6.%20Kokeellisen%20tutkimuksen%20l

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 (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 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)

5
(No Transcript)
6
Kopernikus 1512 CommentariolusLittle
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 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 dAlambert 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
  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 (16291695)
• 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