6. Kokeellisen tutkimuksen läpimurto - taivaanmekaniikka

1. 6. Kokeellisen tutkimuksen läpimurto - taivaanmekaniikka

2. Klassinen fysiikka • keskeistä kokeellisen metodin läpimurto sekä yhdentymiskehitys klassiseksi mekaniikaksi ja sähködynamiikaksi • 1400 taivaanmekaniikka • 1500 statiikka ja Galilein mekaniikka • 1600 Newtonin mekaniikka, lämpöoppi, paine ja tilavuus, sähköstatiikka • 1700 lämpö ja kaasut, pyörimisliike, analyyttinen mekaniikka, sähkövirrat • 1800 termodynamiikka, sähkömagneettinen induktio ja elektrodynamiikka, ”fysiikan kultaiset vuodet 1895-1898”

3. 6.1. Tieteellisten seurojen synty 1500-luvulta alkaen edellytykset tieteen kukoistukselle lisääntyivät ratkaisevasti: • Kirjapainotaito • tieteelliset seurat (AccademiadeiLincei, Accademia del Cimento, AcademieRoyale des Sciences de Paris, Royal Societyfor the Advancement of Learning) • tieteelliset aikakauslehdet (le Journal des Svants, PhilosophicalTransactionsof the Royal Society, Acta eruditorium) • kokeellisen menetelmän käyttöönotto, viralliset observatoriot (Greenwich 1675, Berliinin observatorio 1700 ja Pariisin observatorio)

4. 6.2. Edistysaskeleita taivaanmekaniikassa • Taivaanmekaniikan 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 liikkumattomia • Kokeellisen fysiikan pioneerit • Tycho Brahe (1546-1601) • Johannes Kepler (1571-1630) • Galileo Galilei (1564-1642)

6. Kopernikus 1512: Commentariolus’Little Commentary’ 40-sivuinen ”varhaisesitys” aurinkokeskeisestä maailmasta • Teorian pääpiirteet ilman matemaattisia yksityiskohtia • seitsemän uuden kosmologian perusolettamusta: • Kaikki taivaan kiertoliikkeet eivät tapahdu saman keskuksen ympäri • Maan keskipiste ei ole maailman keskipiste, vaan ainoastaan painovoimaan ja Kuun pallonkuoren keskus • Kaikki kiertoliikkeet tapahtuvat Auringon ympäri. Tämä sijaitsee yhtälailla kaikkien keskellä, maailman keskus on lähellä Aurinkoa • 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. 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 • Auringon näennäinen liike seuraa Maan liikkeestä, joka kuljettaa meitä Auringon ympäri kuten jokaista muutakin planeettaa. Maalla on siis useampia liiketiloja • 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 tähtitieteilijä • Suurin havainnoitsija ennen kauko-putken keksimistä • Näki 1560 osittaisen auringonpimennyksen • 1572 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: • Planeetat liikkuvat elliptisillä radoilla, joiden toisessa polttopisteessä on Aurinko • Radan säde pyyhkii yhtä pitkissä ajoissa yhtä suuren pinnan • 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 pinnanmuodostusta • Löysi auringonpilkut • Havainnoi Venuksen ja Merkuriuksen vaiheita • Löysi neljä Jupiterin kuuta • Totesi Saturnuksen erikoislaatuisen muodon ja Linnunradan sikeröisyyden • Tuki 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 pursimuoveeli Se liikkuu sittenkin! Katolinen kirkko myönsi erehdyksensä v. 1992

14. 6.3. Statiikka ja mekaniikka • Maanpäällisessä mekaniikassa Simon Stevinusja 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 koordinaattijärjestelmä • Laski pohjan analyyttiselle geometrialle ja sovelsi sitä matematiikkaan • Tutki 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 ChristiaanHuygens • 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