Хрестоматийные законы физики: что они означают и кто их придумал

Каждый студент-физик знает закон теплопроводности Фурье или закон Гука о силе упругости. Но мало кому известно, что Фурье в старости жил в деревянной коробке, что Исаак Ньютон так сильно ненавидел Роберта Гука, что даже пытался сжечь его бумаги, а Архимед иногда слал своим коллегам фальшивые теоремы, чтобы поймать их на воровстве идей. В книге «От Архимеда до Хокинга: научные законы и их великие создатели» Клифф Пикоувер рассказывает о жизни ученых, в честь которых были названы главные физические законы. В его сборник вошли 40 теорем и сотни необычных фактов и забавных деталей из жизни величайших исследователей. T&P публикуют самые интересные из них.

Закон Архимеда

На тело, полностью или частично погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости. Эта сила зависит от плотности жидкости и объема погруженного тела.

Закон кажется простым, но на самом деле не очевидно, что объекты одного объема испытывают одинаковую выталкивающую силу при погружении в воду. К примеру, на кубы из пробки и свинца будет действовать одинаковая выталкивающая сила, но при этом они будут вести себя по-разному. Это обусловлено соотношением выталкивающей силы и веса предмета. Закон Архимеда применяется во многих случаях, к примеру, он помогает нам понять принцип плавучести и считается основополагающим принципом гидростатики.

Интересные факты об Архимеде

Плутарх писал, что Архимед был настолько увлечен математикой, что слугам приходилось заставлять его принимать ванну, и пока они его мыли, он продолжал рисовать геометрические фигуры на собственном теле.

Архимед изобрел «луч смерти» — конструкцию из зеркал, которые перенаправили солнечные лучи на римские корабли и вызвали на них пожар. Эта история считалась выдумкой до тех пор, пока Дэвид Уоллес из Массачусетского технологического института не провел эксперимент. Его студенты сделали деревянную копию римского корабля и с помощью 127 зеркал перевели на него солнечные лучи с расстояния в 30 метров. Через 10 минут корабль загорелся.

Когда римляне захватили Сиракузы, один солдат наткнулся на Архимеда, изучающего нарисованную на песке математическую диаграмму. Ученый, раздосадованный тем, что его отвлекли, сказал солдату: «Не трогай мои чертежи!». После этих слов он был убит.

Закон Гука

Сила упругости, возникающая в теле при его деформации, прямо пропорциональна величине этой деформации. Самый простой пример — пружинные весы. Стрелка весов показывает, насколько сжалась пружина, а так как сжатие пропорционально весу, получается, что стрелка показывает вес.

Интересные факты о Гуке

Роберт Гук в детстве часто болел. Врачи говорили, что он не доживет до двадцати лет, поэтому родители не беспокоились о его образовании. Предоставленный сам себе, Гук мастерил часы и механические модели.

Гук первым употребил слово «клетка» в значении элементарной единицы строения живого организма (он полагал, что увеличенное сквозь микроскоп растение напоминает кельи монахов).

В 1672 году Гук раскритиковал Исаака Ньютона за то, что тот использовал призму для расщепления белого цвета на различные компоненты. Разозлившись, Ньютон удалил его портрет из Королевского научного общества и даже пытался сжечь его рукописи. Гук также указал Ньютону, что гравитация имеет обратно пропорциональную зависимость квадрату расстояния. Но Ньютон пренебрежительно отреагировал на это замечание в «Математических началах натуральной философии», сказав: «Чье-то мнение нельзя принимать за доказательство».

Гук интересовался наукой дыхания. Ради эксперимента он поместил себя в герметичный аппарат, из которого постепенно выкачивался воздух. Результат оказался губительным для здоровья Гука — он повредил уши и частично потерял слух.

Закон Бернулли

Представьте жидкость, которая равномерно течет по трубке с верхушки холмов до самого низа. Даниил Бернулли открыл закон, который установил связь между давлением, скоростью потока и высотой течения в трубке.

Закон является математическим выражением двух эффектов: 1) на глубине давление жидкости больше, так как давит жидкость, которая сверху; 2) жидкость под давлением, вытекая в область более низкого давления, ускоряется (например вода из шприца). То же верно и для газов. Если жидкость или газ протекают стационарно (без завихрений), то закон можно использовать для отдельных струй жидкости и получаются менее очевидные следствия: крыло самолета, близко идущие корабли. Его действие можно наблюдать в повседневной жизни — как только включаешь воду в душе, шторка врывается внутрь кабинки, потому что увеличение скорости воздуха и воды вызывает скачок в давлении. Разница давлений внутри и снаружи кабины приводит к тому, что шторку затягивает внутрь.

