Відкриті Ньютоном закони руху і закон всесвітнього тяжіння залишалися основою фізики до XX ст. Вони перестають діяти тільки в світі субатомних частинок і при русі зі швидкостями, близькими до швидкості світла. Закони Ньютона є основою основ і вивчаються у всіх школах світу.
В античному світі уявлення про рух були систематизовані Аристотелем (384–322 до н.е.). Він поділяв його на природний і примусовий. Природний (рух небесних тіл або вільне падіння предметів), відбувається саме по собі. При цьому для небесних тіл природним є рух по колах, а для земних тіл –переміщення вниз або вгору по прямій лінії. Примусовий рух викликається зовнішніми причинами, наприклад, дією людини. За Аристотелем, будь-який примусовий рух (політ кинутого каменя) – це комбінація переміщення по колу з вільним падінням. Те, що кинуте тіло рухається параболою, було встановлено значно пізніше.
Спадщина Аристотеля
Аристотель вважав також, що швидкість будь-якого руху незалежно від того, в якому середовищі (у повітрі чи воді) воно відбувається, визначається відношенням прикладеної сили до опору середовища. При такому підході відразу виникало ряд проблем. При відсутності опору середовища тіло навіть під дією невеликої сили має рухатися з нескінченно великою швидкістю, тому Аристотель вважав, що «природа не терпить порожнечі».
Ще важче було пояснити, чому кинутий предмет продовжує рух, відірвавшись від руки, адже на нього більше не діє ніякої сили. Аристотель пояснював це тим, що повітря або інше середовище продовжує якимось чином штовхати кинутий предмет, одночасно здійснюючи опір його руху. Звідси він зробив висновок, що важкі тіла повинні падати швидше від легких.
Поняття, введені Аристотелем, панували в науці до XVI ст.
Експерименти Галілея
Галілео Галілей (1564–1642) був першим, хто зайнявся систематичним експериментальним дослідженням руху. Він показав, що якщо прискорення вільного падіння постійне, то відстань, пройдена падаючим зі стану спокою тілом, пропорційна квадрату часу руху, і підтвердив це експериментально. Він також продемонстрував: всі тіла незалежно від їх розміру і маси падають з однаковим прискоренням, оскільки за однаковий час проходять рівну відстань.
Галілей показав також, що, на відміну від вільного падіння у вертикальному напрямку, горизонтальний рух не зазнає впливу Землі, тому його швидкість в принципі повинна залишатися незмінною («в принципі», оскільки будь-який реальне рух сповільнюється опором середовища). Звідси він прийшов до понять інерції (властивість матеріальних тіл зберігати стан руху) і сили (вплив, що викликає зміна руху). Ці терміни стали тим фундаментом, на якому Ньютон створив свої закони руху.
Молоді роки
Ісаак Ньютон народився 25 грудня 1642 року в селі Вулсторп, розташованому в декількох кілометрах від м. Грантема, поблизу східного узбережжя Англії. Батько помер за два місяці до його народження, і в 1645 році матір знову вийшла заміж і переїхала до нового чоловіка, залишивши маленького хлопчика на опікування бабусі.
У 12 років Ньютона віддали в міську школу в Грантемі, де він з часом став кращим учнем школи. У 1656 році матір Ньютона овдовіла вдруге і повернулася в свій колишній будинок, забравши 14-річного сина зі школи, щоб він допомагав їй по господарству. У 1660 році його дядько наполіг, щоб юнак повернувся в школу і підготувався до вступу до Кембриджського університету. 1661 році Ісаак вступив у Трініті-коледж університету як субсайзер (студент, який для заробітку виконує в коледжі обов’язки слуги) і закінчив його в 1665 році. У 1667 році він отримав вчений ступінь бакалавра. Між цими двома датами в Англії вибухнула страшна епідемія чуми. Університет був тимчасово закритий, і Ньютон провів 18 місяців на фермі матері. Саме тут у нього в основному оформилися ті ідеї, які привели до відомих відкриттів в математиці і фізиці. Пізніше він сам говорив: «Я був у кращому для досліджень віці і був поглинений математикою і філософією, як ніколи більше в моєму житті».
Оптика і тяжіння
Плодом його вимушеної розлуки з університетом стало найбільше досягнення математики – розробка основ диференціального й інтегрального числення. Крім теоретичних розробок, Ньютон провів тут перші досліди із розкладання білого кольору на складові (він назвав його спектром). Він виявив також, що кольорові промені спектру, отримані при проходженні білого світла через скляну призму, можна знову перетворити в біле світло, пропустивши їх через другу призму. Та найбільш революційним з усіх його відкриттів було те, що Місяць утримується на своїй орбіті силою, що діє на неї з боку Землі. Цю силу він назвав гравітацією (від латинського gravitas – важкість). Пізніше Ньютон розповів, що його змусило задуматися про це яблуко, яке впало з дерева.
