Физика
Архимед

Биография Великого физика

Автор множества открытий в сфере геометрии, предвосхитил многие идеи математического анализа, сделал множество открытий в области геометрии, предвосхитил многие идеи математического анализа, заложил основы механики, гидростатики, был автором ряда важных изобретений.
  • О биографии Архимеда нам известно из упоминаний Полибия, Цицерона, Плутарха, Витрувия и других древних авторов, поскольку все они жили гораздо позже его, достоверность их сведений оценить сложно.

    Архимед родился в 287 г. до н.э., в Сиракузах.

    Родственником будущего учёного был Гиерон, впоследствии ставший правителем Сиракуз Гиероном II, отец Архимеда Фидий, выдающийся астроном и математик, состоял при дворе, по этой причине мальчик получил приличное образование.

    Осознавая, что ему не хватает теоретических знаний, юноша вскоре отправился на обучение в Александрию, где в то время трудились самые светлые умы древности.

    Большую часть своего времени Архимед проводил в Александрийской библиотеке, там он занимался изучением трудов Демокрита и Евдокса, во время обучения, Архимед сблизился с Эратосфеном и Кононом.

    Дружба сохранилась на долгие годы.

Научная работа

  • Закончив обучение, Архимед вернулся в родные Сиракузы и вступил в должность астронома при дворе Гиерона II, но не только звёзды привлекали его внимание.

    Должность астронома не была обременительной, Архимед имел возможность заниматься механикой, физикой и математикой, в это время для решения нескольких задач по геометрии исследователем был применён принцип рычага.

    Выводы были подробно изложены в работе “О равновесии плоских фигур”, немногим позже, Архимед написал сочинение “Об измерении круга”, ему удалось вычислить отношение диаметра окружности к её длине.

    Изучая краткую биографию Архимеда, следует знать, что также он уделял внимание геометрической оптике, им было проведено несколько интересных экспериментов по преломлению света.

    Теорема дошла и до наших дней.

    Доказательство теоремы:


    На фоне отражения луча света от зеркальной поверхности, угол падения равняется углу отражения.

Изобретения Архимеда

Архимедов винт, или шнек – служит для подъёма и транспортировки грузов, вычерпывания воды, это устройство применяется до сих пор (например, в Египте).

Различные типы подъёмных кранов, в основе которых лежали блоки и рычаги.

«Небесная сфера» - первый в мире планетарий, с помощью которого можно было наблюдать движение солнца, луны и пяти известных тогда планет.

Число, близкое к числу П, - так называемое «архимедово число»: 3 1/7; сам Архимед указал точность приближения этого числа, чтобы решить эту задачу, он построил круг в вписанный и описанный вокруг него 96-угольники, стороны которых затем измерил.

Открытие фундаментального закона физики в целом и гидростатики в частности, этот закон назван его именем и состоит в соотношении выталкивающей силы, объёма и веса погружённого в жидкость тела.

Являясь первым теоретиком механики, Архимед ввёл в неё мысленные эксперименты, первыми такими экспериментами были его доказательства закона рычага и закона Архимеда.

Винт Архимеда

«Эврика!»
(с) Архимед
  • Иногда изобретение называют «улиткой Архимеда» или водяным винтом, устройство предназначено для подъёма воды, к примеру, для орошения полей.

    "Винт Архимеда" представляет из себя спираль, которая вращалась внутри трубы, перенося воду на винтовых лопастях вверх, вращение спирали задавалось вращением специальной ручки сверху.

    Саму ручку мог вращать как человек, так и рогатый скот или лошади, а в более поздние времена можно было использовать водяное колесо или ветряную мельницу, помимо воды при помощи винта на верх можно транспортировать гранулированные материалы, такие как зола или песок.
Пожалуй, это одно из самых древнейших приспособлений, известных для подъёма воды, винт до сих пор используется в небольших электростанциях и даже на фермах.

Начиная с 1980 года в штате Техас в США используется восемь винтов Архимеда диаметром около 3.6 метра для борьбы с ливневым стоком, винт приводится в действие двигателем мощностью 551 киловатт и может выкачать до 500 тысяч литров воды в минуту.
Главным преимуществом винта Архимеда является то, что попадание мусора в механизм не приводит к нарушениям работы устройства, к примеру, при помощи винта можно даже поднимать рыбу вместе с водой, при этом винт будет продолжать работать.

Оборона Сиракуз

В 212 году Сиракузы осадили римляне, но захватить город они долго не могли. Легенды рассказывают, что долгая оборона стала возможной благодаря одному жителю города – Архимеду.

Он построил метательные машины, которые уничтожали римское войско тяжёлыми снарядами, и подъёмные краны, поднимавшие вражеские корабли и топившие их.

  • Железная рука или коготь Архимеда


    Коготь Архимеда был оружием, которое изобретатель придумал во время осады его родного города Сиракуз. Город приходилось оборонять от флота Римской империи, поэтому необходимо было разработать эффективные методы для потопления флота прямо с крепостных стен.

