Fyzika pro střední školy I 1

Fyzika pro střední školy I

1

HISTORICKÉ POZNÁMKY

Archimedes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Avogadro Amedeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Bell Alexander Graham . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Bernoulli Daniel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Boltzmann Ludwig Eduard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Boyle Robert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Brown Robert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Celsius Anders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Einstein Albert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Galileo Galilei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Gay-Lussac Joseph Louis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Hertz Heinrich Rudolf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Historie měření rychlosti zvuku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Historie parního stroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Hooke Robert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Huygens Christiaan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Charles Jacques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Joule James Prescott . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Kaplan Viktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Kepler Johannes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Mach Ernst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Mariotte Edme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Maxwell James Clerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Newton Isaac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Pascal Blaise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Poisson Siméon Denis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Thomson William – lord Kelvin of Largs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Torricelli Evangelista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Watt James . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2


ARCHIMEDES 287–212 před n. l.

Řecký matematik, fyzik a vynálezce, pocházející ze Syrakus. Jeden z nejvýznamnějších učenců starověku. Je znám především jako objevitel zákona o vztlakové síle, která nadlehčuje tělesa ponořená do kapaliny (Archimedův zákon). Vztlaková síla Fvz působící na ponořené těleso je úměrná objemu V ponořené části tělesa a hustotě %k kapaliny (Fvz = V %k g; g je tíhové zrychlení). Podstatu vztlakové síly údajně objevil při koupání v lázni, z níž vyskočil s voláním „heurékaÿ – našel jsem to. Přispěl také k rozvoji matematiky např. tím, že jako první vypočítal obvod kruhu, plochu kruhu a jeho výseče pomocí poloměru. Určil podíl délky kružnice a jejího poloměru hodnotou 22/7 ≈ 3,14, což přibližně odpovídá Ludolfovu číslu π. Jeho dílo ve fyzice se týká především mechaniky. Zkoumal jednoduché stroje a určil podmínky rovnováhy na páce, na kladce a na nakloněné rovině. Zavedl pojem moment síly a definoval těžiště tělesa. V souvislosti s poznatky o páce se mu připisuje výrok: „Dejte mi pevný bod a já pohnu zeměkoulí.ÿ Na základě nakloněné roviny navrhl konstrukci tzv. nekoneč-


3

ného šroubu (Archimedův šroub – viz obr.), který lze použít k čerpání vody nebo k dopravě sypkých materiálů. Znalosti o jednoduchých strojích využil ke konstrukci složitějších zařízení, např. vrhacích strojů na vrhání balvanů, které byly použity k obraně Syrakus. Věnoval se i optice. Zkoumal odraz světla na kulovém zrcadle. O Archimedově smrti se traduje, že zahynul, když po dlouhém obléhání pronikla římská vojska do Syrakus. Archimedes právě zkoumal geometrický obrazec nakreslený v písku, když se k němu přiblížil římský voják, Archimedes zvolal: „Nedotýkej se mých kruhů,ÿ ale rozzuřený voják ho probodl.


4

AMEDEO AVOGADRO hrabě z Quaregna a Ceretta 1776–1856

Italský matematik a fyzik, celým jménem Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro, se narodil v Turíně. Původně se stal právníkem, v roce 1800 začal soukromě studovat matematiku a fyziku. V roce 1809 se stal profesorem fyziky ve Vercelli a v roce 1820 profesorem matematické fyziky na univerzitě v Turíně. Věnoval se především bádání v oblasti atomové a molekulární fyziky a chemie. Jeho přínosem jsou přesné definice pojmů atom, molekula a ekvivalent. Prozkoumal elektrochemickou řadu napětí a její vztah k afinitě (příbuznosti) chemických prvků mezi sebou. Stanovil měrné teplo mnoha pevných, kapalných a plynných látek. Využíval při své vědecké práci v chemii a fyzice matematické metody. V roce 1811 publikoval ve francouzském časopisu Journal de Physique hypotézu, která byla později na jeho počest nazvána Avogadrův zákon (různé plyny o stejném objemu, tlaku a teplotě obsahují stejný počet atomů nebo molekul). Za svého života se však potvrzení a uznání hypotézy nedočkal, protože ji nedokázal přesně experimentálně potvrdit a nebyla publikována v seriózní vědecké literatuře. Po Avogadrovi pojmenovaná konstanta udává počet částic, které jsou obsaženy v jednom molu látky NA = 6,022 · 1023 mol–1 . Nejdůležitějším Avogadrovým dílem je čtyřsvazkové dílo Fisica de’ corpi ponderabili, které bylo publikováno v letech 1837 až 1841.

5


ALEXANDER GRAHAM BELL 1847–1922 Narodil se v Edinburghu a od útlého věku vykazoval talent pro umění a postupem času se stále více zajímal o fungování světa kolem sebe a začal provádět první experimenty. Vystudoval univerzity v Edinburghu a v Londýně a již v průběhu svých studií se začal zabývat akustikou ve snaze pomoci své neslyšící matce. Po ukončení studií se začal intenzivněji zabývat studiem fonetických zákonitostí lidských mluvidel, v oboru fyziologie lidské řeči získal titul profesora. V roce 1870 jeho rodiče emigrovali do Kanady, kde se dále zabýval studiem lidské mluvy a sluchu, ale také zkoumal možnosti komunikace za pomoci elektrické energie, ve výzkumech pokračoval i později v Bostonu. Celý svůj život zasvětil zvuku a metodám jeho přenášení. Je autorem mnoha převratných vynálezů, avšak mezi jeho nejvýznamnější patenty se řadí sestrojení prvního funkčního telefonu v roce 1876 a sestavení gramofonu v roce 1884. Vynález telefonu byl výsledkem jeho snah o zvýšení přenosové rychlosti telegrafu, který v té době umožňoval posílat v jeden okamžik pouze jednu depeši. Bell se zabýval konstrukcí přístroje, který také využíval Morseovy abecedy (kombinace teček a čárek), ale byl schopný přenést v jednom okamžiku více zpráv. Princip spočíval v tom, že signály jednotlivých zpráv byly odesílány s použitím různě vysokých frekvencí. Bell ve svém prvním telefonu použil membránu jak v mikrofonu, tak i ve sluchátku. Membrána kmitala v blízkosti cívky navinuté na ocelovém magnetu. Takové uspořádání bylo nejen jednoduché, ale nepotřebovalo baterii ani na přijímací, ani na vysílací straně. Původní indukční mikrofon byl málo citlivý a byl nahrazen uhlíkovým odporovým mikrofonem, který byl používán ještě nedávno. Po řadě experimentů našel membránu správných parametrů a dne 2. června 1875 se mu podařilo elektricky přenést tón a v roce 1876 získal patent na svůj přístroj pro přenos řeči. Na jeho počest je jednotka hladiny intenzity zvuku, popř. elektrických signálů nazvána bel. V praxi se častěji používá menší jednota decibel, dB.

6


DANIEL BERNOULLI 1700–1782

Švýcarský fyzik a matematik, který pocházel z významné rodiny švýcarských matematiků a fyziků. Narodil se v holandském Groningenu, mládí prožil v Basileji, kde roku 1721 ukončil studium medicíny. V roce 1725 dostal pozvání do Ruska, aby se zde stal profesorem matematiky v petrohradské Akademii věd. Z Ruska odešel v roce 1733 a přednášel matematiku, botaniku, fyziku a anatomii na univerzitách v Basileji a v Groningenu. Zasazoval se o rozšíření newtonovské mechaniky v Evropě a sám vyřešil řadu základních fyzikálních problémů. V roce 1738 vyšlo jeho stěžejní dílo Hydrodynamica, ve kterém jsou shrnuty výsledky jeho experimentálního i teoretického studia kapalin včetně proslulé Bernoulliho rovnice, která popisuje proudění tekutin. Touto prací položil základy celého nového oboru fyziky, hydrodynamiky. V dodatku k výše uvedenému dílu se věnoval i plynům. Věřil, že se plyny skládají z částic a vytvořil vůbec první kinetickou teorii plynů. Považoval plyny za „pružnou kapalinuÿ složenou z částic a pro jejich popis použil teorii pravděpodobnosti. Vůbec poprvé v dějinách vědy se mu tak podařilo odvodit z úvah o mikroskopické struktuře plynů makroskopické rovnice, popisující jejich chování při změnách tlaku a teploty. Touto teorií však dalece předstihl svou dobu a nenašel v celé Evropě odezvu. Příčinou byl odpor většiny evropských vědců k částicové atomistické koncepci hmoty. Bernoulliho teorie plynů musela čekat na své znovuobjevení dalších 100 let.

