Механика от античности до наших дней - Ашот Григорьян

Проблеме движения брошенного тела посвящен основной труд Тартальи «Новая наука» (в двух книгах), которая трижды переиздавалась в самой Италии и была переведена на английский, французский и немецкий языки. В предисловии к «Новой науке» Тарталья уточняет, что трактат посвящен не движению вообще, а движению тяжелого тела, т. е. баллистике.

Тарталью нельзя назвать создателем баллистики (этим занимался еще Леонардо да Винчи). Однако именно ему принадлежит первая попытка математизации этого до сих пор эмпирического искусства. Характерна в этом смысле сама структура «Новой науки»: она написана по образцу «Начал» Евклида.

В I и II предложениях «Новой науки» рассматривается «естественное» движение.

С одной стороны, Тарталья принимает классификацию Аристотеля, утверждая, что единственное «естественное» движение «одинаково тяжелого тела» — его падение. Все остальные (бросание снизу вверх, горизонтально или под углом к горизонту) — «насильственные», вызванные некоторой «движущей силой». Однако далее он подвергает сомнению основное утверждение Аристотеля, что скорость падения такого тела пропорциональна его весу. По мнению Тартальи, скорость падения пропорциональна высоте падения. «Всякое тело, — говорит он, — одинаково тяжелое [во всех своих частях], при естественном движении будет двигаться тем быстрее, чем больше станет удаляться от своего начала или приближаться к своему концу»{75}. Объясняя причину ускорения тела, он приводит образное сравнение со странником, возвращающимся на родину из далекого путешествия. По мере приближения к «родному гнезду» странник стремится идти с большим напряжением, причем тем большим, чем дальше место, из которого он идет. «То же самое, — говорит Тарталья, — делает тяжелое тело, двигаясь к своему гнезду, каковым является центр Мира, и с чем более далекого расстояния от этого центра оно движется, тем быстрее станет двигаться, приближаясь к нему»{76}.

Заметим, что, обращаясь к этому вопросу в I предложении, он еще не может совсем оторваться от традиционных взглядов, считая эквивалентным удаление тела от начала пути и его приближение к «естественному месту». Только во II предложении он формирует его более четко.

Мы видим, таким образом, что новые веяния у Тартальи своеобразно сочетаются со старыми представлениями (согласно Аристотелю) о стремлении тел к своему «естественному месту».

Несколько позже Тарталья в какой-то мере пытается преодолеть эту непоследовательность, рассматривая следующий мысленный опыт (к которому, впрочем, еще до него обращались представители Парижской школы «широт форм» Н. Орем и Альберт Саксонский, а также Леонардо да Винчи): если Землю просверлить насквозь и в это отверстие бросить тяжелое тело, то остановится ли оно в центре Земли, в котором должны останавливаться все тела, как это следует из концепции «естественного места»? Тарталья считает, что «скорость, заключающаяся в теле», заставляет его миновать центр, двигаясь «насильственным движением». Таким образом, по его представлению, «естественное движение» — падение к центру Земли — способно порождать «насильственное» — подъем. Обратное невозможно, так как (опять-таки согласно аристотелевской традиции) «естественное» движение имеет причину в самом себе.

В предложениях III и IV, аналогичных по структуре предложениям I и II, рассматриваются свойства «насильственного» движения, противоположные свойствам «естественного».

Тарталья утверждает, что при «насильственном» движении скорость постоянно уменьшается до тех пор, пока она не достигнет минимума, одного и того же для всех подобных движений. Чем больше пройденный путь, тем большая требуется начальная скорость.

Обращаясь далее к противопоставлению обоих видов движения, Тарталья вводит понятие «эффекта» движения». Эффект «естественного» движения зависит от высоты падения, эффект «насильственного» движения — от близости тела к отправной точке (в случае стрельбы — к стволу орудия). Таким образом, в какой-то степени Тарталья придает понятию «эффекта» смысл скорости.

«Естественное» движение всегда ускоренное, «насильственное» — всегда замедленное. Движение брошенного тела начинается с «насильственного», которое прекращается в точке, где скорость минимальна. Только после этого оно может продолжаться, но уже в виде «естественного».

