Концепцията на Леонардо да Винчи за гравитацията - макар и не съвсем точна - е изпреварила времето си с векове, са открили по скици на гениалния художник и изобретател инженери от Калифорнийския технологичен институт.

В наскоро публикувана статия изследователите използват нов поглед върху един от бележниците на да Винчи, за да покажат, че прочутият ерудит е разработил експерименти, за да докаже, че гравитацията е форма на ускорение - и че освен това е определил гравитационната константа с точност около 97%.

Да Винчи, живял от 1452 до 1519 г., е изпреварил значително проучването на тези концепции. Едва през 1604 г. Галилео Галилей изказва теорията, че разстоянието, изминато от падащ обект, е пропорционално на квадрата на изминалото време, а едва в края на XVII в. сър Исак Нютон я доразвива, за да разработи закон за всеобщата гравитация, описващ как обектите се привличат един към друг. Основното препятствие пред Да Винчи е, че е бил ограничен от инструментите, с които е разполагал. Например той не разполагал със средства за точно измерване на времето при падането на обектите.

Експериментите на да Винчи са забелязани за пръв път от Мори Гариб (Mory Gharib), професор по аеронавтика и медицинско инженерство, в Codex Arundel - колекция от документи, написани от да Винчи, които обхващат наука, изкуство и лични теми. В началото на 2017 г. Гариб проучва техниките на да Винчи за визуализация на потоци, за да ги обсъди със студентите, на които преподава в курс за следдипломна квалификация, когато забелязва серия от скици, показващи триъгълници, генерирани от частици, подобни на пясък, които се изливат от буркан, в новоиздадения Codex Arundel, който може да бъде разгледан онлайн с любезното съдействие на Британската библиотека.

"Това, което привлече вниманието ми, бе надписа "Equatione di Moti" върху хипотенузата на един от скицираните от него триъгълници - този, който бе равнобедрен правоъгълен триъгълник", разказва Гариб, водещ автор на статията за Леонардо. "Започнах да се интересувам какво е имал предвид Леонардо с тази фраза."

За да анализира бележките, Гариб работи с колегите си Крис Рох (Chris Roh), по това време постдокторант в Калифорнийския технологичен институт, а сега асистент в Университета Корнел, както и с Флавио Нока (Flavio Noca) от Университета за приложни науки и изкуства на Западна Швейцария в Женева. Нока предоставя преводи на италианските бележки на да Винчи (написани с прочутия му ляв огледален почерк, който се чете отдясно наляво), докато тримата разглеждат схемите в ръкописа.

_{Инженери от Калифорнийския технологичен институт пресъздават експеримента, описан в дневника на Леонардо да Винчи, който показва, че ако движението на кана, изливаща вода или гранулиран материал, се ускорява със същата скорост, с която гравитацията ускорява падащия материал, се получава равностранен триъгълник. Кредит: Caltech}

В документите да Винчи описва експеримент, при който кана за вода ще се движи по прав път, успореден на земята, като по пътя си изхвърля или вода, или гранулиран материал (най-вероятно пясък). От бележките му става ясно, че той е бил наясно, че водата или пясъкът няма да падат с постоянна скорост, а ще се ускоряват - както и че материалът спира да се ускорява хоризонтално, тъй като вече не се влияе от стомната, и че ускорението му е единствено надолу поради гравитацията.

Ако каната се движи с постоянна скорост, линията, създадена от падащия материал, е вертикална, така че не се образува триъгълник. Ако каната се ускорява с постоянна скорост, линията, създадена от сбора на падащия материал, прави права, но наклонена линия, която тогава образува триъгълник. И както да Винчи посочва в ключовата диаграма, ако движението на каната се ускорява със същата скорост, с която гравитацията ускорява падащия материал, се създава равнобедрен триъгълник - именно това, което първоначално забелязва Гариб, да Винчи е подчертал с бележката "Equatione di Moti", или "изравняване (еквивалентност) на движенията".

^{Триъгълникът, създаден от Леонардо. Кредит: Gharib et al., Leonardo, 2022}

"Преди около 500 години Леонардо да Винчи се опитва да разкрие тайната на гравитацията и нейната връзка с ускорението чрез поредица от гениални експерименти, ръководени единствено от неговото въображение и майсторски експериментални техники", пишат изследователите в публикувания си документ.

Тази гравитационна константа по-късно ще бъде използвана от Нютон за определяне на неговите закони за движението (включително гравитацията) и от Алберт Айнщайн в неговата обща теория на относителността. Леонардо е знаел, че е открил нещо, но не е бил сигурен какво точно е то.

Част от тази несигурност се дължала на факта, че Леонардо се придържал към идеята на Аристотел за непрекъснатата сила, наречена импетус (от латински impetus - импулс, тласък), която изпълва снарядите и им дава тласък да се движат срещу гравитацията. Принципът на инерцията - при който обектите просто продължават да се движат в дадена посока, докато не срещнат противоположна сила - все още не е бил установен в тогавашната наука.

Гравитацията пък е обяснена от Аристотел като тенденция на материалите да се подреждат в съответствие с естествен ред. С други думи, гравитацията и летящите снаряди се обясняват с две много различни теории.

_{Скици на Леонардо. Кредит: British Library}

Макар че в изчисленията му имало грешки, възстановката на експериментите на Леонардо в лаборатория разкрива, че алгоритъмът му изчислява неуловимата гравитационна константа ("g") с точност до 97 % в сравнение със съвременните методи и уравнения.

"Разработвайки подход на геометрична еквивалентност за демонстриране на законите на движението, Леонардо е показал забележителна проницателност по отношение на динамиката на падащите обекти, като е избегнал необходимостта да знае точната стойност на "g", стига да приемем, че "g" представлява скоростта на изменение на скоростта или ускорението", пишат изследователите.

"Ако той е провел експеримента, който е изобразил в ръкописа си, тогава той би могъл да бъде първият човек, който съзнателно е генерирал ефекта на силата "g", без да е в състояние на свободно падане."

Изследователите са особено впечатлени от методите на Леонардо, който използва това, с което е разполагал по онова време - предимно геометрия - и го използва, за да изследва нещо непознато. Същото това новаторство може да се приложи в науката и днес.

Оказва се, че Леонардо да Винчи е бил на прав път, като е установил закономерности в начина, по който обектите падат, които по-късно са използвани за обяснение на движението на звездите и планетите - и за известното предсказване на съществуването на Нептун.

"Не знаем дали да Винчи е правил допълнителни експерименти или е изследвал този въпрос по-задълбочено", посочва Гариб. "Но фактът, че той се е заел с този проблем по този начин - в началото на 1500 г. - показва колко напред е било мисленето му."

Справка: Morteza Gharib, Chris Roh, Flavio Noca; Leonardo da Vinci’s Visualization of Gravity as a Form of Acceleration. Leonardo 2022; doi: https://doi.org/10.1162/leon_a_02322

Източници:

Leonardo da Vinci's forgotten experiments explored gravity as a form of acceleration
Robert Perkins, California Institute of Technology

Sketches Hint Leonardo da Vinci Grasped Gravity a Century Ahead of Newton, ScienceAlert