7


LUDWIG EDUARD BOLTZMANN 1844–1906 Rakouský teoretický fyzik, studoval fyziku na univerzitách ve Vídni, Heidelbergu a v Berlíně, doktorát získal v roce 1866 za práci o kinetické teorii plynů. Byl členem rakouské, italské, německé a švédské Akademie věd a členem Královské společnosti v Londýně. Byl zakladatelem kinetické teorie plynů, spoluobjevitelem Stefanova-Boltzmannova zákona o intenzitě vyzařování. Zákon určuje závislost celkové energie vyzařované absolutně černým tělesem na teplotě: Celková intenzita vyzařování absolutně černého tělesa je přímo úměrná čtvrté mocnině jeho termodynamické teploty. Absolutně černé těleso je abstraktní fyzikální pojem pro těleso, které dokonale pohlcuje veškerou energii dopadajícího záření. Zavádí se proto, aby bylo možné při popisu zákonitostí tepelného záření vliv tělesa vyloučit. Vlastnostem černého tělesa se nejvíce blíží dutina, jejíž vnitřní plocha je pokryta matnou černou látkou. Jestliže malým otvorem v dutině proniká dovnitř paprsek elektromagnetického záření, opakovanými odrazy od stěn se veškerá energie záření pohltí. Boltzmann byl jedním ze zakladatelů statistické fyziky, což je obor fyziky, která se zabývá obecnými vlastnostmi a zákonitostmi makroskopických soustav, které se skládají z velkého počtu částic. Při studiu těchto soustav vychází statistická fyzika z vlastností částic, které tvoří soustavu, a z jejich vzájemného působení. Zákon, který platí pro takovou soustavu, se nazývá statistický zákon, jedním z nich je Maxwellovo-Boltzmannovo rozdělení. Popisuje rozdělení molekul ideálního plynu podle rychlostí a souřadnic za předpokladu, že se plyn nachází ve vnějším silovém poli. Důležitým pojmem statistické fyziky (statistické mechaniky) je od roku 1887 také Boltzmannova konstanta, která vyjadřuje vztah mezi teplotou a energií molekul plynu a také úzce souvisí s poznatky o entropii (jedna ze stavových veličin, která charakterizuje stav termodynamické soustavy).

8


ROBERT BOYLE 1627–1691

Anglický přírodovědec, který byl zakladatelem chemie jako přírodní experimentální vědy. Jako výborný analytický myslitel se stal spoluzakladatelem Royal Society (Královské společnosti pro vědu). Jeho přesná pozorování přírody, která byla spojena s výstižnými teoretickými formulacemi, překonala středověkou alchymii a vytvořila podklady pro moderní chemický výzkum. V roce 1661 napsal knihu The Sceptical Chymist (Skeptický chemik ), ve které pochybuje o věrohodnosti alchymie. V tomto spisu vymezil základní chemické pojmy: prvek, sloučenina a směs. Boyle objevil a prostudoval mnoho chemických reakcí, zavedl používání rostlinných barviv jako důkazu kyselosti a zásaditosti (např. lakmus), poznal srážení nerozpustných sloučenin z roztoků solí kovů, provedl suchou destilaci dřeva. Při provádění experimentů s plyny se velmi přiblížil k objevení kyslíku. Navázal na práce německého přírodovědce Otto Von Guericka o vzduchoprázdnu a vylepšil jeho vzduchovou pumpu. V roce 1662 nezávisle na E. Mariottovi zjistil, že při stálé teplotě je pro stálé množství ideálního plynu součin jeho objemu a tlaku konstantní. Později byl objev označen jako Boyleův-Mariottův zákon.

9


ROBERT BROWN 1773–1858 Anglický botanik, který vystudoval medicínu na univerzitě v Edinburghu. V roce 1795 vstoupil do armády jako lékař a od roku 1800 pracoval jako přírodovědec na palubě lodi Investigator, která mapovala pobřeží Austrálie. Po návratu do Anglie pět let zpracovával nasbíraný materiál a v roce 1810 publikoval své výsledky v první systematické zprávě o australské květeně. V roce 1827 pozoroval mikroskopem pohyb pylových zrn v kapce vody a zjistil, že pohyb zrnek je tím živější, čím jsou zrnka menší. Nejprve se domníval, že pohyb zrnek je způsoben jejich životem. Při pokusu, ve kterém sledoval částečky barviva rozptýlené ve vodě, zjistil také jejich pohyb. Pohyb částeček, který se dá pozorovat pod mikroskopem, je znám jako Brownův pohyb. Brownův pohyb je přesvědčivým potvrzením představ kinetické teorie plynů o neustálém a neuspořádaném pohybu molekul. Částice o malých rozměrech (řádově mikrometry) vykonávají trhavý pohyb, který je vyvolán působením molekul vody, které ze všech stran na malé částice narážejí. Úplné teoretické vysvětlení Brownova pohybu vytvořili v letech 1905 až 1906 A. Einstein a M. Smoluchowski. Marian Smoluchowski (1872 až 1917) byl polský fyzik, profesor univerzit ve Lvově a v Krakově, který v roce 1904 vypracoval teoretickou studii na objasnění Brownova pohybu. V roce 1905 podstatu tohoto jevu teoreticky objasnil A. Einstein, který vycházel z kinetické teorie látek. Základem této teorie jsou tři experimentálně ověřené poznatky: 1. Látka jakéhokoliv skupenství se skládá z částic. 2. Částice se v látce neustále a neuspořádaně (chaoticky) pohybují. 3. Částice na sebe navzájem působí silami, které jsou při malých vzdálenostech odpudivé a při větších vzdálenostech přitažlivé.

10


ANDERS CELSIUS 1701–1744

Švédský astronom, fyzik, geodet a matematik, který studoval na univerzitě v Uppsale, kde byl ve 29 letech jmenován profesorem astronomie. Navrhl teplotní stupnici, ověřil Newtonovu hypotézu zploštění Země na pólech, je po něm nazván minerál celsian. Byl prvním fyzikem, který předvedl a publikoval pečlivé experimenty, které měly za cíl definování mezinárodní teplotní stupnice na vědeckém základu. Při svých výzkumech sestrojil vlastní pomůcku na měření teploty, skleněnou trubičku naplněnou rtutí reagující na změnu teploty změnou objemu. Dva pevné body připojené stupnice odvodil Celsius od bodu varu vody a bodu tání ledu. Dokázal, že teplota tání ledu není závislá na zeměpisné šířce ani na atmosférickém tlaku, zatímco teplota varu vody na atmosférickém tlaku závisí. Měření, která provedl ohledně závislosti teploty varu vody na atmosférickém tlaku, jsou přesná i na dnešní dobu. V roce 1742 navrhl Celsiovu teplotní stupnici se 100 dílky, která byla původně obrácená, bod varu vody měl 0 stupňů a bod tání ledu 100 stupňů. Ve stejném roce uveřejnil své nejproslulejší dílo, spis o měření tepla Pozorování o dvou neměnných stupních na teploměru. V roce 1745 byla na podnět biologa Carla Von Linné stupnice obrácena do známé podoby.


11

Celsius se zúčastnil geodetické výpravy do Laponska organizované francouzskou Akademií věd, jejímž cílem bylo změření délky jednoho stupně zeměpisné délky v těchto zeměpisných šířkách a její porovnání s měřením podobné expedice v Peru. Měření potvrdila tvrzení I. Newtona, že Země je na pólech zploštěná. Svou účastí na expedici se stal velmi známým a respektovaným vědcem, a tak mu švédské úřady poskytly finanční prostředky na vybudování Celsiovy observatoře, která byla vybavená nejmodernějšími přístroji, jež získal na svých cestách po cizině. Věnoval se také měření intenzity záření hvězd, pozoroval polární záře, zatmění Slunce a jiné astronomické jevy a objekty. Celsius napsal mj. veřejností velmi kladně přijímanou učebnici Aritmetika pro švédskou mládež, kterou vydal v roce 1741. Psal však také básně, a v jeho pozůstalosti byl nalezen náčrt sci-fi románu, odehrávajícího se na hvězdě Sirius.

12


ALBERT EINSTEIN 1879–1955 Německý fyzik, který v roce 1933 emigroval do USA, protože mu ve vlasti hrozilo vzhledem k židovskému původu pronásledování. Proslul především tím, že zformuloval základní myšlenky speciální teorie relativity (1905) a obecné teorie relativity (1907), které zásadním způsobem mění chápání zákonitostí přírody, jak k nim dospěla do konce 19. století klasická fyzika. Fyzikálními problémy se Einstein začal zabývat již jako úředník patentového úřadu v Bernu (Švýcarsko), kde pracoval do roku 1907. Pak působil jako profesor teoretické fyziky v Curychu, v Praze (1911–1912) a v Berlíně jako ředitel Fyzikálního ústavu. Po emigraci do USA byl až do konce života profesorem v Princetonu. Speciální teorie relativity je založena na dvou principech. Prvním principem je poznatek, že ve všech vztažných soustavách, které se navzájem pohybují stálou rychlostí, platí stejné fyzikální zákony. Druhý princip stanoví, že ve všech těchto soustavách má světlo stejnou rychlost, která nezávisí na vzájemném pohybu zdroje světla a pozorovatele. Tyto principy vedou k řadě významných důsledků, jako je prodloužení časového intervalu (dilatace času), nebo zkrácení délky tělesa (kontrakce délky) ve směru pohybu ve vztažné soustavě, která se vzhledem k pozorovateli pohybuje velikou rychlostí apod. Nejznámějším důsledkem speciální teorie relativity je souvislost změn hmotnosti m tělesa a jeho energie E vyjádřená vztahem E = mc2 (c je rychlost světla). Einsteinova genialita se projevila i v jiných oborech fyziky. Vypracoval např. teorii kapilárních jevů (1901), teorii Brownova pohybu (1905) a zejména teorii fotoelektrického jevu, za kterou obdržel v roce 1921 Nobelovu cenu. Einstein byl také přesvědčeným pacifistou, podporoval ideály demokracie a uvědomoval si odpovědnost vědců za řešení problémů mírového soužití lidstva. Celým životem prokázal, že není jen jedním z největších fyziků v dějinách, ale i velkou morální autoritou 20. století.

13


GALILEO GALILEI 1564–1642

Italský učenec, zakladatel moderní přírodovědy, v níž se uplatňuje pozorování přírodních dějů a experiment. I když převážně působil na různých univerzitách (v Pise, Padově, Florencii) jako profesor matematiky, proslul svými objevy ve fyzice a v astronomii. Je považován za průkopníka experimentu ve vědeckém bádání, protože experiment chápal jako vědeckou metodu zkoumání přírody. Jako první použil k astronomickým pozorováním dalekohled a dospěl k řadě významných objevů. Zjistil, že Mléčná dráha se skládá z nesmírného množství hvězd, objevil čtyři měsíce planety Jupiter, fáze planety Venuše, prstenec planety Saturn, krátery a pohoří na povrchu Měsíce a pozorováním slunečních skvrn dospěl k závěru, že Slunce se otáčí. Tyto objevy vedly k novému pohledu na uspořádání vesmíru a podporovaly Koperníkovo učení. Tím se Galileo dostal do nepřízně představitelů katolické církve a musel svoje názory obhajovat před inkvizicí. Po mnohaletých sporech s církví Galileo ve vysokém věku svoje učení odvolal. Podle legendy po skončení soudního procesu prohlásil: „Eppur si muove! ÿ (A přece se točí!)


14

Jeho vědecké dílo ve fyzice se soustředilo především na mechaniku. Studoval různé druhy pohybu a snažil se je matematickými prostředky popsat. Pro řešení problémů kinematiky zavedl pojmy rychlost a zrychlení. Prvním objevem bylo, že doba kyvu kyvadla nezávisí na rozkyvu kyvadla, pokud je rozkyv malý. V období působení v Pise se zabýval problematikou volného pádu, kterou už ve svém učení popisoval řecký filozof Aristoteles, podle kterého „těžká tělesa padají rychleji než lehkáÿ. Galileo údajně prováděl pokusy s volným pádem těles na pověstné šikmé věži v Pise a zjistil, že tento pohyb je rovnoměrně zrychlený. Vyvrátil Aristotelovu domněnku a dokázal, že všechna tělesa padají na určitém místě k Zemi se stejným zrychlením. Pozorované odchylky jsou způsobené odporovou sílou vzduchu. Zkoumal pohyb po nakloněné rovině a vrhy těles, což jsou pohyby složené z přímočarého pohybu a volného pádu. Je autorem Galileova principu relativity, který řeší popis pohybu ve vztažných soustavách, které se vůči sobě pohybují stálou rychlostí. Tato rychlost však musí být mnohem menší než rychlost světla. Obdobný problém pro velké, tzv. relativistické rychlosti vyřešila až Einsteinova speciální teorie relativity ve 20. století. Galileo vykonal průkopnickou práci při překonávání středověkých názorů na svět a zahájil ve fyzice novou etapu, kterou svým dílem dovršil Newton.

15


JOSEPH LOUIS GAY-LUSSAC 1778–1850

Francouzský chemik a fyzik, který působil jako profesor fyziky na Sorbonně a jako profesor chemie na Polytechnice v Paříži. Prováděl pozorování fyzikálních a chemických vlastností plynů, prozkoumal vlastnosti boru, sodíku, draslíku, jodu, kyanovodíku a dikyanu (jedovatý plyn, který voní po mandlích), zdokonalil komorový způsob výroby kyseliny sírové v tzv. Gay-Lussacově věži, kterou navrhl. Svými přesnými chemickými měřeními a exaktními pracovními postupy se mu podařilo izolovat mnoho prvků, a tak položit základy analýzy jako samostatného odborného směru v chemii. V oblasti fyziky se proslavil také dvěma výstupy v balonu do výšky přibližně 7 000 m, během kterých zkoumal vyšší vrstvy atmosféry. Jako uznávaný vědec se vyjadřoval i k technickým problémům, např. k bezpečnosti parních strojů, k instalaci hromosvodů. V roce 1802 zjistil, že objem plynu je přímo úměrný teplotě; tato závislost byla později pojmenována jako Gay-Lussacův zákon: Při izobarickém ději je objem plynu stálé hmotnosti přímo úměrný termodynamické teplotě.

16


HEINRICH RUDOLF HERTZ 1857–1894

Německý fyzik, který se zapsal do historie fyziky tím, že experimentálně dokázal existenci elektromagnetických vln a prozkoumal jejich vlastnosti. Tyto pokusy také potvrdily správnost teorie vypracované anglickým fyzikem J. C. Maxwellem, podle které jsou změny elektrického a magnetického pole spojeny se vznikem elektromagnetických vln stejné fyzikální podstaty, jako je světlo. V době vzniku Maxwellovy teorie o její správnosti mnoho fyziků pochybovalo. Hertz však byl jejím přesvědčeným zastáncem a uskutečnil pokusy, které nejen teorii o vzniku elektromagnetických vln potvrdily, ale předznamenaly technické využití elektromagnetických vln pro bezdrátový přenos zpráv. Tím byla otevřena cesta k novým prostředkům sdělovací techniky, jako je rozhlas, televize a další radiotechnická zařízení, bez nichž si život moderní společnosti neumíme představit. Aby bylo možné prokázat souvislost světla a elektromagnetických vln, bylo třeba vytvořit zdroj elektromagnetických vln o co nejmenší vlnové délce. To se Hertzovi podařilo konstrukcí zvláštního oscilátoru (Hertzův oscilátor ), který tvořily dva dráty zakončené kovovou kuličkou. Dráty byly umístěny tak, že kuličky byly v malé vzájemné vzdálenosti a byly připojeny ke zdroji vysokého napětí. Mezi kuličkami přeskakovaly jiskry a při


17

každém jiskrovém výboji vznikaly elektrické kmity, jejichž energii vyzařovaly dráty oscilátoru do prostoru. Toto pokusné zařízení fungovalo jako vysílač decimetrových vln, jaké se dnes používají k šíření signálu televize nebo rozhlasu v pásmu VKV. K příjmu elektromagnetických vln sloužil rezonátor v podobě kovové smyčky přerušené jiskřištěm. Jestliže na rezonátor dopadaly elektromagnetické vlny, mezi kuličkami jiskřiště přeskakovaly nepatrné jiskry. Tak se Hertzovi podařilo poprvé uskutečnit přenos elektromagnetických vln, zatím jen na vzdálenost přibližně 10 m. Hertz byl profesorem fyziky v Karlsruhe a v Bonnu a zkoumal i další fyzikální jevy, např. fotoelektrický jev a katodové záření. Jeho největším přínosem však zůstává položení základů radiotechniky. Na jeho počest je pojmenována jednotka kmitočtu hertz, Hz.


