Gravitația și echilibrul pentru știință
De la Antichitate până la vremea lui Galileo, studiile asupra gravitației explică prin legile echilibrului funcționarea mașinilor simple.
Galileo (1564-1642), unul dintre primii fizicieni experimentali, este bine cunoscut pentru munca sa asupra gravitației. El a studiat și a aplicat legile echilibrului static și dinamic.
Nu este surprinzător faptul că, în lunga perioadă din secolul al IV-lea î.Hr. până în prima jumătate a secolului al XVII-lea, scriitorii de fizică și mecanică au fost interesați de fenomene datorate gravitației. Dacă omniprezența gravitațională a făcut acest interes natural, acesta provine, de asemenea, într-o parte deloc neglijabilă, din necesitatea de a explica funcționarea mașinilor utilizate empiric de meșteri și ingineri. Astfel, studiul pârghiei și al aplicațiilor sale la mașini simple pune bazele unei fizici care se eliberează treptat de discursul retoric în favoarea demonstrației geometrice.
Pentru o lungă perioadă de timp, aceste încercări de a crea o nouă fizică se vor ciocni cu principiile moștenite din marile sisteme filosofice, în special cosmologia aristotelică. Diferitele forme ale aristotelismului apar în Occidentul creștin din secolul al XIII-lea: sub conducerea lui Toma de Aquino, operele filosofului grec sunt traduse din arabă în latină și multe principii ale filozofiei sale sunt adoptate de scolasticism. Gândirea și autoritatea lui Aristotel s-au răspândit în toate domeniile cunoașterii și sunt referințe esențiale pentru orice activitate științifică.
În lunga călătorie care va duce în cele din urmă la Newton, vom vedea că, în ciuda absenței unui concept unificat de forță (noțiunea modernă de forță apare cu Newton), unii oameni de știință au reușit să dea seama de echilibrul scărilor sau al variației în greutate pe un plan înclinat. De asemenea, vom evoca lucrările unora dintre ei: Arhimede, Buridan, Pappus, Jordan de Nemore și, desigur, Galileo.
Greu și ușor
În fizica lui Aristotel, opoziția greu-ușoară joacă un rol primordial: explică mișcarea dintr-un loc în altul, așa cum o observăm în lumea sublunară, adică pe pământul nostru. În timp ce pentru atomiști și pentru Platon, greul și lumina sunt calități care depind, în cele din urmă, de densitatea corpurilor - deși această noțiune nu este formulată explicit - pentru Aristotel, ele sunt calități absolute.
Cele două elemente care posedă aceste calități (grele și ușoare) sunt, respectiv, pământul și focul. Aceste două elemente primare sunt asociate cu două mișcări simple: în jos pentru grele - sau grave - în sus pentru ușoare. Pentru Aristotel, însăși existența acestor două mișcări rectilinii impune existența a două elemente distincte care se deplasează unul din centru, celălalt către centrul Universului. Din aceasta a priori urmează teoria locurilor, care va condiționa timp de secole studiile cinematicii și dinamicii.
Un corp greu în cădere liberă se deplasează spre centrul Pământului cu o viteză care este proporțională cu greutatea sa și invers proporțională cu rezistența mediului traversat. Putem obține un corp care să se deplaseze către un alt loc decât locul său? Aristotel răspunde afirmativ, dar mișcarea sa va fi apoi violentă și, într-un anumit fel, nefirească. Acesta este cazul, în special, al mișcării proiectilelor. Cu toate acestea, cerința aristotelică a prezenței continue a unui motor în contact cu ceea ce este mișcat ne face să ne imaginăm că forța care generează mișcare violentă este comunicată și mediului traversat, în acest caz aerului. Acest mediu este responsabil pentru asigurarea continuității mișcării prin împingerea corpului cu o viteză mai mare decât cea pe care ar avea-o în mișcarea sa naturală. Cum este interpretată această explicație, ca să spunem cel mai puțin confuză, în Evul Mediu? Potrivit omului de știință parizian Jean Buridan (1300-1358), ar trebui înțeles că proiectilul lansat în aer părăsește repede locul în care se afla, iar natura, care nu permite un vid, trimite aer în spatele lui pentru a umple gol el pleacă. Astfel, intrând în contact cu proiectilul, aerul ajunge să-l împingă (mișcare prin antiperistoză).
