томас юнг (13 июня 1773г. – 10 мая 1829г.)
advertisement
Томас Юнг родился в Милвертоне (графство Сомерсет) 13 июня 1773. С ранних лет обнаружил необыкновенные способности и феноменальную память. Уже в двухлетнем возрасте он научился читать, в четыре знал на память сочинения английских поэтов, к 14 годам познакомился с дифференциальным исчислением (по Ньютону), в совершенстве знал до десяти языков , читал в подлиннике произведения классиков. Интересен такой эпизод. Однажды Томас попал с одной своей родственницей в Лондон. Его словно магнитом тянули прилавки книготорговцев. Он брал в руки какую-нибудь редкую книгу и, забыв обо всем, погружался в чтение. Хозяин, наблюдавший за не погородскому одетым мальчиком, сказал покровительственно: "Ну, малыш, если ты мне переведешь хотя бы страницу, - книга твоя". Малыш быстро перевел и сделался обладателем ценной книги. Эта сцена повторялась несколько раз, пока торговец не содрогнулся от понесенного убытка. С 1792 по 1803 изучал медицину в Лондоне, Эдинбурге, Гёттингене, Кембридже, получив в 1795 г. степень доктора медицины, потом увлекся физикой, в частности оптикой и акустикой. В 21 год (1794) стал членом Королевского общества, в 1802–1829 был его секретарем. Получил степень доктора медицины. Унаследовав небольшое состояние, открыл в Лондоне частную практику. Он много и напряженно работал. В 1798 г. в оптические работы неожиданно вклинились акустические, что могло показаться странным. Но из этой "странности" начиналась новая физика. Юнг писал: "Я изучал не теорию духовых инструментов, а теорию воздуха и провел новые, как мне думается, наблюдения над гармониками". Занимаясь изучением колебания струн, он обматывал их серебряной нитью и рассматривал в темноте, направляя на определенные точки струны яркий луч света. Летом 1799 г. им были написаны "Опыты и проблемы по звуку и свету". Юнг смело критикует корпускулярную теорию и защищает волновую. То был окончательный его переход на позиции волновой теории. В январе 1800 г. он прочитал свой мемуар Королевскому обществу, и вскоре его опубликовали. Занимаясь акустикой, Юнг обратил внимание на усиление и ослабление звука при сложении звуковых волн... Так, обратившись к принципу суперпозиции, он открыл интерференцию звука. Примечательно название одного из разделов этой работы: "Об аналогии между звуком и светом". Юнг словно бы заносит ногу на следующую ступеньку великой физической лестницы, которая вскоре получила название интерференция света... Юнг сумел понять и объяснить то, что не удалось никому до него. Юнг начал с того, что отказался от представления, будто волны, налагаясь, способны при этом только усиливаться. Напротив, утверждал он, при определенных условиях они могут и ослабить, и даже уничтожить Друг друга. Так возникают темные полосы на тонких пленках, так появляются известные "кольца Ньютона".Юнг четко сформулировал и непременное условие интерференции: интерферируют только "две части одного и того же света" (или, по современной терминологии, для осуществления принципа интерференции лучи должны быть когерентными). В статьях 1801-1803 гг. ("Теория света и цветов", "Опыты и исчисления, относящиеся к физической оптике") Юнг на основе принципа интерференции дал объяснение "колец Ньютона" и, связав интерференцию с дифракцией, измерил длину световой волны - основное понятие оптики, им же введенное. Для красного света он получил 1/36000 дюйма (0,7 m), для крайнего фиолетового - 1/60000 (0,42 m). Это были первые в истории физики измерения длины световых волн, и нельзя не поражаться точности этих измерений! В первой из названных работ Юнг, между прочим, описал эффект, известный сейчас как астигматизм, а во второй ввел термин "интерференция" и сделал важный вывод, подтвердив его опытом, что отражение луча света от более плотной среды должно сопровождаться потерей полуволны. Своеобразным итогом работ Юнга по интерференции было изобретение эриометра - прибора, в котором дифракционный спектр использовался для измерения средней величины мельчайших частиц (шариков крови, цветочной пыльцы, волокон шерсти и т.