18

HISTORIE MĚŘENÍ RYCHLOSTI ZVUKU

Historie měření rychlosti zvuku sahá až do 17. století. První, kdo se pokusil změřit rychlost zvuku ve vzduchu, byl františkánský mnich Marin Mersenne (1588 až 1648). Napadlo jej, aby jeho přítel střílel z kanonu a sám ve větší vzdálenosti měřil čas mezi zábleskem u hlavně při výstřelu a okamžikem, kdy k němu dorazil zvuk výstřelu. Neměl však k dispozici přesné hodiny, a tak počítal údery vlastního srdce. Jeho odhad byl kolem 430 m/s. V roce 1788 další dva francouzští vědci vystřelili z děl vzdálených 18 km od sebe. Druhé dělo sloužilo pro kontrolu výsledku. Mezi děly byla vzdálenost tak veliká, že se oba vědci mohli pozorovat dalekohledy. Opět měřili čas, který uplynul mezi záblesky a zaduněním výstřelů. Na ještě přesnější měření však další vědci potřebovali speciální vybavení. Proto francouzský vědec Henri Regnault (1810 až 1878) sestrojil důmyslný přístroj, v němž se otáčel pravidelnou rychlostí válec a zapisovač kreslil čáru na jeho povrchu. Zapisovač byl ovládán dvěma elektrickými obvody. Regnault vystřelil z pistole, která byla připojena k jednomu z obvodů. Zvuk z výstřelu zaregistrovala membrána, tím se obvod přerušil a zapisovač se posunul do nové pozice. Obvod se následně propojil a zapisovač se vrátil do původní pozice. Regnault znal rychlost, se kterou se


19

válec otáčel. Změřil vzdálenost mezi značkami a zjistil, jak rychle pokus proběhl. Naměřil rychlost zvuku ve vzduchu 1 220 km/h. Ve vodě poprvé přesně měřili rychlost zvuku v roce 1827 Charles Sturm a Jean Daniel Colladon. Dvě lodě navzájem vzdálené 13 487 m umístili na ženevském jezeře. Ve stejný okamžik odpálili střelný prach a přitom speciální zařízení udeřilo do zvonu ponořeného pod hladinou vody. Na druhé loďce pak druhý pozorovatel zjistil rozdíl mezi akustickým a optickým signálem 9,4 s. Tomu odpovídala rychlost zvuku ve vodě asi 1 435 m/s.


20

HISTORIE PARNÍHO STROJE Vývoj parního stroje trval více než 100 let a podíleli se na něm tři vynálezci z Anglie, a to Thomas Savery (londýnský inženýr), Thomas Newcomen (kovář a obchodník se železem) a James Watt (inženýr a vynálezce). Thomas Savery si dal v roce 1698 patentovat parní stroj, který se používal na pumpování vody. Bylo to vlastně čerpadlo, které nemělo žádné pohyblivé součásti, ale bylo to první zařízení, ve kterém pára vykonávala užitečnou práci. Hlavní částí čerpadla byla tlaková nádoba, ve které byl nahoře přívod páry z kotle a dole sací a výtlačné potrubí. Zařízení fungovalo tak, že se přívodním potrubím přivedla do nádoby pára a pak se přívod uzavřel. Potom se na tuto kovovou nádobu pustila studená vodní sprcha, čímž pára uvnitř kondenzovala, otevřel se sací ventil a sacím potrubím se z dolu do nádoby nasála voda. Sací ventil se uzavřel a otevřel ventil ve výtlačném potrubí. Do nádoby se pustila pára, která vodu vytlačila do výtlačného potrubí, a celý cyklus se opakoval. O další etapu ve vývoji parních strojů se zasloužil Thomas Newcomen, který byl přesvědčen o tom, že lze vylepšit Saveryho čerpadlo. Zkonstruoval vahadlový parní stroj, který měl kotel oddělený od parního stroje. Tlaková nádoba byla nahrazena válcem, který byl nahoře uzavřen pístem. Pod píst byla přivedena pára, která ho posunula vzhůru, pod píst se pustila voda a pára zkondenzovala. Atmosférický tlak působící nad pístem pak stlačil píst dolů a celý cyklus se opakoval. Píst byl spojen s pístnicí, která byla spojená s jedním ramenem velkého dřevěného vahadla. Druhý konec vahadla byl spojen s vodním čerpadlem, které čerpalo vodu z uhelných dolů. Při dvanácti zdvizích za minutu přepravilo čerpadlo 540 litrů vody. Jednalo se vlastně o tzv. jednočinný atmosférický parní stroj, ve kterém pára působila na píst pouze z jedné strany, zpětný pohyb zajišťoval atmosférický tlak. Významný pokrok u uvedeného vynálezu představoval jednoduchý automatický rozvod, který ve stanovené okamžiky otevíral a uzavíral jednotlivá potrubí. Třetím mužem, který se podílel na vývoji parních strojů, byl Skot James Watt, který je díky soustavnému vylepšování Newcomenova vynálezu považován za vynálezce prvního parního stroje. Základem parního stroje je pracovní válec s pístem, který se pohybuje působením horké páry přiváděné do válce. Činnost parního stroje se podstatně zlepšila tím, že Watt opatřil stroj zvláštním kondenzátorem, umístěným mimo pracovní válec (odpadla tak nutnost pravidelného ochlazování silnostěnného

21


parního válce). V něm se pára po vykonání práce měnila zpět na vodu. Uvedené zlepšení si nechal patentovat v roce 1769. Dalším pokrokem bylo použití setrvačníku, pomocí kterého byl posuvný pohyb pístu převáděn na otáčivý pohyb, což je nezbytné pro plynulý pohon dalších strojních zařízení. V letech 1782 až 1784 zkonstruoval dvojčinný parní stroj, ve kterém pára působila na píst střídavě z obou stran (obr. 1). Velké kolísání otáček Watt odstranil tím, že zkonstruoval jednoduše řešený odstředivý regulátor otáček (obr. 2). Jeho základem je dvojice pák s koulemi na konci. Při zvyšování otáček parního stroje se zvětšovala odstředivá síla působící na koule, rostla jejich vzdálenost od osy otáčení a pohyb koulí se pákami přenášel na záklopku, která omezila přívod páry. To mělo za následek zmenšení otáček stroje. Wattův odstředivý regulátor tak představuje první zařízení pro automatickou regulaci. Wattovy vynálezy hrály důležitou roli v průmyslové revoluci, parní stroj se používal jako zdroj energie v továrnách, v roce 1783 byl poprvé použit pro pohon prvního prototypu parolodi a v roce 1804 byl použit v první parní lokomotivě, kterou postavil britský vynálezce R. Trevithick.

Obr. 1

Obr. 2

22


ROBERT HOOKE 1635–1703

Anglický přírodovědec, který od roku 1665 působil jako profesor geometrie na univerzitě Gresham-College v Londýně. Jako všestranný badatel se zabýval fyzikálně-technickými konstrukcemi a výzkumy, pozorováními pomocí mikroskopu, meteorologickými a astronomickými problémy i geologickými otázkami. Jeho fyzikální výzkumy ho přivedly k učení o vlnách, v roce 1665 vysvětlil světlo jako rychlý vibrující pohyb. Jeho hlavní dílo, ve kterém je popsána mikroskopická technika, Micrographia, vzniklo v roce 1665 a obsahovalo řadu biologických objevů i obrazů živočišného, rostlinného a minerálního mikrosvěta. K poznatkům se dopracoval pomocí vlastnoručně zkonstruovaného mikroskopu, který v té době poskytoval největší zvětšení – 30krát. Společně s nizozemským matematikem a fyzikem Ch. Huygensem, doporučili zvolit bod tání ledu za nulový bod teplotní stupnice. Zkonstruoval také četné fyzikální a technické přístroje, např. rtuťový barometr s kruhovou stupnicí, spirálové pero pro hodiny, zrcadlový dalekohled, přístroj pro měření síly větru. Hooke vysvětlil ve svém spisu De potentia restitutiva zákon o proporcionalitě mezi pnutím a vychylováním, který sám objevil. Formuloval přitom poprvé základní myšlenky učení o pružnosti. Zákon z roku 1678, podle kterého deformace pružného tělesa je přímo úměrná síle, která ji způsobila, byl později označen jako Hookeův zákon.

23


CHRISTIAAN HUYGENS 1629–1695

Holandský všestranný přírodovědec se narodil v Haagu, v 16 letech začal studovat právo a ve 20 letech se stal doktorem práv. V průběhu vysokoškolských studií se věnoval i studiu matematiky, mechaniky a astronomie. Zabýval se teorií světla, sestrojil dalekohled, zpracoval teorii fyzikálního kyvadla a zkonstruoval kyvadlové hodiny. Objevil mlhovinu v souhvězdí Orion, Saturnův měsíc Titan a vysvětlil podstatu Saturnových prstenců. Je po něm pojmenována evropská planetární sonda, která byla určená k průzkumu atmosféry a povrchu největšího Saturnova měsíce Titanu. V roce 1657 zveřejnil sdělení o svém vynálezu kyvadlových hodin (tzv. pendlovky) s netlumeným pohybem kyvadla, do kterých později zabudoval soustavu setrvačníku a pružiny. Vynález podrobně popsal ve spisu Horologium oscillatorium (Kyvadlové hodiny). V roce 1678 předložil pařížské Akademii věd svou práci, ve které popsal vlnovou povahu světla, která byla zveřejněná tiskem v roce 1690 pod názvem Traité de la Lumi`ere (Pojednání o světle). Hyugens vyslovil všeobecný princip, který umožňuje určit směr světelného paprsku. Podstata tohoto principu, který se nazývá Huygensův princip, spočívá v tom, že libovolný bod vlnoplochy, do kterého dospělo vlnění v určitém časovém


24

okamžiku, je zdrojem elementárního vlnění, které se z něho šíří v elementárních vlnoplochách. Vlnoplocha v dalším časovém okamžiku je vnější obalová plocha všech elementárních vlnoploch. Těsně před koncem života napsal své hlavní dílo Cosmotheoros, ve kterém jsou populární formou shrnuty veškeré astronomické poznatky o vesmíru. Dílo vyšlo až po jeho smrti v roce 1698. O povaze světla byly vytvořeny dvě odporující si teorie, teorie korpuskulární (částicová) a teorie vlnová. Teorie korpuskulární byla vybudovaná anglickým fyzikem I. Newtonem a světlo považuje za nepatrné částice proudící přímočaře ze zdroje světla. Téměř současně s Newtonovou teorií se začala prosazovat myšlenka Ch. Huygense, že světlo je určitým druhem vlnivého pohybu. Svítící bod vykonává rychle se střídající kmity, které se přenášejí na nehmotné prostředí zvané éter, a následkem jeho pružnosti se šíří všemi směry. O hypotetickém, uměle vytvořeném pojmu éter se předpokládalo, že vyplňuje prázdný prostor (vakuum) a proniká do pórů průhledných látek.

25


JACQUES CHARLES 1746–1823

Francouzský fyzik, technik a průkopník vzduchoplavby, celým jménem Jacques Alexandre César Charles, se narodil v Beaugency. Projevoval zájem o fyziku, ve které získal hluboké znalosti a dovednosti. Zasloužil se o objevení zákonů pro děje v plynech (např. Charlesův zákon), prováděl pokusy s balony plněnými vodíkem. V roce 1783 vypustil v Paříži svůj první balon o průměru 4 m, jehož povrch byl impregnován pryžovým roztokem. Po přistání v Gonesse ale vyděšení obyvatelé vesnice balon vidlemi zničili. Ve stejném roce se podařil Charlesovi první start balonu s lidskou posádkou, kterou tvořil on a mechanik Nicolas Louis Robert. Let z Paříže do Nesle trval 2 hodiny a vzduchoplavba vzbudila v Paříži veliké nadšení, např. Ludvík XVI. nechal poté zařídit Charlesovi v Louvru nejlepší fyzikální kabinet v Evropě. V roce 1802 vynalezl J. Charles episkop, kterým bylo možné promítat na bílou stěnu zvětšené obrazy neprůsvitných plošných objektů. V episkopu byl vestavěn velmi silný zdroj světla, který osvětloval plochu určenou k zobrazení. Světelné paprsky odražené od zobrazovaného předmětu byly usměrněny projekčním zrcadlem do horizontální roviny a odtud do objektivu, který promítl značně zvětšený obraz neprůsvitného předmětu na stěnu umístěnou ve vzdálenosti několika metrů od projekčního přístroje.

26


JAMES PRESCOTT JOULE 1818–1889

Anglický fyzik, který obohatil fyziku tím, že zformuloval a také experimentálně ověřil zákon zachování a přeměny energie. Je rovněž jedním ze zakladatelů kinetické teorie plynů, která vysvětluje vlastnosti plynů a děje v plynech pohybem a vzájemným působením molekul, z nichž se plyn skládá. Joule se narodil v rodině majitele pivovaru a jeho život byl poměrně dlouho spjat s prací v pivovaře, který později vlastnil. Vždy však měl vědecké zájmy a od roku 1854 se již věnoval jen vědecké práci. Joule na sebe upozornil vynálezem elektrického motoru, v němž jako první využil otáčení vodiče s proudem v magnetickém poli. Zajímal se také o přesné měření elektrického proudu a navrhl, aby za jeho jednotku byl použit proud, který rozloží jeden gram vody na vodík a kyslík. Pro rozvoj fyziky však mají největší význam práce, v nichž zkoumal přeměny elektrické energie na teplo. Zjistil, že teplo, které se ve vodiči vyvine za jednotku času, je úměrné druhé mocnině proudu (Jouleův zákon). Při pokusech, jimiž zákon ověřoval, dospěl také k závěru, že se obdobně jako elektrická energie mění na teplo mechanická energie. Sestrojil zvláštní experimentální zařízení, v němž dvě závaží na vláknech uváděla přes kladky do pohybu lopatkové kolo ponořené do nádoby s vodou. Zařízení umožnilo porovnat mechanickou práci vykonanou pohybem závaží


27

a teplo, které přijala voda v důsledku tření mezi lopatkovým kolem a vodou. Experiment prokázal správnost Jouleových představ a je považován za názornou demonstraci zákona zachování a přeměny energie (Jouleův pokus). Na řadě vědeckých prací se podílel také další významný anglický fyzik W. Thomson (lord Kelvin). Společně např. objevili, že plyn, který se rozpíná do prázdného prostoru, se značně ochladí. Tento Jouleův-Thomsonův jev má praktický význam při zkapalňování plynů. Joule byl členem Královské společnosti v Londýně a na jeho počest byla jednotka práce a energie pojmenována joule, J.

28


VIKTOR KAPLAN 1876–1934 Rakouský strojní inženýr, který působil od roku 1903 jako asistent na německé Vysoké škole technické v Brně. V roce 1913 se stal vedoucím katedry teorie a stavby vodních motorů a v roce 1918 byl jmenován řádným profesorem. Čestný doktorát získal v roce 1926 na Vysoké škole technické v Praze a v roce 1934 na Vysoké škole technické v Brně. Druhého čestného doktorátu se nedožil, zemřel 23. 8. 1934 na mozkovou mrtvici. Výročí jeho narození patří od roku 1976 mezi světová kulturní výročí UNESCO. Věnoval se zejména vývoji a konstrukci vodních turbín. V roce 1910 zřídil ve sklepní místnosti brněnské techniky první turbínovou laboratoř, kde prováděl za podpory slévárny a strojírny Ignáce Storka své pokusy. Zkoumal nejvhodnější parametry Francisových turbín a modifikoval je pro různé hodnoty průtoků a spádů. Rozšiřoval mezilopatkové kanály Francisovy turbíny, až nakonec dospěl k oběžnému kolu, které svým tvarem připomínalo lodní šroub, ale s natáčivými lopatkami. V roce 1913 přihlásil patent na vodní rychloběžnou turbínu, schopnou využívat vodní energii malých spádů, s velkou rychloběžností a s vysokou účinností ve velkém regulačním rozsahu. O rok později ukončil vývojové práce na této turbíně, která nese jeho jméno a je využívána pro průtočné vodní elektrárny. Kaplanova turbína je přetlaková vodní turbína s radiálním rozvaděčem a axiálním oběžným kolem s malým počtem (3 až 10) natáčivých lopatek. Natáčením lopatek oběžného kola podle měnícího se průtoku vody se optimálně nastavují jejich úhly vzhledem k vodnímu proudu, a je tak zachována vysoká účinnost turbíny i při nižším průtoku vody. Používá se pro spády od 1 do 70,5 m (což je spád vodní elektrárny na Orlíku) a průtoky 0,15 m3 /s až několik desítek m3 /s. Největší průtok na světě mají Kaplanovy turbíny na vodní elektrárně Gabčíkovo na Dunaji, a to až 636 m3 /s, při spádu 12,88 až 24,20 m. Obecně se dá konstatovat, že se používá především na malých spádech při velkých průtocích, které nejsou konstantní. V závislosti na rozdílu hladin může být instalována buď se svislou, nebo s vodorovnou osou otáčení.

