Гюйгенс. Волновая теория света. В погоне за лучом - Давид Бланко Ласерна

Широта и долгота

У Земли есть естественные полюса — Северный и Южный — и экватор. Из-за ее движения для наблюдателей-землян небесные тела тоже кажутся движущимися и, таким образом, могут служить ориентирами. Измерив угол между горизонтом и Солнцем (днем) или Полярной звездой (ночью в Северном полушарии) либо Южным Крестом (ночью в Южном полушарии), можно определить широту. С долготой же надо действовать по-другому. Земля полностью оборачивается вокруг своей оси каждые 24 часа, то есть каждый час она поворачивается по часовой стрелке на 15° (24 · 15° = 360°). Мы можем начать наблюдение, когда Солнце стоит над Гринвичем (G). В этот момент там будет полдень, и для его жителей Солнце будет стоять в самой высокой точке горизонта. В каждый последующий час Гринвич будет отдаляться от этой точки на 15°. По мере вращения нашей планеты все ее точки пройдут через свой зенит (мы не будем учитывать эффект, вызванный наклоном оси). В точке А, расположенной на 15°, это произойдет через час после точки G; в точке В, на 30°, через два часа; в точке N, на 225°, через 15 часов. Таким образом, моряк, у которого есть часы, показывающие время Гринвича, сможет определить свое местонахождение. Когда Солнце достигнет самой высокой точки над линией горизонта (зенита), часы покажут разницу во времени с Гринвичем, а значит, и количество градусов, отделяющих его от этого меридиана, то есть долготу места.

В 1961 году студент Корнелльского университета Томас Сеттл в гостиной квартиры, в которой он снимал комнату, повторил опыты, описанные Галилеем в третьем дне его «Бесед». Он засек время, за которое бильярдный шар катился по наклонной плоскости, с помощью простых водяных часов, сделанных из сосуда и трубки. Собранные им данные не отклонялись и на десятую долю секунды от теоретических значений.

Но вернемся в XVII век. Развитие механики и астрономии требовало использования более точных часов. Эта проблема, имевшая важное значение для навигации, привлекла внимание и государственных деятелей, которые обычно не очень интересовались наукой. Чтобы мотивировать ученых, правители стали предлагать им щедрое вознаграждение. Корабли уже следовали по опасным торговым маршрутам, пересекали Атлантический океан, огибали Африку, чтобы попасть в Индию, но у моряков все еще не было надежной системы, с помощью которой они могли бы определить свое положение в открытом море. Суда часто терялись, их экипажи умирали от голода, цинги или гибли в кораблекрушениях. Практическим решением так называемой проблемы долготы должно было стать измерение времени посредством инструмента, который, как компас, сохранял бы свою точность, несмотря на все сложности, возникающие в пути.

Гюйгенс начал заниматься часами по той же причине, по которой до этого заинтересовался телескопами: он хотел сконструировать совершенное устройство. Для этого ученый рассмотрел задачу со всех сторон — с технической, физической и математической. Во время работы его любознательность неизбежно отвлекала его, так что Гюйгенс детально рассмотрел несколько сопутствующих вопросов. В этом проекте он применил результаты некоторых своих исследований, в частности исследование кругового движения.

В часах, которые отсчитывали часы и минуты фараонов и римских императоров, использовались природные явления, совершающиеся в регулярном ритме, такие как движение Солнца и догорание свечи, или же такие, чье постоянство помогало измерить одинаковые отрезки времени: например, пересыпание порции песка из одного сосуда в другой под действием силы тяжести. Маятниковые часы завершили переход к использованию периодических явлений, сущность которых состоит в повторении одного и того же процесса.

Найти периодическое явление — значит обнаружить в природе линейку, которая сама по себе отмечает равные временные отрезки. Хорошим примером является частота света или звука. Картину периодических явлений увенчала атомная шкала, но до XX века она была недоступна. Сегодня большая часть часов в мире следует ритму вибраций кристалла кварца, находящегося под небольшим напряжением.

Ученым XVII века приходилось в поте лица искать периодические движения. По легенде, молодой Галилей, пришедший на мессу в Пизанский собор, заметил, как раскачивается горящая лампада, подвешенная к потолку. Используя свой пульс как хронометр (еще одно более или менее периодическое природное явление), он пришел к выводу, что колебания совершались за равные промежутки времени, хотя трение воздуха и уменьшало их радиус. Галилею потребовалось несколько десятков лет, чтобы связать это открытие с часами. Как рассказывал его ученик Винченцо Вивиани, озарение пришло к ученому только на последнем году жизни:

«Помню, в один день 1641 года, когда я еще жил с ним на вилле Арчетри, ему пришла в голову идея сделать маятник с весами или пружинами [...]. Он надеялся, что естественное и довольно регулярное движение маятника восполнит любой недостаток при создании часов. Поскольку из-за слепоты он не мог рисовать и создавать нужные модели, когда его сын Винченцо приехал к нему однажды из Флоренции в Арчетри, Галилей рассказал ему о своей идее, и они долго разговаривали об этом».

Мы точно не знаем, о чем они дискутировали. Скорее всего, Винченцо Галилей постарался воплотить проект своего отца, но, видимо, механизм не работал как надо, поскольку он не обнародовал это изобретение. Гюйгенс решил положить конец спорам о первенстве открытия во введении в свое сочинение «Маятниковые часы»: «...несколько лиц желают быть изобретателями или же претендуют на эту честь... Я считаю необходимым выступить, наконец, здесь против этих несправедливых притязаний».

В чем смысл изобретения, о котором велись эти споры? Начнем с самой простой модели часов. Они состоят из барабана, на который мы наматываем веревку, привязанную к весу. Можно вставить и стрелку на ось или на диск, связанный с цилиндром посредством шестеренок. Когда мы освобождаем вес, под действием силы притяжения он упадет вниз и заставит стрелку сдвинуться. Действие этих часов будет очень коротким, так как вращение остановится, едва только вес достигнет земли или веревка полностью размотается.

РИС.1

Таким образом, первое улучшение, которое можно привнести, состоит в замедлении падения. Для этого можно воспользоваться самым простым способом торможения — трением. Но его трудно отрегулировать так, чтобы барабан поворачивался, например, ровно за одну минуту. С другой стороны, само трение способствует большому износу механизма, который не смог бы работать равномерно, поскольку очень чувствителен к таким атмосферным условиям, как температура и влажность.

В конце XIII века в часах стала использоваться новая техника, позволявшая замедлить падение веса и придать вращению барабана регулярность, — спусковой механизм. Некоторые приписывают это изобретение Виллару де Оннекуру, персонажу, окутанному легендой. Единственный источник информации о его жизни сводится к нескольким комментариям, оставленным на 30 страницах пергамента, испещренных изображениями механизмов и машин перпетуум-мобиле. Первоначально спусковой механизм состоял из зубчатого колеса, зубчатого венца и оси с двумя лопатками, на которую монтировался горизонтальный станок или балансир с двумя противовесами (см. рисунок 1). Лопатки установлены под углом примерно в 90°, то есть контактируют с венцом по одной. Венец и ось с противовесами вращаются в перпендикулярных направлениях и сталкиваются друг с другом. Вертикальная ось меняет направление вращения под воздействием последовательных ударов, которые зубцы передают лопаткам, в то время как гиря всегда двигается вниз, увлекая за собой цилиндр. Каждый удар зубца по лопатке в свою очередь моментально тормозит вращение венца и, следовательно, цилиндра.