História História dynamiky     2/2

Predchádzajúca strana 

Úvod

Ďalšia časť

 

2.Vznik experimentálnych metód 

Rodiaci sa kapitalizmus potreboval novú techniku, ktorú už nebol schopný vyvinúť remeselník, ako to bolo predtým. O technické otázky sa preto začínajú zaujímať najväčší učenci. V aristotelovskej fyzike nenachádzajú vhodný teoretický základ, a tak musia sami začať vytvárať novú, pravdivejšiu mechaniku, ktorá by zniesla experimentálne overenie, a ktorá by tiež dokázala slúžiť praxi. Práve na poli experimentálnej mechaniky došlo k rozhodujúcemu stretnutie starej a novej fyziky, takže zakladatelia experimentálnej dynamiky sú zároveň najvýznamnejšími mužmi novej vedy. Hlavným hrdinom celej tejto epochy je Galileo Galilei, v rodnom Taliansku patrí k jeho predchodcom Leonardo da Vinci, Benedetti, Cardano a k nasledovníkom Torricelli, Viviani a Borelli. V Anglicku sa preslávil v rovnakom smere Boyle a Hooke, vo Francúzsku Mersenne, v Nemecku Guericke a v Čechách Marci.

Najväčší renesančný velikán Leonardo da Vinci (1452-1519) bol geniálny taliansky umelec, vedec a konštruktér, ktorý predznamenal vývoj mechaniky a predbehol svojich súčasníkov natoľko, že neboli schopní úplné využiť jeho výsledky. Jeho dielo je nové ako po stránke metodickej (učí, že poznatky o prírode sa nedajú dosiahnuť špekuláciou, ale jedine pokusom), tak obsahovo, prebudil mechaniku zo storočného spánku tým, že skúmal pokusne pohyb po naklonenej rovine a voľný pád, hydrodynamické otázky i kapilaritu, trenie, vlny na vodnej hladine a tiaž vzduchu, určoval ťažisko najrôznejších telies, ale tiež staval prieplavy a kanály a navrhoval najrôznejšie stroje, vrátane princípu helikoptéry. Svoje poznatky šíril v akadémii, ktorú sám založil. Možno povedať, že je predobrazom Galileiho, od ktorého sa však líšil tým, že výsledky nepublikoval, nemal čas ani ich usporiadať, takže zostali v ťažko čitateľných poznámkach. Aj napriek tomu, že bol matematicky vzdelaný, narážal na skutočnosť, že dosiaľ neexistoval pojem premennej veličiny a funkcie, nemal teda adekvátny matematický aparát, čím by bolo možné dynamické zákonitosti vyjadriť.

Gierolamo Cardano zaoberal sa matematikou, fyzikou a ostatnými prírodnými vedami a vo všetkých odboroch zanechal znamenité práce (O presnosti (De subtilitata)) z r.1552 a Nové dielo (Opus novum) z r. 1570.Vzdelaný matematik a kultivovaný lekár pre fyziku zachránil niektoré Leonardove výsledky, tykajúce sa pohybu po vodorovnej rovine a formuláciu zákona zotrvačnosti pre tento prípad, pre pojem rýchlosti dokonca zaviedol známy pomer prírastku dráhy a doby a naviac jeho limitu. 

Jeho rival Nicolo Tartaglio dospel k novým riešeniam ako v matematike, tak aj vo fyzike. Z jeho diela Nová veda (Nuova scienza) z r.1573 je dôležité najmä riešenie problému šikmého vrhu. Zistil, že trajektória vrhnutých striel je zakrivená od začiatku do konca, a nie ako učili aristotelici, že sa tieto telesá pohybujú najprv po priamke a od istého bodu po kružnici, špekulatívnou cestou došiel tiež k záveru, že najväčší dostrel nastáva pri uhle 45 0

