6. Kokeellisen tutkimuksen läpimurto

- taivaanmekaniikka

2

Klassinen fysiikka

keskeistä kokeellisen metodin läpimurto sekä yhdentymiskehitys klassiseksi mekaniikaksi ja sähködynamiikaksi

1400 taivaanmekaniikka1500 statiikka ja Galilein mekaniikka1600 Newtonin mekaniikka, lämpöoppi, paine ja

tilavuus, sähköstatiikka1700 lämpö ja kaasut, pyörimisliike, analyyttinen

mekaniikka, sähkövirrat1800 termodynamiikka, sähkömagneettinen

induktio ja elektrodynamiikka, ”fysiikan kultaiset vuodet 1895-1898”

3

6.1. Tieteellisten seurojen synty

1500-luvulta alkaen edellytykset tieteen kukoistukselle lisääntyivät ratkaisevasti:

Kirjapainotaitotieteelliset seurat (Accademia dei Lincei, Accademia del Cimento, Academie Royale des Sciences de Paris, Royal Society for the Advancement of Learning)tieteelliset aikakauslehdet (le Journal des Svants, Philosophical Transactions of the Royal Society, Acta eruditorium)kokeellisen menetelmän käyttöönotto, viralliset observatoriot (Greenwich 1675, Berliinin observatorio 1700 ja Pariisin observatorio)

4

6.2. Edistysaskeleita taivaanmekaniikassaTaivaanmekaniikan mullistuksen aloitti Nikolaus

Kopernikus (1473-1543): kumosi kirkollisen maakeskeisen käsityksen aurinkokeskeinen järjestelmä

ei itse tehnyt havaintoja, tutki antiikin tähtitieteen kirjallisuutta yksinkertaisempi selitys planeettojen liikkeille: maapallo pyörii akselinsa ympäri ja kiertää samalla Aurinkoa

kiintotähtien radat yksinkertaisia tai yhdistettyjä ympyröitä

taivaankansi ja kiintotähdet liikkumattomiaKokeellisen fysiikan pioneerit

Tycho Brahe (1546-1601)Johannes Kepler (1571-1630)Galileo Galilei (1564-1642)

5

6

Kopernikus 1512: Commentariolus’Little Commentary’ 40-sivuinen ”varhaisesitys” aurinkokeskeisestä maailmasta

Teorian pääpiirteet ilman matemaattisia yksityiskohtia seitsemän uuden kosmologian perusolettamusta:

1. Kaikki taivaan kiertoliikkeet eivät tapahdu saman keskuksen ympäri

2. Maan keskipiste ei ole maailman keskipiste, vaan ainoastaan painovoimaan ja Kuun pallonkuoren keskus

3. Kaikki kiertoliikkeet tapahtuvat Auringon ympäri. Tämä sijaitsee yhtälailla kaikkien keskellä, maailman keskus on lähellä Aurinkoa

4. Maasta Aurinkoon lasketun etäisyyden suhde tähtitaivaan läpimittaan on pienempi kuin maapallon läpimitan suhde Maasta Aurinkoon luettuun etäisyyteen. Tämä etäisyys on mitättömän pieni suhteessa tähtitaivaaseen

7

5. Tähtitaivaan näennäinen liike seuraa maapallon liikkumisesta. Maapallo ja sitä lähinnä sijaitsevat elementit kiertyvät vuorokaudessa Maan liikkumattomien napojen ympäri, kun taas tähtitaivas ja ulommainen taivas ovat levossa

6. Auringon näennäinen liike seuraa Maan liikkeestä, joka kuljettaa meitä Auringon ympäri kuten jokaista muutakin planeettaa. Maalla on siis useampia liiketiloja

7. Planeettain näennäiset kulkusuunnan vaihtelut eivät johdu niistä itsestään, vaan Maasta. Tämä liike yksistään selvittää monet näennäiset tähtitaivaan epäsäännöllisyydet

Alustavat ajatukset esitettiin käsikirjoituksena 1514 PääteosTaivaankappaleiden kiertoliikkeestä oli valmis jo 1530, ilmestyi 1543, katolisen kirkon kiellettyjen kirjojen luettelossa 1616-1753

