Gravitáció és egyensúly a tudomány számára
Az ókortól kezdve a Galileo idejéig a gravitációról szóló tanulmányok az egyszerű gépek működését az egyensúly törvényeivel magyarázzák.
Galilei (1564-1642), az egyik első kísérleti fizikus, jól ismert a gravitációval kapcsolatos munkájáról. Tanulmányozta és alkalmazta a statikus és dinamikus egyensúly törvényeit.
Aligha meglepő, hogy a Kr. E. Negyedik századtól a XVII. Század első feléig tartó hosszú időszakban a fizika és a mechanika íróit a gravitáció miatt érdekelték a jelenségek. Ha a gravitáció mindenütt jelenléte természetessé tette ezt az érdeklődést, az nem kis jelentőségű részben abból is fakad, hogy meg kell magyarázni a kézművesek és mérnökök által empirikusan használt gépek működését. Így a kar és az egyszerű gépek alkalmazásának tanulmányozása megalapozza a fizikát, amely fokozatosan megszabadul a retorikai beszédektől a geometriai demonstráció mellett.
Ezek az új fizika létrehozásának kísérletei sokáig ütköznek a nagy filozófiai rendszerektől, különösen az arisztotelészi kozmológiától örökölt elvekkel. Az arisztotelianizmus különböző formái a XIII. Századtól jelennek meg a keresztény nyugaton: Aquinói Tamás vezetésével a görög filozófus munkáit arabról latinra fordítják, és filozófiájának számos elvét a skolasztika alkalmazza. Arisztotelész gondolata és tekintélye a tudás minden területén elterjedt, és minden tudományos tevékenység alapvető referenciája.
A hosszú út során, amely végül Newtonig vezet, látni fogjuk, hogy az egységes erőfogalom hiánya ellenére (a modern erőfogalom Newtonnál jelenik meg) néhány tudósnak sikerült elszámolnia a mérleg vagy a variáció egyensúlyát súlyban ferde síkon. Emellett néhányuk műveit is felidézzük: Archimedes, Buridan, Pappus, Jordan de Nemore és természetesen Galileo.
A nehéz és a könnyű
Arisztotelész fizikájában a nehézfényes ellenzék ősszerepet játszik: elmagyarázza az egyik helyről a másikra történő mozgást, ahogyan azt a sublunáris világban, vagyis a földünkön megfigyeljük. Míg az atomisták és Platón számára a nehéz és a könnyű olyan tulajdonságok, amelyek végső soron a testek sűrűségétől függenek - bár ez a fogalom nincs kifejezetten megfogalmazva - Arisztotelész számára abszolút tulajdonságok.
A két elem, amely rendelkezik ezekkel a tulajdonságokkal (nehéz és könnyű), a föld és a tűz. Ez a két első elem két egyszerű mozdulattal társul: lefelé a nehéz - vagy súlyos - felfelé a könnyű. Arisztotelész számára e két egyenes vonalú mozgás már önmagában két különálló elem létezését írja elő, amelyek az egyiket az Univerzum középpontja felé mozgatják. Ebből a priori következik a helyek elmélete, amely évszázadokig feltételezi a kinematika és a dinamika tanulmányozását.
Szabad esésben nehéz test mozog a Föld közepe felé olyan sebességgel, amely arányos a súlyával és fordítottan arányos a bejárt közeg ellenállásával. Megkaphatjuk-e a testet, hogy a saját helyétől eltérő helyre haladjon? Arisztotelész igenlő választ ad, de mozdulata ekkor erőszakos és bizonyos módon természetellenes lesz. Különösen ez a lövedékek mozgása. Az arisztotelészi követelmény, miszerint a mozgó motorral folyamatosan kapcsolatban van a mozgott motor, azt képzeljük el, hogy az erőszakos mozgást generáló erő a keresztezett közeggel, jelen esetben a levegővel is kommunikálva van. Ez a környezet az, amely felelős a mozgás folytonosságának biztosításáért, a testet nagyobb sebességgel tolva, mint ami természetes mozgásakor lenne. Hogy értelmezzük ezt a - legkevésbé is zavaros - magyarázatot a középkorban? Jean Buridan (1300-1358) párizsi tudós szerint meg kell érteni, hogy a levegőbe indított lövedék gyorsan elhagyja azt a helyet, ahol volt, és a természet, amely nem engedi a vákuumot, levegőt küld mögötte, hogy kitöltse a semmissé válik. Így a lövedékkel érintkezve a levegő végül nyomja (az antiperisztázis mozgása).
