مقدمه

ارشمیدس دانشمند و ریاضیدان یونانی در سال 212 قبل از میلاد در شهر سیراکوز یونان چشم به جهان گشود و در جوانی برای آموختن دانش به اسکندریه رفت. بیشتر دوران زندگیش را در زادگاهش گذرانید و با فرمانروای این شهر دوستی نزدیک داشت. در اینجا سخن از معروفترین استحمامی است که یک انسان در تاریخ بشریت انجام داده است. در داستانها چنین آمده است که بیش از 2000 سال پیش در شهر سیراکوز پایتخت ایالت یونانی سیسیل آن زمان ارشمیدس مکانیک دان و ریاضیدان و مشاور دربار پادشاه یمرون یکی از معروفترین کشفهای خود را در خزینه حمام انجام داد.

کشفی در حمام

روزی که او در حمامی عمومی به داخل خزینه پا نهاد و در آن نشست و حین این کار بالا آمدن آب خزینه را مشاهده کرده ، ناگهان فکری به مغزش خطور کرد. او بلافاصله لنگی را به دور خود پیچید و با این شکل و شمایل به سمت خانه روان شد و مرتب فریاد می‌زد یافتم، یافتم. او چه چیزی را یافته بود؟ پادشاه به او مأموریت داده بود راز جواهر ساز خیانتکار دربار را کشف و او را رسوا کند. شاه هیرون بر کار جواهر ساز شک کرده بود و چنین می‌پنداشت که او بخشی از طلایی را که برای ساختن تاج شاهی به وی داده بود برای خود برداشته و باقی آن را با فلز نقره که بسیار ارزانتر بود مخلوط کرده و تاج را ساخته است.

هر چند ارشمیدس می‌دانست که فلزات گوناگون وزن مخصوص متفاوت دارند، ولی او تا آن لحظه اینطور فکر می‌کرد که مجبور است تاج شاهی را ذوب کند، آنرا به صورت شمش طلا قالب ریزی کند تا بتواند وزن آن را با شمش طلای نابی به همان اندازه مقایسه کند. اما در این روش تاج شاهی از بین می‌رفت، پس او مجبور بود راه دیگری برای این کار بیابد. در آن روز که در خزینه حمام نشسته بود دید که آب خزینه بالاتر آمد و بلافاصله تشخیص داد که بدن او میزان معینی از آب را در خزینه حمام پس زده و جابجا کرده است.

آزمایش و اثبات ناخالصی تاج شاهی (کشفی از رازهای طبیعت)

او با عجله و سراسیمه به خانه بازگشت و شروع به آزمایش عملی این یافته کرد. او چنین اندیشید که اجسام هم اندازه ، مقار آب یکسانی را جابجا می‌کنند، ولی اگر از نظر وزنی به موضوع نگاه کنیم یک شمش نیم کیلویی طلا کوچکتر از یک شمش نقره به همان وزن است (طلا تقریبا دو برابر نقره وزن دارد)، بنابراین باید مقدار کمتری آب را جابجا کند. این فرضیه ارشمیدس بود و آزمایشهای او این فرضیه را اثبات کرد. او برای این کار نیاز به یک ظرف آب و سه وزنه با وزنهای مساوی داشت که این سه وزنه عبارت بودند از تاج شاهی ، هم وزن آن طلای ناب و دوباره هم وزن آن نقره ناب.

او در آزمایش خود تشخیص داد که تاج شاهی میزان بیشتری آب را نسبت به شمش طلای هم وزنش پس می‌راند، ولی این میزان آب کمتر از میزان آبی است که شمش نقره هم وزن آن را جابجا می‌کند. به این ترتیب ثابت شد که تاج شاهی از طلای ناب و خالص ساخته نشده، بلکه جواهر ساز متقلب و خیانتکار آن را از مخلوطی از طلا و نقره ساخته است و به این ترتیب ارشمیدس یکی از چشمگیرترین رازهای طبیعت را کشف کرد. آن هم اینکه می‌توان وزن اجسام سخت را با کمک مقدار آبی که جابجا می‌کنند اندازه گیری کرد. این قانون (وزن مخصوص) را که امروزه به آن چگالی می‌گویند اصل ارشمیدس می‌نامند. حتی امروز هم هنوز پس از 23 قرن بسیاری از دانشمندان در محاسبات خود متکی به این اصل هستند.

قطعه ای به جا مانده از مارپیچ ارشمیدس

فعالیت در حوزه‌های دیگر

یکی از روشهای نوین ارشمیدس در ریاضیات بدست آوردن عدد بود، وی برای محاسبه عدد پی ، یعنی نسبت محیط دایره به قطر آن روشی بدست داد و ثابت کرد که عدد محصور مابین 7/1 3 و 71/10 3 است، گذشته از آن روشهای مختلف برای تعیین جذر تقریبی اعداد به دست داد و از مطالعه آنها معلوم می‌شود که وی قبل از ریاضیدانان هندی با کسرهای متصل یا مداوم متناوب آشنایی داشته است. در حساب روش غیر عملی و چند عملی یونانیان را که برای نمایش اعداد از علائم متفاوت استفاده می‌کردند، به کنار گذاشت و پیش خود دستگاه شمارشی اختراع کرد که به کمک آن ممکن بود هر عدد بزرگی را بنویسیم و بخوانیم.

دانش تعادل مایعات بوسیله ارشمیدس کشف شد و وی توانست قوانین آنرا برای تعیین وضع تعادل اجسام غوطه ور بکار برد. همچنین برای اولین بار برخی از اصول مکانیک را به وضوح و دقت بیان کرد و قوانین اهرم را کشف کرد.