8

Tycho Brahe

Tanskalainen tähtitieteilijäSuurin havainnoitsija ennen kauko-

putken keksimistäNäki 1560 osittaisen

auringonpimennyksen1572 havaitsi supernovan Kassiopeian

tähdistössä nimetty Tychoksi. Loisti vuoden kirkkaammin kuin Venus, ensimmäinen paljaalla silmällä nähtävä supernova vuoden 134 jälkeen havainto laajensi maailmankuvaa ja kumosi käsityksen, että tähdet ovat muuttumattomia

tähtitorni Uranienborgin linnaan Venin saarelle Oresundiin, parhaat tähtitieteelliset kojeet

9

Komeettahavainnot: komeetat eivät ole kuunalisia vaan kuunylisiä, taivaanpallo ei olekaan läpäisemätön kristallipallo

Teki 20 vuoden aikana tarkkoja havaintoja 777 tähdestä arvokas tutkimusaineisto Keplerille ja myöhemmille tähtitieteilijöille

tarkimmat paljain silmin tehdyt mittaukset, vasta kaukoputken keksimisen jälkeen saavutettiin paremmat tarkkuudet

Brahe ei hyväksynyt Kopernikuksen aurinkokeskistä teoriaa, vaan esitti välimuodon, jossa Maa on keskipisteessä, Aurinko ja Kuu kiertävät Maata ja planeetat kiertävät Aurinkoa

Avustaja Johannes Kepler julkaisi vuonna 1625 havaintotulokset: Rudolfin taulut

10

Johannes Kepler 1571 – 1630

Brahen avustaja, sai Brahen havainto-aineiston. Tehtävänä laskea planeetta Marsin rata Brahen havaintojen pohjalta

Ei onnistunut sovittamaan havaintoja kopernikaaniseen järjestelmään ympyrän-muotoisilla radoilla, onnistui elliptisillä Keplerin lait:1. Planeetat liikkuvat elliptisillä radoilla, joiden

toisessa polttopisteessä on Aurinko2. Radan säde pyyhkii yhtä pitkissä ajoissa

yhtä suuren pinnan3. Planeettojen kiertoaikojen neliöt suhtautuvat

kuten niiden ratojen isoakselien kuutiot

11

Kepler uskoi maailmanjärjestyksen harmoniaan, ”taivaankehien musiikkiin”

kirjoitti myös kirjan viinitynnyreiden tilavuuden mittaamisesta vaikutusta infinitesimaali- ja integraalilaskennan syntyyn

12

Galileo Galilei

Italialainen luonnontutkija, tähtitieteilijä, fyysikko, matemaatikko, filosofi

Rakensi kaukoputken Hollannin kauko-putken esimerkin mukaan, paranteli sitä ja alkoi tutki tähtitaivasta:

Havainnoi Kuun pinnanmuodostustaLöysi auringonpilkutHavainnoi Venuksen ja Merkuriuksen

vaiheitaLöysi neljä Jupiterin kuutaTotesi Saturnuksen erikoislaatuisen

muodon ja Linnunradan sikeröisyydenTuki havainnoillaan Kopernikuksen

aurinkokeskistä järjestelmää, julkaisi ne teoksessaan Sideral Messenger (1610) joutui kirkon valvontaan

13

Kielto julkaista mitään Kopernikuksen järjestelmään liittyvää

Julkaisi v. 1623 teoksen Dialogi kahdesta keskeisestä maailmanjärjestyksestä, Ptolemaiolaisesta ja Kopernikaanisesta

Kuvitteelliset henkilöt Sagredo ja Salviati väittelevät järjestelmistä

Joutui uudelleen inkvisition eteen ja pakotettiin kieltämään kopernikaaninen järjestelmä

Julkisen katumuksen ansiosta sai ainoastaan kotiarestia loppuiäkseen, kuoli v. 1642 (jolloin Isaac Newton syntyi)

E pur si muove eli Se liikkuu sittenkin! Katolinen kirkko myönsi erehdyksensä v. 1992