Вторая книга «Новой науки» посвящена геометрии траекторий брошенных тел. Различие между обоими видами движений, по мнению Тартальи, проявляется в различии их траекторий. Траектория «естественного» движения — всегда вертикальная прямая, траектория «насильственного» движения может быть прямолинейной, криволинейной или составной.

В рассуждениях о составной траектории, состоящей из трех участков, Тарталья исходит из практики стрельбы. При стрельбе прямой наводкой, т. е. когда линия прицела параллельна оси ствола, траектория ядра почти строго прямолинейна на достаточно большом участке. Затем, на переходном участке, она имеет форму дуги круга и в нейтральной точке переходит в вертикаль. При горизонтальной стрельбе переходный участок равен четверти круга и соответственно больше или меньше ее, если прицел взят выше или ниже горизонтали.

Далее следует утверждение, что максимум расстояния, пройденного ядром, достигается при стрельбе под углом в 45° к горизонту. Это правильное утверждение не следует, однако, из предыдущих рассуждений и выдвинуто чисто интуитивно.

Следующая книга Тартальи, посвященная баллистике, — «Различные вопросы и изобретения», написанная в форме диалога между автором и несколькими собеседниками (литературный жанр, к которому впоследствии обратился Галилей), содержит некоторые уточнения его геометрии траекторий. В частности, он показывает, что, строго говоря, траектория «насильственного» движения не имеет никакой прямолинейной части.

Далее следует другое уточнение, что длина квазипрямолинейного участка траектории зависит не только от начальной скорости, но и от наибольшего угла стрельбы.

Современники Тартальи оценили лишь его вклад в геометрию траекторий. Для нас же теперь ясно, что основным его достижением на пути к созданию новой механики является анализ обоих видов движения и вывод об их симметрии, что позволило Тарталье прийти к выводу об их сочетании, хотя и не привело к понятию о единстве этих движений.

Решительный удар аристотелевской теории противопоставления «естественного» и «насильственного» движений нанес ученик Тартальи Джованни Бенедетти.

Обращаясь к проблеме падения тела, Бенедетти уже в своей первой книге «Решение всех задач Евклида, а также других при единственно заданном растворе циркуля» доказывает как истину то, что тела разной величины, но одинакового удельного веса будут падать с одинаковой скоростью[20].

Это новое утверждение Бенедетти отчетливо подразделяет на два момента:

1) падение определяется не весом тела, а избытком этого веса над весом равного ему объема окружающей среды;

2) исходя из понятия центра тяжести тела и его частей, он показывает, что каждая часть совершает при падении то же самое движение, что и все тело.

Вначале Бенедетти доказывает одинаковую скорость движения в пустоте для одинаковых тел того же удельного веса, но разной величины. Затем он переходит к рассмотрению падения тел в разных средах. То, что скорость падения в одной и той же среде разная при разных удельных весах, Бенедетти не доказывает. Из этого предположения он исходит в своих попытках определить величину скорости падения в зависимости от удельного веса (плотности) среды.

Скорости падения, полагает Бенедетти, пропорциональны «силе», т. е. разности веса и потери веса в среде[21]. Сущность рассуждений Бенедетти, как легко видеть, сводится к своеобразному (хотя и неверному) динамическому толкованию статического закона Архимеда: скорость падения пропорциональна весу тела, которое в любой среде теряет в весе столько, сколько весит вытесняемый им объем вещества.

Таким образом, в противоположность Аристотелю Бенедетти характеризует падение тел с помощью разности весов, а не с помощью их отношения. Заметим, что Галилей до открытия своего общего закона падения тел придерживался точки зрения Бенедетти, под существенным влиянием которого он находился в начале своего творческого пути. Таким значительным влиянием обладал уже юношеский труд Бенедетти.

Через тридцать лет после этого он публикует сборник своих трудов под названием «Книга различных математических и физических рассуждений», где излагает разработанное им учение, направленное против Аристотеля. Это учение — усовершенствованная теория «импетуса», которая сама по себе уже была ударом (хотя и нерешительным) по аристотелевской динамике. Согласно Бенедетти, «двигатель» не только не может быть вне движущегося тела, в частности в окружающей среде, но обязательно «вложен» в само тело. Поэтому два различных импетуса, «естественного» и «насильственного» движений, могут быть совместимы в одном и том же теле.