п.). Кроме волновой оптики, имя Юнга в физике связывается с важной константой теории упругости, так называемого «модуля Юнга», и теорией цветного зрения, основанной на допущении в сетчатой оболочке глаза трех сортов чувствительных волокон, соответствующих трем основным цветам. Юнг одним из первых ввел в физику термин «энергия»; занимался также измерением размеров молекул и натяжения на поверхности жидкости. Его основной труд – «Лекции по натуральной философии» – вышел в 1807 г. в двух томах. Особое место и в "Курсе лекций", и во всей деятельности Юнга занимают работы по теории прочности. "Юнг сделал много для научного построения теории сопротивления материалов, введя в нее понятие модуля упругости при растяжении и сжатии, - писал известный русский ученый С.П. Тимошенко. - Он оказался к тому же основоположником изучения напряжений, вызываемых ударом, и указал метод вычисления их для идеально упругих материалов, следующих закону Гука до разрушения". В 13-й лекции Юнгом определен так называемый коэффициент упругости - как вес, который в состоянии удлинить стержень с поперечным сечением, равным единице, на его же собственную длину. Это - постоянная, характеризующая свойства материала. За этим коэффициентом утвердилось название модуль Юнга. Модуль Юнга входит в формулу знаменитого закона Гука. Юнга привлекали не только чисто научные проблемы. Им успешно решены и многие задачи инженерной практики, в том числе - немало труднейших. Рассматривая корпус корабля как балку, он указал способ вычисления его прогиба. Он предложил ряд важных изменений в конструкции судов. В главе “О пассивной прочности и трении” рассматриваются основные типы деформирования призматических брусьев. В исследование растяжения и сжатия впервые вводится понятие модуля упругости. Определение этой величины отличается от того, которым мы пользуемся теперь, устанавливая смысл модуля Юнга. Его формулировка гласит: “модуль упругости какого-либо вещества представляет собой столбик этого вещества, способный произвести давление на свое основание, которое так же относится к весу, создающему некоторую степень сжатия, как длина столбика к уменьшению его длины”. Юнг применяет также такие выражения, как “вес модуля”, “высота модуля”, указывая, что высота модуля для данного материала не зависит от площади поперечного сечения. Вес модуля равен произведению величины, которую мы называем теперь модулем Юнга, на площадь поперечного сечения бруса. В отношении сдвигающих сил Юнг замечает, что хотя непосредственные испытания для установления зависимости между сдвигающей силой и производимой ею деформацией не производились, однако “из свойств скручиваемых материалов можно, тем не менее, заключить, что эта сила изменяется в простом отношении к расстояниям частиц от их естественного положения и должна быть поэтому пропорциональна величине поверхности, к которой она приложена”. При кручении круглых стержней, как указывает Юнг, приложенный крутящий момент уравновешивается главным образом касательными напряжениями, действующими в плоскостях поперечных сечений и пропорциональными расстоянию от оси стержня и углу закручивания. Он указывает также, что дополнительное сопротивление крутящему моменту, пропорциональное кубу угла закручивания, обусловливается продольными напряжениями в волокнах, искривляющихся по винтовым линиям. По этой причине наружные волокна окажутся растянутыми, внутренние — сжатыми. Далее, стержень подвергнется при кручении укорочению, “в 4 раза меньшему той величины, на которую удлинились бы наружные волокна, если бы длина не уменьшилась”. Излагая теорию изгиба консоли и простой балки, Юнг приводит важнейшие результаты, относящиеся к прогибам и прочности, не давая их вывода. Исследование поперечного выпучивания сжатых колонн сопровождается у него следующим любопытным замечанием: “Во всех проведенных до сего времени опытах с изгибом колонн и балок под воздействием продольных сил можно заметить большие неправильности, и нет сомнения, что в некоторых случаях они обусловлены трудностью приложения в опытах силы по торцам