ارشمیدس و دیگر دانشمندان دوران خود

وداع با دنیا

دقت کنید که در این رابطه چگالی شاره و vحجم شاره جابجا شده است که مساوی است باحجم قسمتی از جسم که داخل شاره است و gشتاب گرانشی است حال سوالی مطرح می شود و آن اینکه چه شرایطی لازم است تا یک جسم در یک شاره شناور شود ؟ می دانیم در به هر جسمی در یک میدان گرانشی نیروی وزن وارد می شود و به جسم درون شاره حداقل دو نیروی ارشمیدس و نیروی گرانش وارد می شود می دانیم که نیروی گرانش همیشه روبه پایین و نیروی ارشمیدس (نیروی شناوری) همیشه روبه بالا هرگاه این دو نیرو برابر باشند جسم درون آب غوطه ور می شود ولی فرق شناوری و غوطه وری چیست ؟ وقتی می گوییم جسمی شناور است که در سطح آب باشد اما جسم غوطه ور میتواند در هر جای شاره باشدبه طور مثال خود آب درون خود شناور است.

رساله های ارشمیدس

پیچ ارشمیدس از کاربردی ترین ماشین های ساخت او

آثار علمی ارشمیدس شاهکارهایی با زبان ریاضیات هستند و بسیار شبیه به مقالات امروزی در مجله های ریاضی می باشند و همگی آنها مهارت در بیان و استدلال در موضوعات مختلف توسط او را نشان می دهند.

از ارشمیدس حدود ده رساله برجای مانده است و بنظر می رسد که تعدادی نیز مفقود شده است. از جمله مهمترین آثار او می توان به روشهای محاسبه انتگرال ها، روشهایی برای اندازگیری دایره، مسئله تربیع سهمی، مسائلی در باب مارپیچ ها و ... اشاره کرد.

ارشمیدس در مقوله هندسه فضایی نیز رساله هایی دارد از جمله می توان به رساله او در باب کره و استوانه و دیگری در باب شبه مخروطها و شبه کره ها اشاره کرد که در آنها راجع به نحوه محاسبه مساحت کره، عرقچین و ... صحبت می شود. قضیه معروف زیر از او می باشد :

"از بین تمام قطعه های کروی با یک قاعده که دارای مساحت برابر باشند، نیمکره بزرگترین حجم را دارد."

شکی در آن نیست که ارشمیدس رسالاتی نیز در زمینه فیزیک داشته است که مفقود شده است. در آثار برخی از دانشمندان بعدی او به کتبی اشاره می شود که وی در باب فیزیک نوشته است. از این دسته می توان به نوشته های او در زمینه اهرم ها و آینه ها اشاره کرد.

آینه های سوزان ارشمیدس

ارشمیدس ریاضی دان و مخترع قرن سوم قبل از میلاد بود. یکی از داستان های مرتبط با اون، اختراع “شیشه سوزانی” است که توسط اون کشتی های جنگی دشمن رو با استفاده از نور آفتاب آتش زد و یونان رو نجات داد.
هفته قبل این مثال تاریخی، مساله عملی دانشجویان کلاس “فرآیند مهندسی محصول” دانشگاه MIT بود :‌ دانشجویان باید با استفاده از وسایل در دسترس ارشمیدس، یک ماکت چوبی کشتی 3 متری رو آتش می زدند !
روش ؟ ساده : 129 تا آینه مسطح (هرکدام به مساحت 30 سانتی متر مربع) در کنار هم به شکلی قرار داده شدند که نور رو روی یک نقطه متمرکز کنند. نتیجه ؟ همانطور که در عکس می بینید، فقط 10 دقیقه بعد از طلوع خورشید، چوب هایی که تقریبا نیاز به 600 درجه برای آتش گرفتن داشتند، با یک شعله باز و دائمی، آتش گرفتند و حقانیت ارشمیدس ثابت شد‌!

راه حل ارشمیدس

ارشمیدس می‌دانست که هر جسم چگالی خاص خود را دارد. پس اگر زرگر مقداری از طلا را با نقره جایگزین کرده باشد، حجم تاج از حجم طلای اولیه- که به زرگر تحویل داده شده بود - کمتر است. چون چگالی نقره از چگالی طلا کمتر است و در نتیجه اگر دو وزنه یکسان از طلا و نقره داشته باشیم، حجم نقره بیشتر خواهد بود. مشکلی که بر سر راه وجود داشت این بود که اندازه گیری حجم تاج غیرممکن بود. ارشمیدس فقط راه محاسبه حجم شکل های منظم ( مانند مکعب، کره و .... ) را می‌دانست. پادشاه هم دستور داده بود که تاج را تخریب نکنند.

روزی ارشمیدس به حمام رفت. او متوجه شد که وقتی وارد آب می‌شود، مقداری از آب بیرون می‌ریزد. هر چه بیشتر در آب فرو می‌رفت، آب بیشتری بیرون می‌ریخت. او راه حل مسئله را پیدا کرد. با شتاب از حمام خارج شد و فریاد زد: " یافتم! یافتم! "

او تاج را در ظرفی پر از آب انداخت. سپس هم وزن آن طلا برداشت. ظرف را و طلا را در ظرف انداخت. آبی را که از دو ظرف بیرون ریخته بود با هم مقایسه کرد. آبی که از ظرف اول بیرون ریخته بود، بیشتر بود. پس معلوم شد که شایعات درست است و پادشاه زرگر را به سختی مجازات کرد