Целый ряд исследований ученых стран ислама посвящен важной области применения весов - определению удельного веса, преимущественно металлов и драгоценных камней. Отправной точкой для них были античные сочинения по статике, и прежде всего трактат Архимеда "О плавающих телах". Этими проблемами занимались такие крупные ученые, как ал-Бируни, Омар Хайям и его ученик ал-Хазини.
Ал-Бируни в своем минералогическом трактате "Собрание сведений о познании драгоценностей" приводит результаты большого числа точных взвешиваний. В качестве эталона для драгоценных камней он выбирал сапфир, а для металлов - золото.
Определению удельных весов посвящен его специальный трактат "Об отношениях между металлами и драгоценными камнями в объеме", который дошел до нас в передаче ал-Хазини. Среди своих предшественников ал-Бируни называет александрийского математика и астронома Менелая и ряд своих современников, принадлежащих в основном к Багдадской школе: Санада ибн-Али (IX в.), Юханну ибн-Юсуфа (X в.), ар-Рази (XI в.). Своим непосредственным предшественником ал-Бируни считает Ахмада ибн ал-Фадла ал-Бухари (X в.), метод которого основан на сравнении весов равных объемов чистых металлов и сплавов. Аналогичный метод излагается в трактате Абумансура ан-Найризи, посвященном определению удельных весов меди и свинца. Ал-Бируни описывает его под названием "метод Абумансура". Основную проблему ал-Бируни видит именно в "установлении отношений между металлами и минералами в объеме и весе". Для возможно более точного определения объемов изучаемых минералов ал-Бируни пользовался специально сделанным отливным стаканчиком. Удельные веса он приводит с точностью до 1 тасуджа (/24 мискаля, равного 425 г.). Помимо определения удельных весов металлов и минералов ал-Бируни с помощью специально сконструированного сосуда определял удельные веса ряда жидкостей. Он отмечает различие удельного веса холодной и горячей, пресной и соленой воды, указывает на связь плотности воды с ее удельным весом.
Дальнейшее усовершенствование способов взвешивания и определения удельных весов производит Омар Хайям в трактате "Весы мудростей, или об абсолютных водяных весах". Хайям излагает способ взвешивания с помощью весов, находящихся в воде и в воздухе, и применяет его для определения количества золота и серебра в сплаве. Удельный вес металлов он определяет, рассматривая отношения их весов в воздухе и в воде. Большой интерес представляет графическая иллюстрация получаемых пропорций с помощью отрезков прямых линий различной длины.
АБУ РАЙХАН БИРУНИ (973-1050)
Среднеазиатский ученый-энциклопедист. Бируни - автор капитальных трудов по математике, астрономии, истории, географии и минералогии
Методам взвешивания и определения удельных весов посвящена значительная часть трактата ал-Хазини "Весы мудрости". Ал-Хазини подробно излагает способы Менелая, ал-Бируни и его предшественников в странах ислама.
В трактате приведена модификация способа Хайяма, где для определения веса золота в сплаве золота и серебра ал-Хазини прибегает к уравнению первой степени, которое решает с помощью "алгебры и алмукабалы". Следуя Хайяму, ал-Хазини также строит графическую схему для геометрической иллюстрации совершаемых им арифметических операций. Приведенные им числовые данные позволяют судить о точности производимых взвешиваний (около 0,1%). Ал-Хазини определял объемы, пользуясь отливным стаканчиком, изобретенным ал-Бируни. По весам и объемам ал-Хазини находил удельные веса различных веществ.
Интересно сопоставление его данных с современными: удельный вес серебра - 10,30 (современное - 10,49), золота-19,05 (19,27), свинца - 11,32 (11,39), ртути - 13,56 (13,557), меди - 8,66 (8,94), железа - 7,74 (7,87). Как видно, расхождения незначительные. Такая точность позволяла обнаружить различие удельного веса при разных температурах (для кипящей воды дается число 0,958, что совпадает с современными данными). Точное определение удельных весов позволяло решать ряд практических задач: отличать чистый металл от подделок, устанавливать ценность монет, выявлять подлинность драгоценных камней.
Кроме метрологической части "Книга о весах мудрости" содержит теоретический раздел, в котором рассматривается определение центров тяжести, потери веса телами при их погружении в воду, кажущегося веса тел в воздухе, равновесия плавающих тел, сферической формы жидкости, находящейся в равновесии, и др. С определением удельных весов мы встречаемся и в XV в. в "Ключе арифметики" самаркандского ученого Джем-шида ал-Коши.