Neconvins, Buridan a înlocuit explicația cu teoria impulsului: corpul pus în mișcare printr-o acțiune externă primește un impuls care este cu atât mai puternic cu cât este mai mare viteza furnizată, inițial și imediat, și cu cât este mai mare viteza. corpul este mare. Această definiție nu are o descriere mai precisă a ceea ce se înțelege prin impuls. Pentru Buridan, este o forță motivantă imprimată în proiectil, care nu are un caracter tranzitoriu, dar care este o calitate permanentă. Teoria impulsului explică continuitatea mișcării.
Alte fenomene zădărnicesc ordinea cosmologică imaginată de Aristotel și uneori chiar aristotelienii înșiși încearcă să le remedieze. Acest lucru se întâmplă în special cu funcționarea cântarului roman, datorită căruia o greutate mare poate fi contrabalansată cu o greutate mai mică, dacă aceasta din urmă este plasată la o distanță mai mare de punctul de suspendare a cântarului. Astfel, un corp greu se găsește sub un corp mai greu decât el însuși. Cum să explic aceste dovezi?
O interpretare originală a proprietăților echilibrului este prezentată într-un tratat, Mechanica sau „Întrebări mecanice”, atribuite mai întâi lui Aristotel, dar despre care istoricii cred astăzi că a fost scrisă de un aristotelic din secolul al treilea. Înainte de era noastră. În introducerea tratatului, autorul insistă pe distincția dintre ceea ce este „prin natură” și ceea ce este „împotriva naturii”. Arta, adică știința mecanică, asigură că constrângerile impuse de natură pot fi, într-un anumit mod, deviate în beneficiul ființelor umane.
Explicația dată în acest tratat despre funcționarea balanței și, în consecință, a pârghiei, merită atenția noastră. Se bazează pe proprietățile cercului. Această figură geometrică, considerată perfectă și, prin urmare, o sursă de mirare, are o proprietate bine cunoscută. Dacă rotim un cerc în planul său în jurul centrului său, punctele de-a lungul aceluiași diametru nu au toate aceeași viteză liniară: merg mai repede cu cât sunt mai departe de centru. Acum, când balanța romană se întoarce în jurul punctului său de suspensie, capetele celor două brațe inegale descriu, în același timp, două arcuri diferite ale unui cerc. Vitezele lor sunt proporționale cu arcele descrise, deci cu razele lor, adică cu brațele balanței. La fel este și pentru pârghie: „ceea ce se întâmplă în balanță”, scrie autorul tratatului, „se reduce la cerc și ceea ce se întâmplă în pârghie la balanță”. În acest design, diferența de viteză compensează diferența de greutate și ajută la echilibrarea sau chiar ridicarea unui corp greu cu un corp mai puțin greu decât acesta.
Deși această explicație nu este exprimată clar, este de mare interes prin originalitatea sa. Interpretarea autorului despre Mechanica dă naștere, deși într-un mod confuz, tradiției dinamice. Conține implicit noțiunea de viteză virtuală (viteza foarte mică a unui corp care părăsește echilibrul), a cărei teorie modernă va fi stabilită de fizicianul Jean Bernoulli (1667-1748). Cu toate acestea, teoria modernă cere ca mișcările virtuale să fie, pe de o parte, mici și, pe de altă parte, rectilinii, ceea ce nu este cazul în Mechanica. Această dublă condiție este necesară atunci când se calculează munca virtuală a unui sistem de mai multe forțe în echilibru. Noțiunea de viteză virtuală va reapărea în opera lui Jordan de Nemore din secolul al XIII-lea (vezi caseta de la pagina 10).