Ньютон припустив, що прискорення падіння пропорційне силі тяжіння, а вона, у свою чергу, обернено пропорційна квадрату відстані від центру Землі. Виходячи з цього, він розрахував рух Місяця, але, оскільки в той час радіус Землі був визначений неточно, результати обчислень не задовольнили його і він не публікував свою теорію тяжіння протягом 20 років.
Телескоп-рефлектор
Незабаром після повернення в Кембридж, в 1667 році, Ньютон був призначений (у віці 26 років) на посаду професора математики. У цей час, маючи великий досвід роботи з лінзами і скляними призмами, він прийшов до висновку про неможливість виготовлення лінзи без хроматичної аберації (утворення навколо зображення кольорового ореолу). Замість того щоб намагатися позбутися аберації, він розробив телескоп-рефлектор, в якому збільшення забезпечувало увігнуте дзеркало, а створюване цим дзеркалом зображення можна було розглядати через розташований збоку окуляр. Перший телескоп, виготовлений Ньютоном для Лондонського королівського товариства, мав довжину 23 см і діаметр дзеркала 5 см.
У 1672 році Ньютон подав у Королівське товариство свою роботу «Нова теорія світла і кольорів». Він стверджував, що світло складається з найдрібніших частинок, що рухаються з великою швидкістю, і встановив закони відбиття і заломлення світла, виходячи з принципів механіки. Його теорія пояснювала виникнення кольорових кілець при віддзеркаленні світла від тонких плівок, таких як стінки мильних бульбашок, або при проходженні світла через велику опуклу лінзу, розташовану на плоскій поверхні (кільця Ньютона).
Протягом багатьох років учений продовжував і математичні дослідження, але не публікуючи результатів. Однак у січні 1684 році на засіданні Королівського товариства під час бесіди астронома Едмунда Галлея (1656–1742) з натуралістом Робертом Гуком (1635–1703) і архітектором Крістофером Реном (1632–1723) Гук заявив, що «вже продемонстрував дію всіх законів руху небесних тіл». А коли Галлей висловив своє здивування, Рен запропонував премію тому, хто зможе протягом двох місяців подати переконливу теорію руху планет.
Закони Ньютона
У грудні 1684 року Рен оголосив Товариству, що Ньютон написав трактат «Про рух тіл». У цей час Ньютон вже почав писати свої «Математичні начала натуральної філософії», опубліковані ним в 1687 році. У цій праці він сформулював закони руху, відомі сьогодні кожному школяру як закони Ньютона:
- Будь-яке тіло буде рухатися по прямій лінії з постійною швидкістю доти, поки його не виведе з цього стану дія якоїсь сили (по суті, це точне формулювання принципу інерції Галілея).
- Сила, що викликає зміну руху, дорівнює добутку маси тіла на його прискорення.
- Сили виникають при взаємодії тіл, наприклад гравітаційній. При цьому сила, з якою одне тіло діє на інше, дорівнює за величиною силі, з якою друге тіло діє на перше, і спрямована в протилежний бік.
Перший закон Ньютона містить два важливих поняття. Перше з них «інерція» – властивість тіл зберігати стан руху. Друге – «сила» як причина зміни руху тіла. Залежно від напрямку дії сили вона може прискорювати, уповільнювати або ж змінювати напрямок руху. Силу, що діє під кутом до напрямку руху, можна «розкласти» на дві складові. Одна, діє уздовж лінії руху, змінює величину швидкості, а інша, перпендикулярна першій, змінює напрямок руху.
Другий закон Ньютона говорить про те, що чим більша сила діє на тіло, тим більше його прискорення. При цьому Ньютон відрізняє масу тіла від його ваги. Вага – це результат дії на тіло сили тяжіння, її можна визначити як добуток маси тіла на прискорення вільного падіння.
Третій закон Ньютона висловлюють іноді в такій формі: «Дії завжди є однакова і протилежно спрямована протидія». Цей закон пояснює, чому ракета здатна рухатися в космосі, де вона не може, як літак на Землі, «спиратися» на повітря. Гази, що виділяються в двигуні ракети, з прискоренням викидаються через сопло. При цьому з боку газів на ракету також діє сила, що приводить її до руху.
Сформулювавши третій закон для конкретного випадку сили тяжіння, Ньютон відкрив ще один закон, в основі якого лежала ідея, висловлена ним 20 років тому: будь-які два тіла, що знаходяться в будь-яких точках Всесвіту, притягують один одного з силою, пропорційною добутку їх мас і обернено пропорційною квадрату відстані між ними.
Тяжіння і планети
Ґрунтуючись на цих законах, Ньютон зміг теоретичним шляхом встановити закони руху планет, сформульовані близько 1600 року Йоганном Кеплером (1571–1630) на підставі астрономічних спостережень. Використовуючи в розрахунках більш точне значення земного радіуса, вчений зміг перевірити свою теорію, точно розрахувавши рух Місяця.
У 1699 році Ньютон став директором Монетного двору і займав цю посаду до кінця життя. У 1705 році він був удостоєний дворянського титулу.
Ньютон помер 20 березня 1727 року і був похований у Вестмінстерському абатстві.
Читайте також:
