Novi vijek - Mehanika i astronomija

U 17. stoljeću talijanski učenjaci Baliani, Torricelli i Viviani izgrađuju suvremeni koncept atmosferskoga tlaka. Giovanni Baliani (1582. – 1666.) u istraživanjima iz 30-ih godina zaključuje da je moguć vakuum i da bi se neke pojave mogle lakše objasniti postojanjem atmosferskoga tlaka. Prvi eksperimentalni dokaz postojanja atmosferskoga tlaka daje Galileijev učenik i sljedbenik Evangelista Torricelli (1608. – 1647.) koji je i prvi proizveo vakuum. On smatra da živimo na dnu zračnoga oceana, a zrak nas tlači svojom težinom. S Vincenzom Vivianijem (1622. – 1703.) Torricelli realizira pokus kojim mjeri atmosferski tlak. Staklenu je cijev, zatvorenu na jednome kraju, napunio živom, otvoreni je kraj cijevi zatvorio prstom pa je uronio u posudu sa živom. Kada je maknuo prst, dio žive iz cijevi istekao je u posudu dok se nije uspostavila ravnoteža živinoga stupca i atmosferskoga tlaka. Taj povijesni pokus danas nazivamo Torricellijevim pokusom, a poslužio je i za nastajanje prvoga barometra. Naziv barometar predložio je Boyle 1662. godine.

Descartesovu ideju mjerenja tlaka zraka na različitim visinama u atmosferi realizirao je francuski matematičar, fizičar i filozof Blaise Pascal (1623. – 1662.). On je izveo Torricellijev pokus s vodom i vinom najprije u podnožju, a zatim i na vrhu brda u okolici Pariza. Tako je dokazao da se tlak zraka smanjuje s visinom i potvrdio Torricellijevu pretpostavku da promjena visine stupca žive ovisi o atmosferskim uvjetima. U radu O ravnoteži tekućina 1653. godine Pascal objavljuje spoznaju da se tlak u posudi širi na sve strane jednako, danas poznatu kao Pascalov zakon. Otkrio je i zakon spojenih posuda te dao teoriju hidrauličkoga tijeska.

Prvu je zračnu pumpu konstruirao njemački fizičar i inženjer, gradonačelnik Magdeburga Otto von Guericke (1602. – 1686.). Von Guericke je bio uspješan eksperimentator te je poboljšao konstrukciju barometra. Izvodio je pokuse s atmosferskim tlakom i vakuumom, što je i opisao u djelu Novi Magdeburški pokusi izdanom 1672. godine.

Povijesno je najpoznatiji pokus u nizu sličnih, poznat pod imenom Magdeburške polukugle, izveo 1654. godine u Regensburgu. Iz spojenih šupljih bakrenih polukugli zračnom je pumpom isisan zrak tako da kugle drži spojenima okolni zrak, tj. atmosferski tlak. Dvije skupine od po 8 konja upregnute su s namjerom pokazivanja učinkovitosti djelovanja atmosferskoga tlaka, zbog kojega ni 16 snažnih životinja nije moglo razdvojiti polukugle.

Robert Boyle se 1657. godine upoznao s Guerickeovom zračnom pumpom i uz pomoć Roberta Hookea poboljšao njezinu konstrukciju. Rezultat je bio Boyleov ili pneumatski uređaj, „machina Boyleana“, i niz pokusa kojima su istraživali svojstva zraka. Boyle je otkrio da voda na manjem tlaku od atmosferskog provrije na temperaturi manjoj od temperature vrelišta, a svoje je rezultate objavio 1660. godine u knjizi Novi fizikalno-mehanički pokusi u svezi s elastičnosti zraka (New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air and its Effects....).

Zakon koji danas poznajemo kao Boyle-Mariotteov zakon prvi je formulirao Henry Power 1661. godine. Boyle i njegov pomoćnik Richard Townley su pokusima s U-cijevi punjenom živom došli do spoznaje da je obujam zraka u zatvorenom dijelu cijevi obrnuto razmjeran njegovu tlaku. Rezultate je Boyle publicirao 1662. godine u radu O elastičnosti zraka. Do iste je spoznaje, neovisno o Boyleu, došao Edmé Mariotte (1620. – 1684.), francuski opat i fizičar koji je 1676. godine izdao rad Pokus o naravi zraka.

Konstrukcijom se zračne pumpe bavio i veliki nizozemski fizičar Christian Huygens (1629. – 1695.), koji je konstruirao je i živin manometar za mjerenje malih tlakova. Godine 1680. nastaje prvi parni kotao koji je mogao proizvesti veće količine vodene pare, tzv. Papinov lonac, a konstruirao ga je francuski fizičar Denis Papin (1647. – 1714.). Prvi je upotrebljivi atmosferski parni stroj konstruirao engleski izumitelj Thomas Newcomen (1670. – 1730.).

Talijanski učenjak Benedetto Castelli (1577. – 1644.), Galileijev učenik, započinje istraživanja fluida u gibanju i tako postaje jedan od začetnika hidrodinamike. Godine 1628. nalazi da je brzina protjecanja tekućine kroz neku cijev obrnuto razmjerna ploštini njezina presjeka, što predstavlja zakon kontinuiteta. Castellijev učenik Torricelli 1644. godine dolazi do spoznaje o brzini istjecanja tekućine iz otvorene posude, koju zovemo Torricellijevim teoremom.

Temelje akustike u 17. stoljeću postavlja francuski učenjak Maren Mersenne (1588. – 1648.), autor djela Opća harmonija iz 1636. godine. Mersenne je eksperimentirao s titranjem žice, zvučnom rezonancijom, i izveo jedno od prvih mjerenja brzine zvuka u zraku s rezultatom 414 m/s. Prvo određivanje brzine zvuka u zraku posredno, temeljem podataka o elastičnosti i gustoći zraka, izveo je Newton, no rezultat nije bio osobito uspješan. Povezanost frekvencije izvora zvuka i visine tona spominje i Galilei 1638. godine.

Nizozemski fizičar, matematičar i astronom Christian Huygens (1629. – 1695.) poznat je u povijesti kao jedan od najsvestranijih znanstvenika. Njegova astronomska otkrića uključuju otkriće Saturnova satelita Titana 1655. godine, pretpostavke o strukturi Saturnovih prstenova, opis Orionove maglice te otkrića nekoliko maglica i dvojnih zvijezda. Poput Bruna, i Huygens razmišlja o životu na drugim svjetovima, a svoja razmišljanja objavljuje u djelu Cosmotheoros.

Huygens se bavio i izradom točnoga sata prikladnoga za pomorsku navigaciju. Njegov je sat s njihalom, patentiran 1657. godine, bio prekretnica u mjerenju vremena. Matematičke je i praktične detalje toga otkrića objavio u djelu Ure njihalice (Horologium Oscillatorium) 1673. godine. Bavio se teorijom njihala, opisao značajke cikloidnoga, kružnoga i fizikalnoga njihala te izveo relaciju za periodu matematičkoga njihala malih amplituda. Huygens je izučavanjem njihala došao do spoznaje o spljoštenosti Zemlje na polovima; zaključio je da su na različitim mjestima na Zemlji periode njihala različite zbog razlika u ubrzanju sile teže te je realizirao mjerenja koja su to dokazala. Njegov doprinos mehanici uključuje i teoriju elastičnih sudara. Huygens je patentirao i džepni sat te izumio brojne druge naprave i postupke.