29


JOHANNES KEPLER 1571–1630

Německý astronom, matematik a fyzik, který ve svých objevech vycházel z filozofického přesvědčení, že přírodní jevy jsou ovládány jednoduchými vztahy kvantitativní povahy, jejichž poznání je předpokladem pro poznání přírody. Předznamenal následující etapu matematizace vědy, matematickou povahu vesmíru však vysvětloval v návaznosti na Platona (řecký filozof) a na teologii jako výsledek aktu božského tvůrce. Od roku 1594 vyučoval matematiku ve Štýrském Hradci a ve volném čase se zabýval astrologií a sestavováním horoskopů. V roce 1600 se přestěhoval do Prahy, stal se spolupracovníkem Tycho Braha (dánský astronom), po jeho smrti působil na dvoře císaře Rudolfa II. jako dvorní astronom a matematik. Na základě analýz ze záznamů pozorování známých planet, hlavně Marsu, které Tycho prováděl mnoho let, ověřoval platnost heliocentrického modelu vesmíru (astronomické a filozofické učení o Slunci jako středu vesmíru, které bylo později díky Giordano Brunovi upřesněno a Slunce je považováno za střed planetární soustavy). Po dlouhém bádání a ověřování zjistil, že Mars neobíhá po kruhové dráze, ale po


30

dráze eliptické, a že Slunce je umístěno v jednom ohnisku elipsy. V období let 1605 až 1619 formuloval tři fyzikální zákony, které popisují pohyb hmotného bodu v gravitačním poli centrálního tělesa, např. planet kolem Slunce, pro něž byly odvozeny (Keplerovy zákony). První a druhý zákon byly v roce 1609 publikovány v díle Astronomia nova, třetí zákon byl publikován v roce 1619 v díle Harmonices Mundi. Keplerovy zákony podávají úplný a správný popis pohybu planet kolem Slunce, a tím vyřešily jeden ze základních problémů astronomie. Lze je však použít i pro popis dalších těles, která se pohybují v gravitačním poli Slunce a planet (např. pro pohyb umělých družic v gravitačním poli Země). V roce 1627 uveřejnil Rudolfinské tabulky, které obsahovaly také přesné údaje o polohách 1 005 hvězd, tabulky pohybu planet a tabulky logaritmů. Jsou po něm pojmenovány krátery na Měsíci a na Marsu. Zabýval se také naukou o světle a podílel se na konstrukci přístrojů, např. roku 1611 zkonstruoval astronomický dalekohled.

31


ERNST MACH 1838–1916

Rakouský fyzik a filozof se narodil v Chrlicích u Brna a zabýval se akustikou, optikou, experimentální fyzikou, psychologií a fyziologií vnímání. Od roku 1864 působil jako profesor matematiky na univerzitě ve Štýrském Hradci, kde soustředil svůj zájem také na psychologii vnímání a s tím spojené fyzikální otázky. Od roku 1867 vedl katedru experimentální fyziky na Karlo-Ferdinandově univerzitě v Praze, kde do fyzikálního experimentování v oblasti optiky a akustiky zapojoval i své studenty. V období let 1895 až 1901 působil jako profesor filozofie na vídeňské univerzitě. E. Mach byl nejen zkušeným experimentátorem, snažil se např. o sjednocení různých vědních oborů, o vybudování oboru zvaného psychofyzika, která měla vysvětlovat vztahy mezi fyzikálními podněty a smyslovými počitky. E. Mach vytvořil mnoho demonstračních a měřicích přístrojů, které byly dlouho používány také ve školách a v některých případech se používají i dnes. Mezi jeho nejznámější demonstrační přístroje patří Machův vlnostroj pro demonstraci příčného a podélného vlnění, a Machovo kyvadlo, které lze naklánět, a tím měnit dobu kyvu. V roce 1883 vyšlo poprvé knižně jeho dílo s názvem Die Mechanik in ihre Entwicklung (Mechanika ve svém vývoji), ve kterém kritizoval Newtonovo


32

chápání absolutního prostoru (Newton zavedl tento pojem, protože považoval trojrozměrný prostor, ve kterém žijeme, za plnohodnotnou vztažnou soustavu). Mach v díle zveřejnil svou myšlenku, že rozdílný tvar zákonů mechaniky v inerciálních a neinerciálních systémech není důsledkem zrychleného pohybu systému vzhledem k absolutnímu prostoru, ale důsledkem zrychlení vzhledem ke vzdáleným hvězdám. Z jeho prací měla velký ohlas studie, která se zabývala průletem střel prostředím. V roce 1884 připravil experimentální zařízení, které umožnilo zachytit na fotografickou desku vše, co se děje v okolí střely při jejím průletu plynným prostředím. Teoreticky vydedukoval a experimentálně potvrdil existenci rázové vlny, která má tvar kužele (tzv. Machův kužel ) se střelou ve vrcholu. Při nadzvukových rychlostech čelní plocha rázové vlny přenáší zvukový ráz způsobený zhuštěním vzduchu v okolí střely (akustický třesk ). Poměr rychlosti střely k rychlosti zvuku byl později nazván Machovo číslo. Je to fyzikální veličina, která vyjadřuje poměr rychlosti pohybu tělesa určitým prostředím k rychlosti šíření zvuku ve stejném prostředí. V letectví představuje poměr rychlosti letu k rychlosti zvuku. Je-li hodnota Machova čísla menší než 1, hovoříme o podzvukových rychlostech, je-li větší než 1, jedná se o nadzvukové rychlosti.

33


EDME MARIOTTE 1620–1684

Francouzský kněz, fyzik a fyziolog, který byl jedním ze zakladatelů francouzské Akademie věd. Zabýval se termodynamikou, hydrostatikou, experimentální fyzikou a meteorologií. Objevil slepou skvrnu na sítnici oka, sestrojil manometr, objevil tepelné záření při pokusu, ve kterém zjišťoval, zda teplo prochází také skleněnými deskami. Jeho hlavním zájmem ale bylo zkoumání v oblasti termodynamiky jako vědy. Popsal nezávisle na R. Boyleovi vztah mezi objemem a tlakem ideálního plynu při stálé teplotě (Boyleův-Mariottův zákon). Poprvé použil tento zákon k určení výšky v terénu podle údajů barometru. Popsal velké množství pokusů s prouděním tekutin v potrubí a fungování fontán. Zkoumal také ráz těles.