Интересные факты о Бернулли

Даниил, как и его отец, изучал математику втайне от родителей. Иоганн Бернулли хотел, чтобы его сын стал торговцем. Когда-то и его собственный отец пытался принудить ученого к этому ремеслу. В итоге Даниил пообещал отцу стать доктором, а тот взамен на эту клятву начал учить его математике.

Отец всегда ревновал к успехам сына. В 1735 г. они оба участвовали в научном соревновании Парижской академии наук, и Даниил занял первое место. Иоганн не смог смириться с позором и выгнал сына из дома.

Даниил опубликовал «Гидродинамику» в 1734 г. Иоганна задел успех сына, и он опубликовал плагиат под названием «Гидравлика». Отец даже датировал книгу 1732 годом, чтобы казалось, будто это Даниил скопировал его работу.

Бернулли был плодотворным автором, он писал обо всем, что волновало его воображение. Например, сохранилась записка с его вычислениями соотношения скорости движения лодки и количества гребцов на ней.

Закон Дальтона

Давление смеси химически не взаимодействующих идеальных газов равно сумме парциальных давлений.

Суть в том, что при умеренных давлениях газы очень разрежены, поэтому молекулы друг с другом почти не взаимодействуют и объем, занимаемый самими молекулами очень мал по сравнению с объемом, занимаемым газом. Поэтому в смеси газов какой-то один газ ведет себя так же, как если бы остальных газов не было, а общее давление равно просто сумме давлений, которое каждый газ создавал бы сам по себе. Закон применяется при расчетах, связанных с двигателями внутреннего сгорания и тепловыми машинами.

Интересные факты о Дальтоне

Однажды Дальтон подарил матери на день рождения пару чулок. Она была удивлена тем, что он купил ей вульгарные алые чулки. Выяснилось, что и он, и его брат считали их синими. Так обнаружилось, что они оба — дальтоники.

С 21 года и до самой смерти Дальтон вел подробный дневник, в котором скрупулезно описывал погоду. Он был настолько увлечен записями, что даже фиксировал каждый удар и промах, когда играл в боулинг на лужайке.

Он никогда не был женат, объясняя это так: «Моя голова слишком забита треугольниками, химическими процессами, электрическими экспериментами, чтобы еще думать о браке».

После смерти, согласно завещанию, у него вырезали один глаз для изучения причины дальтонизма. Но тогда это не принесло никаких особенных результатов. Лишь в 1990 году анализ показал, что глазам дальтоников не хватает пигмента, восприимчивого к зеленому цвету.

Закон Фурье

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры.

Математическое выражение простого закона: чем больше разность температур, тем быстрее передается тепло. Например, чем горячее предмет, тем быстрее он нагреет холодный предмет. Закон применяется во многих областях и объясняет, например, почему алмазы всегда холодные (у них высокая термальная проводимость). Он позволяет определить теплопроводность материалов, что необходимо в промышленности — например, для производства двигателей и термосов.

Интересные факты о Фурье

В 16 лет Фурье нашел новое доказательство Теоремы Декарта. Именно его версия стала стандартом доказательства правила знаков.

В 21 год он сильно сомневался, что сможет внести значительный вклад в математику. Он написал своему профессору: «Вчера был мой 21-й день рождения. В этом возрасте Ньютон и Паскаль уже не раз были обвинены в аморальности».

Во время французской революции Фурье защищал Антуана Лавуазье, основателя современной химии. Его призывы сохранить жизнь Лавуазье не были услышаны, судья вынес вердикт: «Республике не нужны гении». Химик был отправлен на гильотину. Фурье тоже попал в тюрьму, но избежал смерти благодаря перемене политического климата.

Фурье сопровождал Наполеона во время Египетского похода. После возвращения он все время мерз и носил пальто даже в жару. Забавно, что хоть он и был экспертом в области теплопроводности, сохранить тепло в собственном теле он был не в состоянии.

В последние месяцы жизни тело Фурье было настолько хрупким, что ему пришлось жить в деревянной коробке с отверстиями для рук и головы. Этот «живой гроб» позволял ему держать тело вертикально, работать и отвечать на письма.

Автор: Дина Батий

www