Это явление, названное впоследствии масштабным фактором, учитывается и сейчас в расчетах строительной механики. В действующих советских стандартах на испытание строительных материалов вводятся переводные коэффициенты для показателя прочности. Чем меньше лабораторный образец, тем больший уменьшающий коэффициент надо вводить, чтобы получить прочность промышленного элемента или конструкции.
Обнаружив, что одна и та же пластинка сопротивляется изгибу значительно лучше, будучи поставленной на ребро, Галилей задолго до появления понятия момента инерции сечения пытался геометрически обосновать это явление.
Галилей предлагал использовать пустотелые элементы - трубы металлические и деревянные, сравнивая их с созданием природы - костями птиц и животных, тростником, стеблем растения. Он заключает, что при сравнении сплошной и трубчатой балок, имеющих одинаковую площадь сечения, трубчатая будет во столько раз прочнее, во сколько диаметр трубы больше диаметра сплошной балки.
Галилей изучал только два вида деформации - растяжение и изгиб на всевозможных элементах из различных материалов, объясняя причины их прочности и разрушения. "Подобно тому, как в веревке мы приписываем ее сопротивление множеству составляющих ее нитей пеньки, так и в дереве мы находим продольные волокна и нити, делающие его более прочным, нежели пеньковая веревка такой же толщины. Что касается цилиндра из камня или металла, то еще большая связанность их частей зависит от другой причины, отличной от нитей и волокон; но и эти материалы также могут быть разорваны сильным растягиванием". Даже водяной столб во всасывающем насосе Галилей рассматривает как элемент, работающий на растяжение и разрывающийся при увеличении нагрузки выше определенного предела.
Нужно помнить, что Галилей во всех случаях изучал состояние материалов в момент разрушения. Прочность, по Галилею, была связана с критическим, предельным состоянием элемента. Ученый пытался понять, почему колонна или балка разрушается, какая сила вызывает это разрушение? Каковы должны быть форма, геометрические размеры и условия работы элемента, чтобы он не разрушался? Поведение же нагруженного элемента в нормальном рабочем состоянии, физико-механические процессы, происходящие при обычных нагрузках, были Галилею неведомы. Его представление о прочности тел и закономерности разрушения, на первый взгляд, было весьма упрощенным: тело разрушается в том случае, когда действующая на него растягивающая сила превзойдет предельную величину, постоянную для данного материала.
Галилей пытался выйти за рамки умозрительных рассуждений и при помощи математических доказательств прийти к теоретическому обобщению. Для этого ему не хватало математического аппарата и данных теоретической механики, поэтому нельзя сказать, что он построил теорию. Но он подготовил почву, на которой в дальнейшем выросла первая теория прочности.
Немногим позднее вопросами прочности твердых тел заинтересовался французский ученый Мариотт (1620-1684). В связи с задачами, возникшими при проектировании Версальского дворца, он проводит большие эксперименты по растяжению и изгибу самых разных материалов. Мариотт, изучая прочность деревянных и стеклянных балок, проверил результаты Галилея и убедился в их справедливости.
Необходимость создания надежного водопровода в Версале заставила Мариотта испытывать балки, жестко заделанные двумя концами. Он обнаружил, что прочность таких балок увеличивалась вдвое по сравнению со свободно опертыми балками.
Заливая водой трубы высотой до 30 м, Мариотт испытывал их внутренним давлением и получил формулы для расчета на прочность.
Опытами Мариотта заканчивается первый, экспериментальный период изучения сопротивления материалов. Результаты научных поисков этого периода принесли огромную пользу и не утратили своего значения до сих пор.
Криптограмма Гука
Наука набирала темпы. Росло число ученых. Возникла потребность в общении их друг с другом, в обмене мнениями, в обсуждении научных проблем. В разных странах Европы, раньше других в Италии, организуются научные общества. Уже в 1560 г. в Неаполе возникла Академия тайн природы, затем в Риме - Академия Линчеев, во Флоренции - Академия опытных знаний. В их работе принимал участие Галилей и его ученики - Торичелли и Вивиана. Позже научные общества возникли в Англии и Франции, еще позже - в России и Германии.