Meggyőződés nélkül Buridan a magyarázatot a lendület elméletére cserélte: a külső cselekvéssel mozgásba lendített test olyan lendületet kap, amely annál erősebb, minél nagyobb a sebesség, kezdetben és azonnal, és annál nagyobb az anyag mennyisége. a test nagy. Ennek a meghatározásnak nincs pontosabb leírása a lendület alatt. Buridan számára ez a lövedékbe beillesztett mozgatóerő, amely nem átmeneti jellegű, de állandó tulajdonságú. A lendület elmélete megmagyarázza a mozgás folytonosságát.
Más jelenségek meghiúsítják az Arisztotelész által elképzelt kozmológiai rendet, és olykor maguk az arisztotelésziek próbálják orvosolni őket. Különösen ez a helyzet a római skála működésével, amelynek köszönhetően egy nagy súlyt ellensúlyozhat egy kisebb súly, ha ez utóbbi nagyobb távolságra van a mérleg felfüggesztési pontjától. Így egy nehéz test egy önmagánál nehezebb test alatt található. Hogyan magyarázzuk el ezeket a bizonyítékokat?
Az egyensúly tulajdonságainak eredeti értelmezését egy értekezés, a Mechanica vagy a "Mechanical Questions" tartalmazza, amelyet először Arisztotelésznek tulajdonítottak, de amelyet a történészek ma úgy vélnek, hogy egy harmadik századi arisztotelész írt. A dolgozat bevezetőjében a szerző ragaszkodik a „természeténél fogva” és a „természettel ellentétes” megkülönböztetéséhez. A művészet, vagyis a gépészeti tudomány biztosítja, hogy a természet által előírt korlátok bizonyos módon elterelhetők legyenek az emberek javára.
A mérleg és következésképpen a kar működésének e traktátumában adott magyarázat megérdemli a figyelmünket. A kör tulajdonságain alapul. Ez a tökéletesnek tartott és ezért csodálkozásnak számító geometriai alak jól ismert tulajdonsággal rendelkezik. Ha egy kört a síkjában elforgatunk a középpontja körül, akkor az azonos átmérőjű pontok nem mindegyikének egyforma lineáris sebessége van: annál gyorsabban mennek, minél messzebb vannak a középponttól. Most, amikor a római egyensúly felfüggesztési pontja körül megfordul, a két egyenlőtlen kar vége egyszerre írja le a kör két különböző ívét. Sebességük arányos a leírt ívekkel, tehát sugárukkal, vagyis a mérleg karjaival. Ugyanez vonatkozik a karra is: "ami az egyensúlyban történik" - írja a dolgozat szerzője - "a körre redukálódik, és ami a karban történik, az az egyensúlyra". Ebben a kialakításban a sebességkülönbség kompenzálja a súlykülönbséget, és segít egyensúlyban tartani, vagy akár megemelni egy nehéz testet, amelynek teste kevésbé nehéz.
Noha ezt a magyarázatot nem fejezik ki világosan, eredetisége nagyon érdekes. A Mechanica szerző általi értelmezése tehát - bár zavaros módon - a dinamikus hagyományt kelti. Implicit módon tartalmazza a virtuális sebesség (az egyensúlyból távozó test nagyon kicsi sebessége) fogalmát, amelynek modern elméletét Jean Bernoulli (1667-1748) fizikus fogja megalapozni. A modern elmélet azonban megköveteli, hogy a virtuális mozgások egyrészt kicsiek, másrészt pedig egyenesek legyenek, ami a Mechanica esetében nem így van. Erre a kettős feltételre akkor van szükség, ha az ember több egyensúlyi erőből álló rendszer virtuális munkáját számítja ki. A virtuális sebesség fogalma újra megjelenik Jordan de Nemore munkájában a 13. században (lásd a 10. oldalon lévő keretet).