Najväčší pokrok dynamiky sa viaže s Galileiovym menom. Je však potrebne povedať, že okrem jeho geniality zohralo významnú úlohu tiež niekoľko priaznivých okolností - matematik F. Viete zaviedol predtým do algebry i geometrie písmená ako symboly matematických veličín, čím definitívne zmizli problémy, ktoré zo sebou nieslo slovné vyjadrenie problému. Simon Stevin prišiel s koncepciou myšlienkových pokusov, a ako jediný robil tiež sústavné skutočne pokusy, aj keď prevažne v oblasti statiky. Ku znázorneniu síl začal Stevin používať orientované úsečky (vektory) a presadil do praxe používanie desatinných zlomkov. Benatčan Giovanni Battista Benedetti zasa objavil existenciu odstredivej sily a v r.1585 formuloval princíp zotrvačnosti v pokoji a v pohybe. 

Galilei
zistil, že ťažké i ľahké telesá padajú s rovnakým zrýchlením, zaviedol pojem momentu sily. Zaoberal sa dynamickými problémami, najmä štúdiom pohybu po naklonenej rovine a voľným pádom. Pretože neexistovali presných hodín, použil ako metódu merania času váženie hmotnosti vody vytečenej otvorom behom doby pádu telies, a tak zistil, že dráha telies pri páde je úmerná štvorcu času, a to nezávislé na tiaži telesa. Osudným sa mu stalo to, že toto nóvum protirečiace sa tézam aristotelovskej mechaniky uverejnil, a to nie latinsky, ale živou taliančinou, a že výsledky dokonca demonštroval pred celou univerzitou i pred verejnosťou. Každý vraj mohol pri pokusoch vidieť, že všetky telesá padajú s rovnakým zrýchlením, čiže profesori učia na univerzitách po storočia nezmysly, keď hovoria, že teleso padá tým rýchlejšie, čím je ťažšie. V Holandsku bol zhotovený ďalekohľad, to mu stačilo na to, aby sám zostrojil pristroj oveľa dokonalejší. 
Za hlavný životný cieľ si Galilei vytýčil dosiahnutie všeobecného  uznania  Kopernikovej sústavy a založiť novú mechaniku. Svojou novou dynamikou vyvrátil mylné mechanické argumenty stúpencov geocentrizmu. Všetky argumenty odporcov pramenili z neznalosti zákona zotrvačnosti, ktorý konečne Galilei v tejto súvislosti ľudstvu skoro až "vnútil". Prišiel na možnosť, ako vhodne využívať kyvadlo k regulácií chodu hodiniek, ideu odkázal synovi, ten ju ako zámožný právnik však ignoroval, až ju vzkriesil a priviedol ku úspešnému záveru vynálezca kyvadlových hodín Ch. Huygens. Galileiho odkaz spočíva v tom, že jeho zásluhou sa stal pokus neoddeliteľnou súčasťou fyziky. Jeho metóda inšpirovala činnosť rady akadémii a až do konca storočia ich zásluhou prevládla vo fyzike experimentálna metóda.
Z oblasti mechaniky patri Galileovi zásluha za podrobný a správny popis voľného pádu, pohybu po naklonenej rovine a o formulácií troch základných zákonov: (1) princíp relativity v klasickej mechanike,  (2) zákona zotrvačnosti ktorý znovu (po márnych pokusoch niekoľkých bádateľov) sformuloval a hlavne fyzikom na rade príkladov vštepil a (3) princíp skladania a nezávislosti pohybov. Na základe tohto princípu dokázal, že trajektóriou hodeného telesa vo vákuu je parabola. 

 

3. Objavenie matematických metód 
Na konci prvej polovici 17. storočia sa teda nakopilo už veľké množstvo rôznych dielčích experimantálných poznatkov, čo vyžadovalo syntézu, tá však nebola možná bez "matematickej prípravy" spočívajúca v tom, že sa učenci naučili používať matematiku celkom bežne pri riešení mechanických problémov, že došli k presvedčeniu, že táto metóda vedie k novým výsledkom, a že objavili metódy matematickej analýzy, ktorá ako jediná je adekvátnou popisom deja.

