Механика от античности до наших дней - Ашот Григорьян

Мгновенной, или «точечной», скоростью в случае дифформного (неравномерного) движения мертонцы называли скорость, определяемую в любое мгновение по линии, которую прочертила бы наиболее быстро движущаяся точка, если на протяжении времени она стала бы двигаться униформно (равномерно), с тем же градусом скорости, с которым она движется в это мгновение, — какое бы мгновение ни взять.

Ускорение и замедление движения Хейтесбери называл соответственно «интенсивностью» и «ремиссией» «местного движения». Различение ускорения и замедления было связано с тем, что в XIV в. в Европе не располагали понятием отрицательных величин. Общее определение ускорения отсутствовало, но его умели должным образом охарактеризовать в конкретных случаях.

Так, специально рассматривалось униформно-дифформное движение, под которым понималось движение с постоянным ускорением. Согласно Хейтесбери, при униформно ускоренном или замедлендом движении скорость нарастает или уменьшается за равные промежутки времени на равную величину.

Одним из наиболее важных результатов механики была теорема об эквивалентности равномерно ускоренного движения (и вообще изменения) равномерному движению (изменению) со средней скоростью.

Формулировка этой «мертонской теоремы» такова: «Всякое униформно-дифформное изменение, начинающееся с не градуса (нуля), эквивалентно униформному изменению со средним градусом», т. е. в ускоренном движении, начинающемся из состояния покоя, пройденное расстояние s равно vt/2, где v — скорость в рассматриваемый момент времени.

Различные доказательства этой теоремы содержатся в упомянутых трактатах Хейтесбери, Суисета, Дамблтона и относятся к 1330—1340 гг.

Доказательство Хейтесбери начинается следующим утверждением: «Каждое приращение скорости, униформно приобретаемое или теряемое, отвечает средней скорости. Это предполагает, что движущееся тело униформно приобретает или теряет такие приращения, что за данное время проходит расстояния, в точности равные тем, которые оно прошло бы, двигаясь в то же время со средней скоростью». Это утверждение доказывается с помощью рассмотрения симметричных приращений и «потерь» скорости над ее «средним градусом». В своем доказательстве Хейтесбери исходит из свойства непрерывной пропорции a : b = b : c = (a – b) : (b –c) и применяет его к делению на «пропорциональные части» в отношении 2:1; так как первая «пропорциональная часть» равна сумме всех последующих, то разность между первым и вторым членами равна сумме всех последующих разностей. Поэтому, если взять в униформно-дифформной широте «градусы», убывающие в пропорции 2:1, то разность между высшим и средним (вдвое меньшим) «градусами» будет равна сумме разностей («широт») менаду средним «градусом» и «не градусом», т. е. 1/2 = 1/4 + 1/8 + 1/16 + … Далее Хейтесбери замечает, что аналогично можно доказать эквивалентность униформно возрастающей «широты» движения среднему «градусу». Таким образом он приходит к следствию, что тело, двигаясь равномерно замедленно со скоростью, убывающей до нуля, проходит в первую половину времени втрое большее расстояние, чем во вторую, т. е. что при униформном убывании «градусов движения» (т. е. скоростей) на первую половину времени приходится расстояние, втрое большее, чем на вторую.

Суисет приводит четыре различных доказательства этой теоремы, которую он формулирует следующим образом: «Всякая широта движения, униформно приобретаемая или теряемая, соответствует своему среднему градусу… так что столько же в точности будет пройдено благодаря этой так приобретаемой широте, сколько и благодаря ее среднему градусу, если бы тело двигалось все время с этим средним градусом».

Наиболее интересное из них — третье доказательство, которое проводится с помощью суммирования двух бесконечных рядов. Суисет исходит из деления интервала времени на «пропорциональные части» t, t/2r t/4, t/8, …, t/2n-1. В любой момент первой «пропорциональной части» времени тело будет двигаться вдвое быстрее, чем в соответствующий момент второй «пропорциональной части», и т. д. Поскольку первая «пропорциональная часть» времени вдвое больше, чем вторая, то тело пройдет за первую часть вчетверо большее расстояние, чем за вторую, за вторую — вчетверо большее, чем за третью, и т. д.

К задаче суммирования ряда Суисет сводит и примеры движений, в которых скорость меняется скачкообразно.

Представителю геометрического направления в науке XIV в. — Н. Орему (1323—1382) — принадлежит сохранившийся в многочисленных списках (и под различными заголовками) трактат «О конфигурации качеств», написанный в 1371 г.

