КУЛОН ШАРЛЬ (1736-1806)

КУЛОН ШАРЛЬ (1736-1806)

КУЛОН ШАРЛЬ (1736-1806)

Детство и юность.

Шарль Огюстен Кулон родился 14 июня 1736 года в г. Ангулеме на юго-западе Франции. Через некоторое время семья переехала в Париж. Средства, которыми располагала семья, позволили Шарлю получить хорошее начальное образование. Мать Шарля хотела, чтобы сын стал врачом, и выбрала одну из лучших школ во Франции того времени - Коллеж четырех наций, или Коллеж Мазарини.

В коллеже Шарль настолько заинтересовался математикой, что решил стать ученым. Это привело к конфликту с матерью, и сын переехал к отцу в Монпелье. Кузен отца знал многих членов Королевского научного общества Монпелье и представил им своего племянника. В феврале 1757 года молодой Кулон прочел на заседании общества свою первую научную работу «Геометрический очерк среднепропорциональных кривых» и был избран адъюнктом. Он представил также мемуары о наблюдениях кометы и лунного затмения. Одна из его работ содержала определение линии меридиана. Однако участие в работе Общества приносило моральное удовлетворение, но не могло служить постоянным и надежным источником средств существования. Перед Кулоном встал вопрос о выборе карьеры, и по рекомендации отца Шарль выбрал карьеру военного инженера. С одной стороны, инженерная деятельность отвечала его интеллектуальным запросам, а с другой, такую профессию можно было приобрести, учась в прекрасном высшем учебном заведении - Военно-инженерной школе в Мезьере.

Военный инженер.

Кулон выбрал свой путь и судьбу на многие годы. Летом 1758 года, заручившись рекомендательными письмами к членам Парижской Академии наук, которые в то время были необходимы для начала карьеры, он отправился в Париж. Кулона приняли в школу охотно, так как его отец и один из родственников служили в армии некоторое время. Занятия в школе были построены так: три дня в неделю по «теоретическим» дисциплинам - архитектуре, черчению, картографии с утра и вечером по математике. Остальные три дня были практические занятия: геодезическая съемка местности, составление карт, а также плотницкое дело, обработка камня и др. В качестве практики слушатели строили мосты и другие сооружения в окрестностях Мезьера. Они приобретали при этом также навыки ведения документации и расчетов необходимых затрат на строительство.

По окончании Школы Кулон получил чин лейтенанта, и среди лучших по учебе был отмечен премией. После этого Кулон восемь лет работал военным инженером, строя различные военные сооружения на принадлежащих Франции островах. Что дали ему эти годы? Много лет спустя Кулон писал: «В течение восьми лет я… отвечал за строительство… и за работу 1200 человек и часто оказывался в ситуации, когда обнаруживал, до какой степени теории, основанные на гипотезах или экспериментах, проведенных в миниатюре… (на приборах), оказываются неудовлетворительными ориентирами на практике. Я посвятил свою жизнь всем видам исследований, которые могут быть использованы в работах, предпринимаемых офицерами инженерных войск».

После возвращения на родину Кулон получил возможность завершить исследование, начатое на одном из островов, а именно опыты в области, которая теперь называется «Сопротивление материалов». Это раздел прикладной механики, который занимается расчетом на прочность сооружений и механизмов, анализом распределения нагрузок и предупреждением разрушения. Все эти вопросы очень интересовали Кулона. Сопротивлением материалов интересовались многие ученые, такие как, Архимед, Леонардо да Винчи, Галилей, Р. Гук, Э. Мариотт. Многие идеи, сформулированные Кулоном в этой области, считаются основополагающими. В своих исследованиях Кулон сочетал эксперимент и теорию.

Для истории науки наибольший интерес представляет работа Кулона, где он исследует механические свойства нитей, на которых подвешиваются стрелки. Кроме упругих свойств нити, Кулон изучал также влияние воздуха на колебания стрелки, подвешенной на нити. Эти исследования сыграли впоследствии решающую роль в открытии закона взаимодействия заряженных тел, который весь мир знает сегодня как «закон Кулона».