Hlavným reprezentantom na začiatku tohto obdobia je holandský fyzik Christian Huygens, ktorému pôdu pripravili Kepler, Descartes a Galilei. Aj keď mal Huygens veľký majetok a vyštudoval práva, predsa sa vzdal sľubnej kariéry a už ako študent Leidenskej univerzity sa zaoberal vrcholnými technickými problémami vtedajšej doby, zostrojil ako prvý stále fungujúce presne kyvadlové hodiny (neskôr napr. i model výbušného motora poháňaného výbuchmi strelného prachu). Jeho zásluhou ľudstvo dosiahlo možnosti merať stále a presne čas. Zostrojil tiež ďalekohľad, ako najdokonalejší prístroj svojej doby.
Huygens nebol len technik, ale predovšetkým veľký matematik a fyzik, ktorý urobil svoje vynálezy mimochodom ako aplikáciu svojich vedeckých koncepcií. V spise Kyvadlové hodiny (Horolgium oscillatorium) z r. 1673 podáva nielen teóriu matematického a fyzikálneho kyvadla, ale že  s rozkmitom doba kyvu rastie. Skúmal odstredivú silu a odvodil pre ňu základný vzťah. V zmienenom spise zaviedol tiež pojmy stred kyvu a redukovaná dĺžka kyvadla, dielo však vyšlo až po zostrojení hodín (1656). Zdokonalil taktiež vreckové hodiny pridaním hnacieho pera. Je zaujímavé, že Huygens pri  riešení rázu použil ako prvý zákon zachovania mechanickej energie a zároveň Descartov zákon zachovania hybnosti. Ako jeden z prvých sa Huygens zaoberal tiež náukou o vlnení a optikou, najmä po stránke matematickej. Správne a priekopnícke boli tiež jeho názory astronomické.

Zakladateľské obdobie dynamiky vrcholí a končí syntézou  prevedenou Newtonom, ktorý vynikal veľkou manuálnou zručnosťou a záľubou v experimentovaní. Ako bakalár rozšíril binomickú vetu na prípad lomených exponentov. V oblasti matematiky položil Newton nezávisle na Leibnizovi základy infintenzimálneho počtu a pomenoval ho metódou fluxií. Tým bol nielen dovŕšený vývoj matematiky premenných veličín, začínajúci u Keplera, Descarta, Galileiho a Huygensa, ale bol tiež položený základ matematického aparátu primeraného k popisu dynamických dejov, najmä mechanického pohybu.  Newton diferenciálny a integrálny počet ako prvý objavil a Leibniz ho ako prvý publikoval, pričom sa vžila symbolika Leibnizova.

Zákony mechaniky sú v Newtonovom poňatí diferenciálne rovnice medzi fyzikálnymi premennými. Nové metódy dokázal tiež majstrovský uplatňovať ako pri formulácií nových zákonov, tak pri odvodzovaní ich dôsledkov. Takto metodicky vyzbrojený pristúpil Newton k tvorbe svojho základného diela Matematické základy prírodnej filozofie (Philosophiae naturalis principia mathematica) z r. 1687. Najprv dovŕšil výskumy svojich predchodcov najmä zovšeobecnil pojem sily, zaviedol pojem hmotnosti a do čela mechaniky postavil tri základné pohybové zákony - zákon zotrvačnosti, zákon sily a zákon akcie a reakcie. Druhý pohybový zákon, z matematického hľadiska diferenciálna rovnica druhého radu, umožnil plne a systematický riešiť veľký počet problémov, hlavné z oblasti nebeskej mechaniky, ktorá sa ďalej opiera o nim objavený zákon všeobecnej gravitácie. Newtonovými Principiema bol v podstate dovŕšený proces budovania základov mechaniky hmotných bodov a tuhého telesa a podaný vzor fyzikálnej teórie i pre iné oblasti fyziky. Ide o zakladateľské dielo celej teórie fyziky (nielen mechaniky), jedinečným spôsobom demonštruje základnú úlohu teoretickej fyziky, previesť poznatky empirické na poznanie logické a racionálne.