Орем представлял «интенсивность качества», сосредоточенного в одной точке, в виде отрезка прямой линии. «Качества» могут быть линейными, когда они распределены по различным точкам математического объекта в одном измерении, плоскостными (два измерения) и объемными (три измерения). «Интенсивности» он предлагал изображать линиями, проведенными из точек прямой, характеризующей «экстенсивность». В современной терминологии «экстенсивность качества» соответствует абсциссе, «интенсивность» — ординате. Отрезки линий «интенсивности» Орем называл «широтами» (latitudo) «качеств» или «форм», а отрезки, в концах которых «широты» прилагаются, — «долготами» (longitudo). Длины «широт» пропорциональны «интенсивностям». Таким образом, зависимость между «интенсивностью» и «экстенсивностью» изображалась в виде плоской фигуры, ограниченной сверху некоторой кривой.

Постоянная «интенсивность» соответствует «униформному качеству», которое изображается четырехугольником. «Униформно-дифформному качеству» соответствует треугольник (если это «качество» в начальной или конечной точке равно «не градусу», т. е. нулю) или четырехугольник с двумя непараллельными сторонами. Эту геометрическую интерпретацию Орем применяет для разъяснения кинематических понятий. В этом случае время рассматривается как «экстенсивность», а скорость — как «интенсивность» движения. Понятие ускорения (velocitatio) Орем вводит как «интенсивность» скорости, а затем переходит к рассмотрению различных случаев как постоянного, так и переменного ускорения. Орем пользовался и понятием мгновенной скорости, которую называл точечной (velocitas punctualis).

Доказательство мертонской теоремы у Орема начинается со следующего утверждения: «О скорости следует сказать то же, что о линейном качестве, с той разницей, что вместо средней точки берут среднее мгновение времени, измеряющего скорость движения».

Однако Орем еще не дает самого определения средней, или, как он называл, «суммарной скорости» (velocitas totalis) и нигде прямо не говорит, что площадь рассматриваемой фигуры соответствует пройденному расстоянию, хотя такое понимание лежит в основе его рассуждений. Более четкое установление связи между пройденным расстоянием и площадью фигуры, ординаты которой соответствуют мгновенным скоростям, требовало аппарата бесконечно малых.

Стремление к полной геометризации проблемы помогло Орему в значительной мере избавиться от схоластического стиля Мертонской школы, но вынудило его оставить в стороне ряд тонких вопросов, которые эта школа разрабатывала. Возможно, поэтому в XV—XVI вв. произведения оксфордцев в странах Западной Европы (особенно в Италии) привлекали больше внимания, чем сочинения Орема.

Проникновение теории «широт форм» в Италию началось еще в середине XIV в. Трактат Джованни Казале (около 1355 г.), содержащий доказательство теоремы о средней скорости, — одно из наиболее ранних свидетельств влияния оремовской трактовки этой теории. «Униформно-дифформное качество» он представлял в виде прямоугольного треугольника, эквивалентного «прямолинейному качеству» (т. е. «униформному»). В то же время в основных вопросах он опирался на труды представителей Оксфордской школы, в частности Суисета.

В последнем десятилетии XIV в. появились два трактата о «широтах форм» Биаджо из Пармы: «О движении» и «Об интенсификации и ремиссии форм», написанные под влиянием сочинений «калькуляторов» (например, в доказательстве теоремы о средней скорости рассматривается симметричное возрастание и убывание скорости). В третьем его сочинении — «Вопросы к трактату о широте форм» — заметно влияние Парижской школы.

Казале и Биаджо не единственные проводники влияния Оксфордской и Парижской школ в Италии. Это влияние сказалось на направлении научной деятельности представителей Падуанской школы. В этой связи следует упомянуть сочинения Паоло Венецианского и комментарий Анджело да Фассамбруно к одному из трактатов Хейтесбери.

В середине XV в. (1460) Джованни Марлиани написал комментарий к «Калькулятору» Суисета, а также специальный трактат, в котором дает собственное доказательство основной мертонской теоремы и соображений Суисета о расстояниях, проходимых за «пропорциональные части» в униформно-дифформном движении. Этот результат никто в то время не ставил в связь с проблемой падения тяжелых тел, хотя во второй половине XIV в. учение о «широтах форм» преподавалось в разных странах Европы. Так, для нужд преподавания был составлен трактат «О широтах форм», который иногда неправильно приписывается самому Орему.