14

6.3. Statiikka ja mekaniikka

Maanpäällisessä mekaniikassa Simon Stevinus ja Galileo Galilei muotoilivat tasapaino-, vierintä-, putoamis-, heiluri- ja heittoliikkeiden lait

Galilei teki vierimiskokeita kaltevalla tasolla Kiihtymislaki

Liikevoima on liikettä synnyttävä voima, erotuksena kuolleista voimista, jotka aikaansaavat jännityksiä ja paineita

Teki pudotuskokeita Pisan kaltevasta tornista putoamislaki

Dynamiikan perustaja

15

Galileon liikelait:

Vapaa vaakasuora liike tapahtuu vakionopeudella ja suuntaa muuttamatta

Vapaasti putoava kappale kiihtyy tasaisesti

Kaikki kappaleet putoavat yhtä nopeasti

Liikeradan muoto ja liikenopeus riippuvat siitä minkä suhteen sitä havaitaan

16

Mikä liikkeessä säilyy?

Pitkään jatkunut käsitteellinen kiista: mikä liikkeessä säilyy ja mikä on oikea säilymisen laki?

Descartesin liikemäärä mv (Newton kannatti)

Galilein liikevoima mv2 (Leibniz nimitti ”eläväksi voimaksi”)

Kiista ratkesi v. 1743 kun ranskalainen Jean Le Rond d’Alambert osoitti liikemäärän ja ”elävän voiman” eri käsitteiksi

17

Rene Descartes (1596 – 1650)•Kannatti älyperäistä järkeilyä kokeellisuuden sijaan •Merkitystä teoreettisen fysiikan kehittymiselle•Deduktiivisen ja matemaattisen menetelmän korostus•Materian ja liikkeen korostus primääreinä ominaisuuksina, eräänlainen ”jatkavuuden laki” (esim. ympyräliikkeen ylläpitämiseen tarvitaan voima)

18

René Descartes (1596-1650)

Karteesinen koordinaattijärjestelmäLaski pohjan analyyttiselle geometrialle ja sovelsi sitä

matematiikkaanTutki törmäysliikkeitä, kahdeksan törmäyssääntöä

(osa virheellisiä)Esitti liikkeen mitaksi liikemäärää, jonka määritteli

liikkeen säilyväksi ”periaatteeksi” massan ja nopeuden tulona, mv (säilyminen osoittautui kuitenkin puutteelliseksi, koska käsittää vain liikettä muta ei potentiaalienergiaa)

Esitti maailmaneetteripyörteisiin tukeutuvan maailmankuvan

Pääteokset ovat Discourse de la méthode (1637) ja Principiae philosophiae (1644)

19

Kappaleiden törmäysliikkeen kuvailivat ensimmäisinä oikein C. Wren, J. Wallis ja Christiaan Huygens

Descartesin virheet johtuivat siitä, ettei tehnyt eroa kimmoisten ja kimmottomien törmäysten välillä eikä ymmärtänyt oikein liikemäärän vektoriluonnetta

”Elävä” eli liikevoima säilyi myös kimmoisissa törmäyksissä

20

Renessanssin Leonardo da Vinci (1452-1519)

Taidemaalari, kuvanveistäjä, luonnontieteilijä, insinööri ja filosofi

Osuvia toteamuksia mekaniikassa vaikuttavista voimista, hitaudesta ja kiihtyvyydestä, liikelaeista sekä ikiliikkujan mahdottomuudesta

Korosti eksperimenttien merkitystä

21

6.4. Heiluri- ja pyörimisliike

Galileo Galilei (1564-1642)

Totesi heilurin heilahdusajan pienillä heilahduskulmilla lähes riippumattomaksi heilahduksen laajuudesta

22

Christiaan Huygens (1629–1695)

•Rakensi heilurikellon ja yhdistelmäheilurin

•Matemaattinen teoria heilurille: Pariisissa 1673 teoksessa De horologie oscillatorio

•Jean Foucault 1851•Heilurikoe Pariisissa Foucaultin heiluri, varsi 67 m, punnus 28 kg•Koe osoitti, että heilurin heilahdus- taso säilyy muuttumattomana Maan pyöriessä akselin ympäri