точно по оси, в других же — местными неоднородностями материала, волокна которого очень часто располагаются так, что образуют колонну не прямую, а искривленную уже в самом начале”. По вопросу о неупругой деформации Юнг делает важное утверждение: “Остаточное изменение формы... снижает прочность материала с точки зрения практических применений почти в такой же степени, как и излом, поскольку, как общее правило, сила, способная произвести такое изменение формы, достаточна, чтобы при незначительном росте увеличить это изменение формы до наступления излома”. Навье пришел к тому же самому заключению и, основываясь на нем, рекомендовал принимать для рабочих напряжений нормы, значительно более низкие, чем предел упругости материала. В заключение Юнг приводит любопытные соображения о разрушении упругих тел ударом. В этом случае учитывать надлежит не вес ударяющего тела, а его кинетическую энергию. “Полагая, что направление удара горизонтально, так что его эффект не может быть усилен влиянием силы тяжести”, Юнг приходит к выводу, что “если давление веса в 100 фунтов (приложенное статически) разрывает данный образец, вызвав в нем предварительно удлинение в 1 дюйм, то тот же самый вес привел бы к разрыву в результате удара со скоростью, которую приобретает тяжелое тело, падая с высоты 2 дюйма, а вес в 1 фунт разорвал бы его, упав с высоты 50 дюймов”. Юнг констатирует, что при воздействии на призматический брус продольной динамической нагрузки его упругость “пропорциональна его длине, поскольку такое же растяжение более длинного волокна производит и большее удлинение”. Далее, он находит, что “здесь имеется, однако, предел, дальше которого скорость ударяющего тела не может быть увеличена, не превышая упругость ударяющего тела и не приводя к его разрушению, сколь бы малыми ни были размеры первого тела, причем этот предел зависит от инерции частей второго тела, которой недопустимо пренебрегать, когда эти части приведены в состояние движения с большой скоростью . Исследуя влияние удара на балку прямоугольного сечения, Юнг устанавливает, что при данном наибольшем напряжении изгиба, возникающем в результате удара, количество аккумулированной в балке энергии пропорционально ее объему. Ряд более сложных задач по изгибу брусьев разбирается в главе “О равновесии и прочности упругих материалов” во II томе “Натуральной философии”. Нижеследующие, относящиеся к этой главе замечания приводятся в “Истории теории упругости” Тодхентера и Пирсона. “Это ряд теорем, страдающих в отдельных случаях старой ошибкой в решении вопроса о положении нейтральной поверхности... Весь этот раздел представляется мне весьма темным, как и вообще большая часть произведений этого выдающегося автора; в длинном ряду его разнообразных достижений в науках и языках не оказалось, к несчастью, места для способности выражаться ясно обыкновенным языком математиков. Формулы этого раздела были, вероятно, в своей значительной части новыми для времени своего появления, но они имели мало шансов обратить на себя внимание по причине той непривлекательной формы, в которой они были представлены”. Нужно согласиться с тем, что эта глава в книге Юнга читается с трудом. Однако при всем том для ряда важных задач в ней даны правильные и новые для его современников решения. Мы находим, например, здесь впервые решение задачи о внецентренном растяжении или сжатии прямоугольного бруса. Следующей своей задачей Юнг ставит исследование изгиба сжатой призматической колонны, имеющей небольшую начальную кривизну. Он делает первый вывод уравнения колонны при наличии начальной кривизны ее оси. Пользуясь формулой Эйлера для определения размеров поперечных сечений колонны, Юнг указывает, что она применима лишь к гибким колоннам, и приводит некоторые предельные значения для отношения длины колонны к поперечному ее размеру. При меньших значениях этого отношения колонна разрушается не столько в результате выпучивания, сколько вследствие раздавливания материала . Исследуя продольный изгиб колонн переменного поперечного сечения, Юнг показывает, что если одно из измерений