15 июня 1662 г. в Лондоне было официально открыто знаменитое Королевское общество. В число его первых членов вошли видные английские ученые, в том числе известный физик и химик Роберт Бойль. По рекомендации Бойля в Королевское общество был принят Роберт Гук. Бойль провел вместе с Гуком ряд исследований, в частности, работы по усовершенствованию насоса, и высоко оценил его как ученого.
Роберт Гук (1635-1703), сын провинциального священника с острова Уайт, с детства увлекался двумя вещами: устройством всякого рода механизмов и рисованием. После завершения обучения в Вестминстерской школе в 1653 г. он переехал в Оксфорд и поступил на работу в церковь в качестве певчего. Одновременно занимался в Оксфордском университете, специализируясь в области астрономии, и стал ассистентом Р. Бойля. Страсть к изобретательству, оригинальность мышления в сочетании с романтической увлеченностью и буйной фантазией позволили Гуку сделать множество открытий в самых различных областях знания. Гук сконструировал прибор для измерения силы ветра, приспособление для деления круга, ряд приборов для исследования морского дна, ареометр, проекционный фонарь, дождемер, пружинные часы. Он изобрел карданную передачу и систему зубчатых колес, которые теперь известны как вайтовы колеса. Он усовершенствовал зрительную трубу для измерения углов, телескоп, микроскоп, барометр и даже искусственные мышцы для полета в воздухе. Немало и других приборов, механизмов, приспособлений создал и улучшил талантливый механик Роберт Гук. Но это лишь небольшая часть его деятельности.
Гука, например, заслуженно признавали хорошим архитектором. После пожара в Лондоне в 1666 г. он создал проект восстановления и реконструкции города, а затем по поручению магистрата возглавил эти работы. По его проектам в Лондоне был построен ряд зданий, церквей и жилых домов. Самым значительным сооружением была знаменитая больница Бедлам, по праву считавшаяся гордостью лондонских жителей (название происходит от Beatlehem). Построенное еще в 1247 г. шерифом Лондона Симоном Фитцем Мари в качестве приюта для членов ордена "Звезды Бетлехем", это здание с 1330 г. использовалось как госпиталь, куда с 1403 г. начинают поступать и психические больные. В 1547 г. Бедлам был передан Лондону как больница для сумасшедших. Восстановленное по проекту Гука, это огромных размеров здание поражало гармонией пропорций, классической строгостью форм.
Впоследствии слава этой больницы обернулась бесславием из-за жестокого обращения с больными. Но Гук уже здесь не причем.
В годы работы в Королевском обществе Гук значительно обогащает всю деятельность этого учреждения, становясь вскоре его секретарем. Он издает труды Общества, следит за иностранными изобретениями, делает собственные изобретения, продолжает ставить много блестящих экспериментов, сопровождая их такими оригинальными идеями, которые нередко приводили к большим открытиям... других.
При всем этом жизнь Гука была очень нелегкой. Он постоянно нуждался. Ему приходилось занимать одновременно две должности и подрабатывать публичными лекциями, которые проходили всегда блестяще, хотя получал он за них гроши. Работая ассистентом у ряда видных ученых, Гук одновременно выступал в роли их учителя, натаскивая своих "шефов" по разным курсам смежных наук.
Будучи исключительно общительным человеком, Гук активно посещал кофейни, трактиры, аттракционы, базары, пристани, знакомился с разными людьми, беседовал с ними на самые различные темы. Особенно часто его можно было увидеть в порту, где он любил расспрашивать моряков и купцов, возвращавшихся из плавания, о разных странах, в том числе о Московии. В 1696 г. Гук выступил на заседании Королевского общества с докладом о новой карте "Татарии", под которой подразумевалась обширная территория, включающая значительную часть Урала и Сибири.
В 1665 г. был издан классический труд "Микрография", посвященный физической оптике и микроскопии. В эту работу вошли, в частности, результаты изучения Гуком клеточного строения растений. Он впервые ввел термин "клетка" и дал описание клеток целого ряда растений. Гук занимался волновой теорией света, провел глубокое исследование цветов тонких пластинок, описал явления дифракции и ряд других световых явлений.
Вместе с Гюйгенсом Гук установил постоянные температурные точки - таяния льда и кипения воды - и сконструировал термометр. Одной из наиболее значительных его работ была теория движения и взаимодействия небесных тел.