенда о поджоге Архимедом римских кораблей во время осады Сиракуз. Что в ней вымысел и что, быть может, является отражением действительных событий, мы рассмотрим в отдельной главе.
Можно не сомневаться в том, что «катоптрика» Архимеда оказала большое влияние на последующее развитие оптики.
Влияние работ Архимеда на развитие физики
Если говорить об ученых, опередивших свое время, то Архимед, вероятно, может считаться своеобразным рекордсменом. Его идеи нашли продолжателей лишь через 1800 лет.
Предложенное Архимедом направление в науке – математическая физика, которую он провозгласил и в которой так много сделал, не была воспринята ни его ближайшими потомками, ни учеными средневековья.
Архимеда знали как гениального математика, им восхищались, его изучали и комментировали, но его физические работы долгое время не получали развития.
В какой-то мере в средние века на сочинениях Архимеда базировались работы ряда ученых Востока о взвешивании и определении удельного веса веществ. Математик и астроном IX в. Сабит ибн-Корра перевел на арабский язык и прокомментировал многие сочинения Архимеда и составил трактат о рычажных весах. На основе сочинения Архимеда «О плавающих телах» крупнейшие ученые того же времени ал-Бируни и Омар Хайям провели определения удельных весов большого количества металлов и драгоценных камней. При этом ал-Бируни пользовался методом сравнения значений веса равных объемов различных минералов, а Омар Хайям – методом взвешивания образцов на воздухе и в воде.
В эпоху Возрождения, когда центр научной мысли вновь переместился в Европу, европейская наука училась у арабской. Некоторые труды Архимеда дошли до нас только в арабских переводах. Одним из первых продолжателей механики Архимеда был итальянский ученый и инженер Гвидо Убальди дель Монте (1545...1607), исследовавший вопросы равновесия и решивший задачу о грузе на наклонной плоскости. Многое сделал для развития статики Архимеда другой итальянский ученый – Джовани Баттиста Бенедетти (1530...1590). Крупнейшим механиком «школы Архимеда» был фламандский ученый Симон Стевин (1548...1620). В своем классическом труде «Начала статики» он не только исходит из ряда аксиом Архимеда, но и развивает его работы, анализируя целый ряд механизмов. В число постулатов Стевин вводит принцип невозможности вечного двигателя; ему принадлежит также введение обозначений сил в виде стрелок. Много Стевин сделал и в области гидростатики, развив положения Архимеда, данные им в «Плавающих телах». Интерес Стевина к этим проблемам был далеко не абстрактным, так как он занимал должность инспектора плотин и консультанта голландского адмиралтейства.
Главным достижением классической механики была математическая разработка законов динамики Галилеем и Ньютоном. И хотя здесь достижения Архимеда непосредственно не использовались, его математический подход к проблемам торжествовал. Знаменательно, что Галилей хорошо знал труды Архимеда и часто к ним обращался. Например, при рассмотрении |равноускоренного движения он писал: «Я не предполагаю ничего иного, кроме определения движения; я хочу трактовать и рассматривать это явление в подражание Архимеду, который, заявив в «Спиральных линиях», что под движением по спирали он понимает движение, слагающееся из двух равномерных (одного – прямолинейного, а другого – кругового), непосредственно переходит к демонстрации выводов. Я заявляю о намерении исследовать признаки, присущие движению тела, начинающемуся с состоянии покоя и продолжающемуся с равномерно возрастающей скоростью, а именно так, что приращения этой скорости возрастают не скачками, а плавно, пропорционально времени».