Приближалась война с Англией, и Кулон был направлен в город Рошфор на западном побережье Франции для строительства форта. В Рокфоре Кулон выполнил серию экспериментов, связанных с изучением трения. Проблемой трения люди интересовались давно. Еще в Вавилоне, Древнем Египте, Ассирии строители предпринимали попытки и уменьшить трение, и использовать его. Одним из первых исследователей трения был Леонардо да Винчи. В его записных книжках сохранились записи наблюдений над трением и влиянием промежуточной прослойки на его величину. Но наблюдения Леонардо не были опубликованы и поэтому не оказали какого-либо влияния на исследование проблемы трения.

В 1780 году Кулон представил в Академию конкурсную работу «Теория простых машин», которая через год была удостоена премии. Для экспериментов он создал простую установку, состоящую из стола, салазок и установки для определения силы трения покоя. Однако, эта простая установка позволила Кулону получить очень точные результаты, сохранившие свое значение почти до настоящего времени. Он сравнивал коэффициент трения покоя однородных и неоднородных тел. Кулон изучал также проблему, интересующую ученых с давних пор: зависит ли коэффициент трения скольжения от площади касания при постоянной силе нормального давления? Он обнаружил, что такая зависимость существует, но она очень слабая. Следовательно, в первом приближении, как установил Кулон, коэффициент трения не зависит от площади контакта.

Все важные закономерности трения, которые обнаружил Кулон, были в дальнейшем подтверждены другими учеными. Большой вклад в формирование научных представлений о трении внес также французский физик Гильом Амонтон (1663-1705), который поставил ряд опытов по трению, работая над проектом теплового двигателя.

Академик.

В первой половине сентября 1781 года военный министр объявил о переводе Кулона в Париж, а 30 сентября он был награжден Крестом Св. Людовика за выслугу лет. Оправдались и надежды Кулона, связанные с Парижской Академией наук, 12 декабря он был избран в Академию по классу механики. Из рядового инженера он превратился в консультанта по инженерно-техническим вопросам и члена высшего научного учреждения Франции.

В 80-х годах в Бретани родилась идея строительства системы каналов, которая связала бы крупные города Нант, Ренн, Лаваль, Анже и Сен-Мало. В январе 1783 года была создана комиссия по каналам. Консультантом от Военно-инженерного корпуса был назначен Кулон. Деятельность его была оценена комиссией очень высоко.

Известность Кулона как инженера высокой квалификации привела к назначению его на пост королевского интенданта вод и фонтанов в июле 1784 года. За время с 1784 по 1789 год с участием Кулона были проведены работы по реконструкции крупных акведуков (водопроводов), перестроен Аркейский акведук, сооруженный еще во времена римского императора Юлиана.

Однако основные интересы Кулона были связаны с Академией наук. Он принимал участие практически во всех делах Академии. В период с 1773 по 1806 год он представил в Академию тридцать два научных мемуара, в основном по проблемам физики и механики. Он участвовал в подготовке более десяти докладов в год.

Много времени занимала и административная работа в Академии: он был членом библиотечного комитета, входил в состав жюри нескольких конкурсов, объявленных Академией, принимал участие в социальных мероприятиях Академии, например, в разработке проекта усовершенствования системы больниц в Париже.

Десятилетие с 1781 по 1791 год отмечено интересными исследованиями Кулона, он находился в расцвете творческих сил.

На пути к главному открытию.

Один из руководителей Парижской обсерватории, Жан Доминик Кассини (1748-1845), попросил Кулона помочь создать прибор для изучения магнитного поля Земли. Кулон согласился и с 1780 года в течение ряда проводил испытания прибора. Оказалось, что для магнитной стрелки, подвешенной на нити, существует много помех, таких, как колебания точки подвеса, сквозняки и различие температуры слоев воздуха в закрытом помещении. Для устранения этих помех прибор Кулона был помещен в подвале обсерватории. Однако, это только вызвало новые помехи. Стрелка реагировала на статическое электричество, имеющееся в небольшом количестве на теле наблюдателя. Кулон указал два способа уменьшения этого воздействия: помещение стрелки в медный кожух, играющий роль экрана, и замена шелковой нити подвеса металлической, имеющей контакт с медным кожухом, что должно было уменьшить индукционные эффекты.