34


JAMES CLERK MAXWELL 1831–1879

Anglický fyzik, který se narodil v Edinburghu, ve skotském hlavním městě. Byl předčasně vyspělý a mimořádně nadaný. V patnácti letech předložil Královské společnosti vědecké pojednání O mechanickém kreslení oválů. Na univerzitě v Edinburghu začal studovat již v šestnácti letech, promoval na univerzitě v Cambridgi. Ve věku 25 let se stal profesorem v Aberdeenu, naposledy působil jako profesor na univerzitě v Cambridgi, kde byl v roce 1871 pověřen vybudováním a vedením laboratoře, která byla pojmenována podle anglického fyzika Cavendishe a stala se významným střediskem experimentální fyziky v Anglii. Zabýval se elektřinou a magnetismem, termodynamikou, kinetickou teorií plynů a naukou o pružnosti. Jedním z Maxwellových přínosů bylo rozšíření a matematická formulace teorií M. Faradaye o elektřině a magnetismu. Pomocí matematických rovnic vyjádřil vlastnosti elektrických a magnetických polí a jejich vzájemné vztahy. Výsledky jeho bádání jsou popsány v díle A Treatise on Electricity and Magnetism (Pojednání o elektřině a magnetismu). Maxwell je tvůrcem teorie elektromagnetického pole, která jednotným způsobem vysvětluje všechny elektromagnetické jevy. Vyšel z poznatku, že měnící se magnetické pole je provázeno vznikem indukovaného elektrického pole. Vyslovil předpoklad, že existuje také jev opačný, tj. měnící


35

se elektrické pole vytváří pole magnetické. To znamená, že děje, které vznikají při změnách pole elektrického nebo magnetického, jsou symetrické. Poznatek o symetrii elektromagnetických dějů patří k nejdůležitějším Maxwellovým objevům. Výsledky své práce shrnul do čtyř diferenciálních rovnic, které se staly základem teorie elektromagnetického pole. Na základě řešení těchto rovnic předpověděl v roce 1865 existenci příčných elektromagnetických vln, které se mohou šířit ve vakuu. Úplnou matematickou formulaci teorie elektromagnetického pole uvedl v letech 1864 až 1865 v práci A dynamical theory of the electromagnetic field (Dynamická teorie elektromagnetického pole). V době, kdy svou teorii propracoval také matematicky, neexistoval pro jeho tvrzení žádný přímý důkaz. Tvrzení bylo experimentálně ověřeno za deset let po jeho smrti německým fyzikem H. R. Hertzem, který experimentálně objevil elektromagnetické vlnění. Toto vlnění je procesem neustálých přeměn elektrického a magnetického pole, které se šíří rychlostí světla prostorem. Nezávisle na L. Boltzmannovi formuloval statistický zákon, který vyjadřuje rozdělení molekul ideálního plynu podle rychlosti za předpokladu, že se plyn nachází v silovém poli a který se označuje jako MaxwellovoBoltzmannovo rozdělení (viz L. Boltzmann). J. C. Maxwell je považován za nejvýznamnějšího teoretického fyzika v celém období mezi I. Newtonem a A. Einsteinem.

36


ISAAC NEWTON 1643–1727

Geniální anglický fyzik a matematik, který svým dílem završil důležité období historického vývoje fyziky, označované jako období klasické mechaniky. Jeho stěžejní prací je slavný, latinsky psaný spis Philosophiae Naturalis Principia Mathematica neboli Matematické základy přírodní filozofie, vydaný v roce 1687. V tomto díle zformuloval zákony pohybu těles, které označujeme jako Newtonovy pohybové zákony (zákon setrvačnosti, zákon síly a zákon akce a reakce). Zobecnil a uspořádal do přehledného logického systému výsledky prací svých předchůdců a odvodil zákon všeobecné gravitace. V úvodní části knihy Newton definoval řadu základních pojmů fyziky, jako je např. hmota, síla, čas, prostor, pohyb aj. Kromě mechaniky se Newton zabýval také dalšími oblastmi fyziky. Významné jsou zejména výsledky jeho bádání v oblasti světelných jevů, které shrnul v díle Opticks (1704). Zkonstruoval zrcadlový dalekohled, aby odstranil vady čoček, které znemožňovaly získat větší zvětšení u dalekohledů s čočkami. Prozkoumal rozklad bílého světla hranolem, a objevil tak spektrální barvy, které už nelze dále rozložit, ale naopak jejich složením se získá opět bílé světlo. To demonstruje pomůcka známá jako Newtonův kotouč.


37

Pozoroval interferenci světla pomocí jím zkonstruovaného zařízení (Newtonova skla). Do historie se zapsaly Newtonovy názory na podstatu světla, které považoval za proud malých částic (korpuskulární teorie), což vedlo ke sporu se zastánci názoru, že světlo je vlnění. Nalezl také řadu zákonitostí aerodynamiky (Newtonův vzorec pro výpočet odporu prostředí při obtékání těles) a akustiky. Obohatil vědu nepostradatelným matematickým prostředkem – diferenciálním a integrálním počtem. Newton vyučoval dvacet sedm roků matematiku a fyziku na Trinity College v Cambridgi, byl členem Královské společnosti v Londýně a v roce 1703 byl zvolen jejím prezidentem, kterým zůstal až do smrti. Vykonával také funkci ředitele mincovny. Nejvyšší poctou bylo povýšení do šlechtického stavu. Na jeho počest je nazvána jednotka síly newton, N.

38


BLAISE PASCAL 1623–1662

Francouzský matematik, fyzik a filozof, byl považován za matematicky nadané zázračné dítě. Ve věku 16 let překvapil svou prací o kuželosečkách (řezy kuželem) a o něco později zkonstruoval první počítací stroj. Patří mezi předchůdce moderní počítačové techniky, je po něm nazván programovací jazyk Pascal. V roce 1642 sestrojil jako pomůcku pro svého otce první mechanický kalkulátor, schopný sčítat a odečítat, známý pod názvem Pascalina, který postupně zdokonaloval. Na základě opakování pokusů italského učence E. Torricelliho dospěl k výpočtu atmosférického tlaku. Experimentálně dokázal pokles atmosférického tlaku v závislosti na růstu nadmořské výšky a přitom potvrdil Torricelliho úvahy o existenci vakua. Zabýval se zkoumáním hydrostatického tlaku a prověřil možnost měření nadmořských výšek barometrem. Zformuloval jeden ze základních zákonů hydrostatiky, o tlaku v kapalinách vyvolaném vnější silou, který nese jeho jméno. Na základě poznatků o spojených nádobách dospěl k principu hydraulického lisu a popsal hydrostatické paradoxon. Na jeho počest je nazvána jednotka tlaku pascal, Pa. V roce 1654 napsal práci o kombinačních číslech sestavených do trojúhelníkového schématu – Pascalův trojúhelník. Pro něj platí, že součet


39

dvou sousedních čísel téhož řádku je roven číslu, které je mezi nimi o řádek níže. Tím přispěl k rozvoji matematické kombinatoriky a počtu pravděpodobnosti. Jako stoupenec náboženského a filozofického hnutí (jansenismus), jehož stoupenci usilovali o prohloubení náboženského života a zastávali nauku o predestinaci (náboženská koncepce, podle které je osud člověka do všech detailů předem určen), se stále více věnoval nábožensko-mystickým praktikám a od roku 1654 trávil většinu času meditacemi v klášteře Port-Royal v Paříži, kde v pouhých 39 letech zemřel.

40


SIMÉON DENIS POISSON 1781–1840

Francouzský matematik a fyzik, který studoval na École Polytechnique v Paříži, kde se stal nejprve odborným asistentem a od roku 1806 zde působil jako profesor matematiky. Když byla v roce 1809 otevřena fakulta přírodních věd na Sorbonně, byl zde jmenován profesorem matematiky. Od roku 1812 byl členem Institutu de France (francouzská akademická instituce, která byla založena v roce 1795), od roku 1826 byl dále členem Imperátorské akademie věd v Petrohradě (souvisí s označením státního útvaru – ruské impérium, které existovalo v letech 1721 až 1917 a jeho hlavním městem byl Petrohrad) a od roku 1827 působil i jako geometr v Ústavu pro míry a váhy v Paříži. Zabýval se mechanikou, teorií pružnosti, termodynamikou, elektřinou a magnetismem, teorií pravděpodobnosti, matematickou analýzou, teorií diferenciálních rovnic a statistikou. Studoval silové působení v rámci sluneční soustavy, kterou zkoumal z hlediska její dynamické stability. Zabýval se malými periodickými výkyvy v rotaci Měsíce vzhledem k pozorovateli na Zemi (tzv. librace Měsíce), pohybem Země a Měsíce kolem společného těžiště a měřením času. Jeho práce vyšly v souhrnném spise Traité de mécanique v roce 1811. V roce 1823 sestavil rovnici pV κ = konst. (tzv. Poissonův zákon), která popisuje adiabatický děj s ideálním plynem stálé hmotnosti. Exponent κ


41

se nazývá Poissonova konstanta a je definován podílem měrné tepelné kapacity plynu při stálém tlaku a měrné tepelné kapacity plynu při stálém objemu. V mechanice se věnoval teorii pružnosti pevných látek, která se zabývá vztahy mezi deformacemi těles a vnějšími silami, které na těleso působí. Poměr relativního prodloužení tyče k jejímu příčnému zkrácení (zúžení) při namáhání tyče tahem vyjadřuje veličina m, rovněž označovaná jako Poissonova konstanta. Její hodnota závisí na druhu materiálu a je větší než jedna. V technické praxi se častěji používá Poissonovo číslo µ, což je převrácená hodnota Poissonovy konstanty. Průměrná hodnota Poissonova čísla je 0,3. Poissonův přínos pro matematiku a fyziku byl roku 1832 oceněn Copleyho medailí, nejvyšším oceněním vědecké práce, které uděluje Královská společnost v Londýně.

