Гравитация и баланс за науката
От античността до времето на Галилей, изследванията върху гравитацията обясняват със законите на баланса работата на прости машини.
Галилей (1564-1642), един от първите експериментални физици, е добре известен с работата си върху гравитацията. Той изучава и прилага законите на статичното и динамичното равновесие.
Едва ли е изненадващо, че в дългия период от IV в. Пр. Н. Е. До първата половина на XVII в. Писателите на физика и механика се интересуват от явления поради гравитацията. Ако повсеместната гравитация направи този интерес естествен, той също произтича, в не маловажна част, от необходимостта да се обясни работата на машини, използвани емпирично от майстори и инженери. По този начин, изучаването на лоста и неговите приложения към прости машини поставя основите на физиката, която постепенно се освобождава от риторичния дискурс в полза на геометричната демонстрация.
Дълго време тези опити за създаване на нова физика ще се сблъскат с принципите, наследени от великите философски системи, в частност аристотелова космология. Различните форми на аристотелизма се появяват на християнския Запад от тринадесети век: под ръководството на Тома Аквински, произведенията на гръцкия философ се превеждат от арабски на латински и много принципи на неговата философия се възприемат от схоластиката. Мисълта и авторитетът на Аристотел се разпространяват във всички области на знанието и са основни референции за всяка научна дейност.
В дългото пътуване, което най-накрая ще доведе до Нютон, ще видим, че въпреки липсата на единно понятие за сила (съвременното понятие за сила се появява с Нютон), някои учени успяха да отчетат баланса на мащабите или вариацията в тегло на наклонена равнина. Също така, ще припомним произведенията на някои от тях: Архимед, Буридан, Пап, Йордан де Неморе и, разбира се, Галилей.
Тежкото и лекото
Във физиката на Аристотел противопоставянето на тежка светлина играе изначална роля: тя обяснява движението от едно място на друго, както го наблюдаваме в подлунния свят, тоест на нашата земя. Докато за атомистите и за Платон тежкото и лекото са качества, които в крайна сметка зависят от плътността на телата - макар това понятие да не е формулирано изрично - за Аристотел те са абсолютни качества.
Двата елемента, които притежават тези качества (тежък и лек), са съответно земята и огънят. Тези два първи елемента са свързани с две прости движения: надолу за тежко - или сериозно - нагоре за светлина. За Аристотел самото съществуване на тези две праволинейни движения налага съществуването на два различни елемента, движещи се един от центъра, а другият към центъра на Вселената. От това априори следва теорията за местата, която ще обуславя векове наред изучаването на кинематиката и динамиката.
Тежко тяло при свободно падане се движи към центъра на Земята със скорост, пропорционална на теглото му и обратно пропорционална на съпротивлението на пресечената среда. Можем ли да накараме тялото да се движи към място, различно от собственото му място? Аристотел отговаря утвърдително, но движението му тогава ще бъде насилствено и по определен начин неестествено. Такъв е случаят по-специално с движението на снаряди. Аристотелското изискване за непрекъснато присъствие на двигател в контакт с това, което се движи, ни кара да си представим, че силата, която генерира насилствено движение, се съобщава и на пресичаната среда, в този случай на въздуха. Точно тази среда е отговорна за осигуряването на непрекъснатост на движението чрез изтласкване на тялото със скорост, по-голяма от тази, която би имало при естественото си движение. Как се обяснява това обяснение, най-малко объркано, през Средновековието? Според парижкия учен Жан Буридан (1300-1358) трябва да се разбере, че изстреляният във въздуха снаряд бързо напуска мястото, на което е бил, а природата, която не позволява вакуум, изпраща въздух зад себе си, за да запълни празно си тръгва. По този начин, влизайки в контакт със снаряда, въздухът в крайна сметка го бута (движение чрез антиперистаза).
Неубеден, Буридан замени обяснението с теорията за импулса: тялото, приведено в движение от външно действие, получава тласък, който е толкова по-силен, колкото по-висока е скоростта, предоставена първоначално и незабавно, и колкото по-висока е скоростта. тялото е голямо. В тази дефиниция липсва по-точно описание на това, което се разбира под тласък. За Буридан това е движеща сила, запечатана в снаряда, която няма преходен характер, но е постоянно качество. Теорията за импулса обяснява непрекъснатостта на движението.
Други явления осуетяват космологичния ред, представен от Аристотел, а понякога самите аристотели са тези, които се опитват да ги отстранят. Това е по-специално случаят с работата на римската скала, благодарение на която голяма тежест може да се компенсира с по-малка тежест, ако последната се постави на по-голямо разстояние от точката на окачване на кантара. По този начин тежко тяло се намира под тяло, по-тежко от него. Как да обясня това доказателство?
Оригинална интерпретация на свойствата на везната е изложена в един трактат „Механика“ или „Механични въпроси“, приписван за първи път на Аристотел, но който днес историците вярват, че е написан от аристотелиан от трети век преди нашата ера. Във въведението към трактата авторът настоява за разграничението между това, което е „по природа” и това, което е „против природата”. Изкуството, тоест механичната наука, гарантира, че ограниченията, наложени от природата, могат по определен начин да бъдат отклонени в полза на хората.
Обяснението, дадено в този трактат за функционирането на баланса и съответно на лоста, заслужава нашето внимание. Тя се основава на свойствата на кръга. Тази геометрична фигура, считана за перфектна и следователно източник на чудо, има добре познато свойство. Ако завъртим кръг в равнината му около центъра му, точките по един и същ диаметър не всички имат еднаква линейна скорост: те отиват по-бързо, колкото по-далеч са от центъра. Сега, когато римската везна се обърне около точката си на окачване, краищата на двете неравни рамена описват едновременно две различни дъги на кръг. Техните скорости са пропорционални на описаните дъги, следователно на техните радиуси, тоест на рамената на везната. Същото е и за лоста: "това, което се случва в баланса", пише авторът на трактата, "се свежда до кръга и това, което се случва в лоста към баланса". При този дизайн разликата в скоростта компенсира разликата в теглото и помага за балансиране или дори повдигане на тежко тяло с тяло, по-малко тежко от него.
Въпреки че това обяснение не е изразено ясно, то представлява голям интерес поради своята оригиналност. По този начин авторовата интерпретация на Mechanica поражда, макар и объркано, динамичната традиция. Той имплицитно съдържа понятието за виртуална скорост (много малката скорост на тяло, което оставя равновесие), чиято съвременна теория ще бъде установена от физика Жан Бернули (1667-1748). Съвременната теория обаче изисква виртуалните движения да бъдат, от една страна, малки, а от друга страна, праволинейни, което не е случаят в Mechanica. Това двойно условие е необходимо, когато се изчислява виртуалната работа на система от няколко сили в равновесие. Идеята за виртуална скорост ще се появи отново в работата на Йордан де Немор през 13 век (виж карето на страница 10).