поперечного сечения колонны постоянно, другое же (ширина) изменяется по длине колонны, как ординаты у круговой арки, то ось колонны изогнется по дуге окружности. Рассматривая продольный изгиб колонны, составленной из двух треугольных призм, и принимая, что прогиб при этом таков, что радиус кривизны в середине равен половине длины, Юнг устанавливает, что изогнутая ось будет циклоидой. Разносторонность дарований Юнга изумительна. В его сочинениях рассматриваются вопросы механики, оптики, акустики, теплоты, физиологической оптики, технологии, кораблестроения, астрономии, навигации, геофизики, медицины, филологии, ботаники, зоологии и пр. Им было написано около 60 статей для «Британской энциклопедии». С 1811 и до конца жизни Юнг работал врачом в больнице Св. Георгия в Лондоне. Юнга интересовали проблемы лечения туберкулеза, он занимался изучением функционирования сердца, работал над созданием классификации болезней. Юнг состоял консультантом при Адмиралтействе (1814), был секретарем Бюро долгот, редактором «Морского альманаха» (1814–1829), советником по весам и мерам при парламенте. Вывел формулу для составления таблиц смертности, необходимых в страховом деле (1826). Юнг попытался также составить египетский словарь; в 1823 г. он предложил интерпретацию некоторых египетских иероглифов, выяснил значение ряда знаков Розеттского камня. Последние годы он отдал составлению египетского словаря. Он трудился с подъемом, находя в этом занятии большое удовлетворение . В январе 1829 г. здоровье ученого заметно ухудшилось, все чаще повторялись симптомы астмы и общей слабости, но он еще до 26 марта присутствовал па собраниях Совета Королевского общества. Он писал своему другу Гудсону Гарни : "Для меня хорошо, что я не должен жить снова. Я сомневаюсь, смог ли бы я вновь принести столько пользы своему времени, сколько мне удалось принести. Многое я мог бы, конечно, поправить, я мог бы лучше экономить время и щадить себя от тревог... Но в общем я ни в чем не раскаиваюсь".Весь апрель он был очень плох. Он не вставал с постели и правил корректуру словаря карандашом, который еле держала его рука. Лечившие его опытные врачи уже вынесли приговор. Но Юнг был спокоен. Друзья и родные настаивали, чтобы он дал себе отдых; он отвечал, что для него отдых в работе. Скончался он 10 мая 1829 г. "в окружении обожавшей его семьи, не дожив месяца и трех дней до своего 56-летия", как отмечалось в одном из некрологов. А еще о нем писали: "Его талант был велик, его работоспособность неутомима, его образ жизни был безупречен; к своей религии он был строг, но терпим". Юнг был великолепным знатоком музыки, играл почти на всех музыкальных инструментах, прекрасно знал животных, был цирковым артистом – наездником и канатоходцем. О нем писали: "Юнг был человеком почти таких же универсальных знаний, как Леонардо да Винчи". Юнг любил повторять: "Всякий мог бы совершить то, что совершил любой другой". Он был невероятно, блистательно одарен. Казалось, стоило ему лишь прикоснуться к проблеме - как природа послушно открывала ему себя. Но так только казалось. А в действительности его таланты питало трудолюбие, которым он отличался с юных лет. Вместе с тем он был легким и обаятельным человеком. Гостеприимным, добросердечным, честным. Он совершенно не знал ни зависти, ни подозрительности. Дитя чопорного и жестокого века, изобличенного Фильдингом, Смоллетом и Шериданом, Юнг, однако, был чужд снобизма; характер его был ровный и мягкий. Все это хорошо передано знаменитым художником Лоуренсом, написавшим его портрет. Глядя на портрет, можно подумать: "Скорее дэнди, чем сноб". И это верно: Юнг был светским человеком, пользовавшимся в Лондоне репутацией остроумного и неисчерпаемого собеседника. Его называли "ходячей энциклопедией" и "библиотекой на двух ногах". Когда в летучей светской беседе затрагиваются десятки самых нежданных тем, Юнг, с его эрудицией и быстрым умом, не мог не блистать. А просили - он готов был и петь, и аккомпанировать. И все это - просто, без позы и наигрыша, без модной среди "интеллектуалов" эксцентричности.