42


WILLIAM THOMSON LORD KELVIN OF LARGS 1824–1907

Britský matematik a fyzik, vlastním jménem William Thomson, který byl za své objevy královnou Viktorií povýšen do šlechtického stavu a stal se z něho lord Kelvin of Largs (podle říčky Kelvin protékající Glasgowem, kde od roku 1846 pracoval). Byl významným badatelem v oboru termodynamiky a elektrotechniky, napsal 661 článků a podal 70 patentů. Teoretickými úvahami dospěl ke stanovení absolutní teplotní nuly (0 K = –273,15 ◦ C) a v roce 1848 vytvořil novou stupnici pro měření teploty, která má jen jednu základní teplotu. Tato teplota odpovídá teplotě rovnovážného stavu soustavy ledu, vody a syté vodní páry, což je 273,16 K. Velikost teplotního stupně se však shoduje s Celsiovou teplotní stupnicí. Na Kelvinovu počest je pojmenována jednotka termodynamické teploty kelvin, K. V roce 1853 společně s J. P. Joulem zjistili, že při adiabatickém rozpínání se mění teplota plynu. Jako Jouleův-Thomsonův jev se označuje ochlazování reálných, silně stlačených plynů při prudké adiabatické expanzi (mezi plynem a okolím neproběhne tepelná výměna). V roce 1851


43

vyslovil jednu z prvních formulací druhého termodynamického zákona, který pojednává o tepelné výměně těles, které mají rozdílnou teplotu (při tepelné výměně těleso o vyšší teplotě nemůže samovolně přijímat teplo od tělesa s nižší teplotou). V elektrotechnice se Kelvin proslavil vypracováním teorie elektrických kmitů, ve které vysvětlil svou teorii kmitavého (oscilačního) obvodu, který se stal později základem vysokofrekvenční techniky a bezdrátové telegrafie. Vynalezl elektrické můstkové zapojení (bylo později po něm nazváno jako Thomsonův dvojitý můstek ) k přesnému měření velmi malých odporů. Podílel se na zavedení nových měřicích metod a přístrojů (např. při měření hloubky moře již nepoužíval olovnici, ale tzv. ponoroměr, který měřil tlak vody v pozorované hloubce). Pracoval na zdokonalení kabelové telegrafie a podílel se na položení prvního fungujícího podmořského kabelu pod severním Atlantikem mezi Evropou a Amerikou.

44


EVANGELISTA TORRICELLI 1608–1647

Italský fyzik a matematik, který studoval v Římě matematiku a od roku 1641 byl spolupracovníkem Galilea Galileiho. O rok později se stal jeho nástupcem ve funkci dvorního matematika velkovévody toskánského. Jako matematik se Torricelli zabýval balistikou a řešil problémy cykloidy a kuželoseček. Těžištěm jeho tvůrčí činnosti byla fyzika. Formuloval zákony pro výtok kapaliny z nádoby, poprvé zavedl pojem atmosférický tlak a v roce 1644 vytvořil rtuťový barometr (Torricelliho trubice). Rtuťový barometr vzešel z pozorování praktického problému. Pumpaři toskánského velkovévody, kteří se pokoušeli dostat vodu do výšky 12 metrů, zjistili, že pomocí sací pumpy se výše než do 10 metrů voda nedostane. Torricelli přišel na myšlenku použít místo vody rtuť, která je cca 14krát těžší než voda, a zkusit v jaké výšce se její hladina ustálí. V roce 1643 navrhl pokus, při kterém byla použita 1 metr dlouhá, na jednom konci zaslepená trubička naplněná rtutí, která byla převrácená a otevřeným koncem ponořená do nádobky se rtutí. Sloupec rtuti klesl na hodnotu asi 75 cm a v horní části trubičky se vytvořil nad hladinou rtuti prázdný prostor, který byl později označen jako Torricelliho vakuum. Torricelli usoudil, že rtuť v trubičce je držena hmotností vzduchu, která se projevuje tlakem na rtuť v misce. Pokusem byla prokázaná existence atmosférického tlaku a hmotnostní povaha vzduchu. Jeho pokusy a zjištění, že výška rtuťového


45

sloupce se mění a je vždy úměrná atmosférickému tlaku, jsou konstrukčním základem rtuťového barometru. Barometr je přístroj k měření atmosférického tlaku, který se používá v meteorologii při určování počasí. Rtuťový barometr se skládá z trubice na jednom konci zatavené, naplněné rtutí, na kterou na druhém zahnutém konci působí atmosférický tlak. Podle výšky rtuti pod zataveným koncem lze určit velikost atmosférického tlaku (čím výše rtuť vystoupí, tím je vyšší tlak). Tento objev mu vysloužil slávu, jednotka tlaku torr se dodnes používá při popisu velmi malých tlaků nebo při měření krevního tlaku. Torr je hydrostatický tlak 1 mm sloupce rtuti při teplotě 0 ◦ C a normálním tíhovém zrychlení: 1 torr = 1 mm Hg ≈ 133,32 Pa

46


JAMES WATT 1736–1819

Anglický inženýr a vynálezce, který svůj život zasvětil parnímu stroji a zdokonalování jeho konstrukce. Díky Wattovi získalo lidstvo výkonný zdroj energie pro pohon nejrůznějších strojních zařízení i pro dopravu, a to předznamenalo revoluční rozmach průmyslové výroby. Watt se o parní stroj začal zajímat v roce 1764, když opravoval model Newcomenova stroje (viz Historie parního stroje) a od roku 1765 ho začal systematicky zdokonalovat. Základem parního stroje je pracovní válec s pístem, který se pohybuje působením horké páry přiváděné do válce. Činnost parního stroje se podstatně zlepšila tím, že Watt opatřil stroj zvláštním kondenzátorem umístěným mimo pracovní válec. V něm se pára po vykonání práce měnila zpět na vodu. Dalším pokrokem bylo použití setrvačníku, pomocí kterého byl posuvný pohyb pístu převáděn na otáčivý pohyb, což je nezbytné pro plynulý pohon dalších strojních zařízení. V letech 1782 až 1784 zkonstruoval dvojčinný parní stroj, ve kterém pára působí na píst střídavě z obou stran. Přispěl k postupnému vývoji parního stroje dalšími důležitými vynálezy, kterými byly čtyřkloubový mechanismus pro vedení pístu, setrvačníkový regulátor a planetové soukolí pro převod posuvného pohybu na pohyb rotační.


47

Značný historický význam má konstrukce důmyslného zařízení pro regulaci otáček parního stroje, tzv. Wattova odstředivého regulátoru. Jeho princip spočívá ve využití odstředivé síly, která působí na dvojici rotujících závaží, upevněných na konci pákového mechanismu. Jestliže otáčky parního stroje vzrostly, zvětšila se odstředivá síla, závaží se oddálila od osy otáčení a pákový mechanismus poněkud uzavřel ventil, kterým se ovládal přívod páry do pracovního válce parního stroje. To způsobilo zmenšení otáček stroje, opětný pokles závaží a otevření ventilu. Tak byl poprvé prakticky využit princip automatické regulace na základě zpětného působení, který je dnes součástí mnoha automatizovaných strojů a zařízení. Watt nebyl fyzik, ani učitel. Přesto byl jeho život těsně spjat s univerzitou v Glasgowě, kde působil jako univerzitní mechanik. To mu zajistilo potřebný klid i prostředky pro práci. I když parní stroj představoval náplň celého jeho života, byl odpůrcem využití parního stroje pro pohon dopravních prostředků. Za svoje vynálezy byl poctěn mnoha vyznamenáními, avšak povýšení do šlechtického stavu, které mu bylo nabídnuto těsně před smrtí, odmítl. Na jeho počest je jednotka výkonu nazvána watt, W.

Fyzika pro střední školy I 1

Recommend Documents