Архимед. Закон Архимеда - Эугенио Мануэль Фернандес Агиляр

Тригей Постой, дружок!

Жмет в мягком месте. Не куплю! Неси назад!

Торговец оружием А с этой боевой трубой что делать мне?

Ведь за нее я отдал шесть десятков драхм.

Тригей Сюда в воронку жидкого свинца нальем, прицепим

сверху небольшую палочку, и коттаб превосходнейший получится.

Торговец оружием Ты все смеешься?[1 Перевод А. Пиотровского.]

Исторические рассказы из первой главы нашей книги показывают, что использование рычага в повседневной жизни было для Архимеда обычным делом — как при постройке машин для обороны Сиракуз, так и при других работах. Уровень абстракции, до которого дошел Архимед при исследовании рычага, не имел до этого прецедентов: он устранил все привходящие характеристики, рассматривая исключительно идеальные весы, а все тела считая точечными объектами (он говорил о силе и о центре тяжести как о единственных физических свойствах тела). Таким образом, в своем трактате Архимед пользуется концепцией идеальных весов, хотя и не формулирует ее в чистом виде. Самые простые по конструкции весы представляют собой подвешенную за середину рейку с висящими с двух сторон чашками. Когда вес предметов, лежащих на чашках, равный, конструкция сбалансирована в равновесии. Само понятие «баланс» происходит от двух латинских слов — bis (два) и lanx (чаша). И, таким образом, весы представляют собой типичный равноплечий рычаг.

Р: сила. Эта приложенная сила может представлять собой определенный вес.

R:сопротивление. Сила, которая сопротивляется приложенной силе и тоже может выражаться в подвешенном весе.

Вр: плечо силы. Участок рычага между точкой приложения силы и точкой опоры.

BR: плечо сопротивления. Участок рычага между точкой сопротивления и точкой опоры.

Простой рычаг (см. рисунок) состоит из жесткой балки, которая может свободно вращаться вокруг точки подвеса или опоры. В этой балке различают две части — плечо силы (к которому прикладывается усилие) и плечо сопротивления (на него передается усилие). Используется столь простой механизм следующим образом: нагружается одно плечо рычага или к нему прикладывается усилие, после чего достигается равновесие, или же система выводится из равновесия. Закон рычага устанавливает соотношение между силами, воздействующими на каждое плечо рычага, и длинами плеч: соотношение сил равно соотношению расстояний от точек приложения этих сил до точки опоры. Данная пропорция и есть одно из главных достижений Архимеда, который разработал следующую математическую формулу:

Р • Вр = R • Br.

Три рычага

В средней школе любой страны обычно изучают три типа рычагов. Поскольку рычаг включает в себя три различных элемента (плечо силы, опора и плечо сопротивления), то в зависимости от их взаиморасположения мы можем разделить рычаги на три типа. Примеры всех трех типов можно найти в строении человеческого тела (рисунок 3). Архимед в своих трактатах сформулировал закон рычага, но не классифицировал различные типы рычагов — возможно, это казалось очевидным. Тем не менее не лишним будет вспомнить данную классификацию.

В рычаге первого типа (рисунок 4) точка опоры расположена между плечами силы и сопротивления. Это именно тот рычаг, который встречается в текстах Архимеда. Примерами рычага первого типа могут служить весы, качели, клещи. В рычаге второго типа (рисунок 5) точка сопротивления находится между точкой приложения силы и точкой опоры. В качестве примеров такого рычага можно привести тачку, щипцы для орехов или открывалку для бутылок.

В рычаге третьего типа (рисунок 6) точка приложения силы находится между точкой сопротивления и точкой опоры. Примеры: степлер, антистеплер и щипчики для завивки ресниц.

РИС. 3

РИС. 4

РИС. 5

РИС. 6

О равновесии плоских фигур

Трактат «О равновесии плоских фигур» выделяется из числа других математических сочинений той эпохи: в нем нет определений. Отсюда возникла гипотеза, что трактат представляет собой краткое резюме некоторого очень важного труда. В том виде, в каком он дошел до нас, он состоит из двух книг.

Первая книга начинается семью постулатами (некоторые авторы считают, что это аксиомы) и продолжается пятью утверждениями, в которых в скрытом виде используется принцип равновесия равноплечих весов, чтобы продемонстрировать различные положения о равновесии тел. Последние утверждения касаются центра тяжести треугольника, параллелограмма и трапеции.

Во второй книге в десяти утверждениях рассматривается равновесие сегмента параболы. Вторая книга тесно связана с трактатом о квадратуре параболы.

«Дайте мне точку опоры, и я переверну землю»

В VIII книге «Математического собрания» Папп рассказывает об Архимеде и о рычаге. По утверждению автора Архимед произнес следующую фразу: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю». С помощью несложных вычислений мы увидим, что это невозможно, и странно, если Архимед допустил такую ошибку. Предположим, что для нашего предприятия мы используем рычаг первого типа, а Земля будет располагаться в 1 м от точки опоры. Сразу отметим, что у Земли нет веса, ведь она находится в космическом пространстве и не опирается ни на какую планету или иное космическое тело. Но предположим, к примеру, что мы поместили Землю на суперрычаг, который опирается на суперпланету. В случае если земля представляет собой материальную точку, отстоящую от точки опоры на 1 м, на каком расстоянии должен находиться Архимед, чтобы приложить силу к другому плечу рычага? Так как масса Земли примерно равна 6 • 1024 кг и с учетом предположения, что Архимед прикладывает усилие, равное 60 кг, расстояние от точки опоры должно быть следующим:

P • Bp=R • Br

Bp = 1 м • (6 • 1024 кг)/60 кг = 1023 м.

Если вы не привыкли к математическим формулам, этот результат может вас и не впечатлить, но подстановка привычных единиц длины показывает, что речь идет о 10 млн световых лет (1016)! Возраст нашей Вселенной около 13700 млн лет (1,37х1010). Если мы будем считать Вселенную сферической, то от одного ее конца до другого получится 27 400 млн световых лет. Выходит, что всего 2740 таких рычагов покроют расстояние, равное диаметру Вселенной! Кроме того, как мы увидим, сам Архимед представлял Вселенную куда более маленькой, поэтому особенно странно, что он допустил такую ошибку в расчетах. Если он и правда произнес что-нибудь подобное, то, очевидно, только в метафорическом смысле, чтобы показать, насколько может увеличить силу рычаг.