Нужно было тщательно исследовать процесс кручения металлических нитей цилиндрической формы. Результаты опытов Кулона были обобщены в работе «Теоретические и экспериментальные исследования силы кручения и упругости металлических проволок». Кулон так описал сущность метода, примененного для наблюдения крутильных колебаний:

«Метод для определения на опыте силы кручения состоит в том, что на металлической нити подвешивается цилиндрический груз так, чтобы его ось была вертикальной и проходила бы через нить подвеса. Пока нить подвеса остается совершенно не закрученной, груз будет пребывать в покое; но если заставить груз повернуться вокруг своей оси, нить закрутится и создаст усилие для возникновения более или менее длительных колебаний в зависимости от того, насколько совершенна упругая реакция кручения… Варьируя вес груза, длину нити подвеса и ее толщину, можно надеяться определить закон реакции кручения в отношении натяжения, длины, толщины и природы этой нити».

Исследование кручения тонких металлических нитей имело важное практическое следствие - создание крутильных весов. Именно с их помощью и был открыт впоследствии закон Кулона!

Главное открытие

Вопросами притяжения заряженных тел интересовались еще древние греки. Одной из первых работ, где обсуждался вопрос о притяжении наэлектризованных тел, была книга английского ученого Уильяма Гильберта «О магните».

В первой половине XVIII в. была поставлена и реализована первая исследовательская программа по электричеству. Ее автором был французский физик Ш. Дюфе (1698-1739), который в течение двух лет (1733-1734 годы) опубликовал шесть мемуаров, посвященных проблемам электричества.

Последовательная теория электрических явлений была впервые сформулирована Б. Франклином в 1750 году. Подход Франклина развил петербургский академик Ф.Эпинус (1724-1802) в работе «Опыт теории электричества и магнетизма» (1759 год). Но и Эпинусу не удалось найти в теории количественные соотношения между физическими величинами.

Впервые закон «обратных квадратов», который получил впоследствии название «закона Кулона», был экспериментально установлен английским ученым Генри Кавендишем около 1773 года. На основании своих опытов и расчетов Кавендиш сделал вывод:

«Электрическое притяжение и отталкивание обратно пропорционально расстоянию в степени, лежащей между 2- 1/50 и 2+ 1/50, и нет оснований полагать, что закон отличается от закона обратных квадратов». Кавендиш по неизвестным причинам не опубликовал результаты своих исследований, и описание их результатов обнаружил среди рукописей Кавендиша английский физик Джеймс Клерк Максвелл лишь спустя сто лет после их проведения. Поэтому основной закон электростатики носит не имя Кавендиша, а имя Кулона.

В 1785 году Кулон начинает работу над проблемами электричества и магнетизма с помощью созданных им крутильных весов.

Основным результатом исследований в области электричества было установление основного закона электростатики - закона взаимодействия неподвижных точечных зарядов, который получил впоследствии название «закона Кулона». Методы, использованные Кулоном для изучения магнитного взаимодействия, аналогичны методам исследования электричества.

Таким образом, Кулон заложил основы электро- и магнитостатики. Крутильные весы Кулона использовал в своих исследованиях и Майкл Фарадей (1791-1867). Он считал их «весьма ценным прибором».

Последние годы.

Решением революционного Конвента в августе 1793 года французская Академия наук была распущена. Кулон как бывший офицер королевской армии, тесно связанный с опальными академиками, не мог не понимать, что оставаться в Париже опасно. Он вместе с семьей переехал в свое поместье близ Блуа. Там ученый провел почти полтора года, и эти месяцы стали для него началом спада научной активности. Кулону уже было пятьдесят семь лет. Его здоровье с годами слабело. Оторванный от своих приборов и инструментов, Кулон не мог продолжать опыты, начатые в Париже. Однако и в этих условиях Кулон выполнил два интересных исследования, результаты которых позднее представил в мемуарах. Их направление: «Результаты нескольких экспериментов, поставленных для определения действия, которое могут произвести люди за день работы при различных способах приложения их сил» и исследования циркуляции сока в деревьях. Последние обратили на себя внимание Томаса Юнга, когда он интересовался проблемами кровообращения.

Кулон жил в деревне до декабря 1795 года. В мае 1794 года он, рискуя жизнью, принял участие в похоронах выдающегося ученого Лавуазье, казненного революционерами.

Последние годы ученый посвящает организации новой системы образования во Франции. Как член специальной комиссии он ездил по разным городам с инспекторскими проверками. Это окончательно подорвало его здоровье. Заболев летом 1806 года лихорадкой, он не смог ее преодолеть и скончался в Париже 23 августа 1806 года.



Рассказы об ученых по физике.