    Точный дизайн устройства нам не известен, но мы примерно понимаем принципы, на которых он был основан, если вы внимательно прочли про изобретение шкивов и рычага, то понять принцип когтя будет несложно.

    Коготь Архимеда представлял из себя систему шкивов, верёвок и балок, на одном конце верёвки был крюк, который забрасывался на вражеский корабль и зацеплялся под брюхо корабля, на обратной стороне верёвки за стеной уже были наготове быки и люди, которые начинали тянуть верёвку.

    В результате многотонные корабли переворачивали или бросали на камни, рассеивая флот и экипаж противника вокруг стен.

  • Катапульты, баллисты и скорпионы


    Во время осады Сиракуз Архимед построил артиллерию, которая могла охватить целый ряд диапазонов, пока атакующие корабли находились на большом расстоянии, он стрелял из катапульт и баллист, забрасывая корабли противника огромными камнями и брёвнами.

    Если корабли приближались к крепостным стенам для штурма, то их встречал целый поток стрел из «скорпионов» (небольших катапульт, метающих стальные дротики), кстати, стоит отметить, что именно Архимед предложил сделал бойницы, что было инновацией в фортификации того времени.

    Из небольших проёмов лучники успешно обстреливали наступающих римлян, таким образом, подойти к стенам Сиракуз у римлян не удавалось, а если они и подходили, то несли огромные потери.
Архимеду удалось создать катапульты метавшие камни весом до 250 килограмм, эти метательные машины поражали корабли римского флота, стоявшие в отдалении.
Правда с исторической точки зрения Архимед не был тем, кто первым изобрёл все эти сооружения, но он явно вносил в них свои модификации (например, улучшал точность) и успешно использовал для обороны.

  • Поджигающие зеркала


    Данное изобретение для своего времени точно поражает любую фантазию, Архимед догадался до того, чтобы сжигать вражеские корабли при помощи солнца, в некоторых статьях это изобретение даже называют «лучи смерти».

    На самом деле до конца непонятно, для чего именно использовал зеркала Архимед, вполне вероятно, что он не сжигал ими флот, а лишь ослеплял лучников на кораблях.

    Существует версия, согласно которой при помощи катапульт на корабли забрасывались специальные снаряды, которые потом при помощи зеркал поджигались, так что можно было подумать, что это зеркала жгут корабли.

    Есть ещё есть версия, что зеркала использовались лишь для наведения катапульт.
В 1973 году греческий учёный Ионнис Саккас заинтересовался вопросом возможности сжигания флота при помощи зеркал, поэтому он поставил эксперимент.
  • 60 греческих моряков держали 70 зеркал, каждое из которых имело медное покрытие и было размером 1.5 метра на 1 метр.

    Зеркала направлялись на фанерный макет корабля, удалённый на 50 метров, зеркала спокойно подожгли макет, что доказало практическую возможность поджигания флота при помощи зеркал.

Закон Архимеда

Один из главных законов гидростатики и статики газов
  • Закон Архимеда формулируется следующим образом: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа).
    • FA — сила Архимеда;
    • P — плотность жидкости (газа);
    • g — ускорение свободного падения;
    • V — объём погружённого тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности).

    Если тело плавает на поверхности или равномерно движется вверх или вниз, то выталкивающая сила (называемая также архимедовой силой) равна по модулю (и противоположна по направлению) силе тяжести, действовавшей на вытесненный телом объём жидкости (газа), и приложена к центру тяжести этого объёма.

    Следствия закона Архимеда:


    • В невесомости закон Архимеда не действует;
    • Если сила Архимеда меньше силы тяжести, то тело утонет;
    • Если силы одинаковы по величине, тело «повисает» в окружающей среде;
    • Если сила Архимеда больше силы тяжести, то тело всплывает, пока они не уравновесятся. В воде этот момент наступит на поверхности.
Тело плавает, если сила Архимеда уравновешивает силу тяжести тела.
  • Следует заметить, что тело должно быть полностью окружено жидкостью (либо пересекаться с поверхностью жидкости), так, например, закон Архимеда нельзя применить к кубику, который лежит на дне резервуара, герметично касаясь дна.

    Что касается тела, которое находится в газе, например в воздухе, то для нахождения подъёмной силы нужно заменить плотность жидкости на плотность газа.

    Например, шарик с гелием летит вверх из-за того, что плотность гелия меньше, чем плотность воздуха.

    Закон Архимеда можно объяснить при помощи разности гидростатических давлений на примере прямоугольного тела.
    • PA, PB — давления в точках;
    • A и B, ρ — плотность жидкости;
    • h — разница уровней между точками A и B;
    • S — площадь горизонтального поперечного сечения тела;
    • V — объём погружённой части тела.