Развитие кинематических представлений в механике стран ислама остается тесно связанным с разработкой теории движения небесных тел. До нас дошло свыше 100 зиджей VIII-XV вв. Кинематические модели, описывающие движение светил, рассматриваются и в большом количестве специальных трактатов Сабита ибн-Корры, его внука Ибн-Синана, ал-Бируни и многих других.
В "Книге о замедлении и ускорении движения по зодиакальной орбите в соответствии с его расположением относительно эксцентрической орбиты" Ибн-Корра изучает видимое движение Солнца по эклиптике, исходя из античной эксцентрической гипотезы. Свои утверждения он формулирует в виде четырех предложений, два из которых чисто геометрические. С их помощью Ибн-Корра доказывает, что на дуге эклиптики, соответствующей дуге эксцентрической орбиты, расположенной ближе к апогею, движение Солнца медленнее, чем на дуге эклиптики, соответствующей дуге эксцентрической орбиты, расположенной ближе к перигею. А на таких двух дугах эклиптики, вместе взятых, если эти дуги равны, расположены симметрично относительно точек, отстоящих на 90° от апогея и перигея, и имеют общий конец в одной из этих точек, "истинное", т. е. видимое, движение равно среднему равномерному движению по соответствующей дуге эксцентрической орбиты. Свои рассуждения Ибн-Корра приводит для произвольных сколь угодно малых дуг эксцентрической орбиты.
Блестящим образцом кинематического исследования является описание движения Солнца в окрестности апогея и перигея в "Каноне Масуда" ал-Бируни. Рассматривая здесь движение точки по окружности, ал-Бируни подвергает его детальному математическому анализу. Если Ибн-Корра исходил из геометрических представлений, ал-Бируни сводит свое исследование к изучению поведения "уравнения Солнца", т. е. разности между дугами "истинного" и "среднего" движения, и разностей значений этого "уравнения" в концах дуг эксцентрической орбиты. Ал-Бируни показывает, что две указанные выше точки, в которых скорость видимого движения совпадает со скоростью равномерного движения по эксцентрической орбите, являются точками максимума "уравнения". Далее он показывает, что скорость видимого движения Солнца достигает в точках апогея и перигея максимума и минимума и что при перемещении от одного к другому наблюдается непрерывное возрастание и убывание скорости. Ал-Бируни связывает это с непрерывным возрастанием и убыванием "разностей уравнения", которые обращаются в нуль в точках максимума "уравнения".
В "Каноне Масуда" ал-Бируни пишет, что замедление движения Солнца по эклиптике в апогее переходит в его ускорение в перигее только после того, как оно проходит через равенство его и среднего движения в место наибольшего угла для уравнения. Изменение движения по обе стороны от этого места не ощущается, так как разность (уравнений) начинает уменьшаться от апогея до этого упомянутого места, потом как бы исчезает в нем, а затем увеличивается, пока Солнце не достигнет перигея.
Хотя ал-Бируни в своих трудах не выделил еще ни понятия ускорения, ни понятия скорости в общем виде, его исследование было существенным шагом в этом направлении. Эти идеи не получили, однако, дальнейшего развития на средневековом Востоке и возродились уже в Западной Европе три столетия спустя.
III.
МЕХАНИКА В СРЕДНЕВЕКОВОЙ ЕВРОПЕ
Сдвиги в науке и технике Запада начались несколько позднее, чем на Востоке, - с конца XI в. Они были вызваны серьезными изменениями в экономике. К этому времени становится более продуктивным сельское хозяйство, возникают ремесла, развивается торговля и денежное обращение, усиливается рост городов. Крестовые походы способствуют знакомству Европы с культурными достижениями Востока. Энгельс писал: "…Со времени крестовых походов промышленность колоссально развилась и вызвала к жизни массу новых механических (ткачество, часовое дело, мельницы), химических (красильное дело, металлургия, алкоголь) и физических фактов (очки), которые доставили не только огромный материал для наблюдений, но также и совершенно иные, чем раньше, средства для экспериментирования и позволили сконструировать новые инструменты. Можно сказать, что собственно систематическая экспериментальная наука стала возможной лишь с этого времени".
Заметными становятся и успехи техники. В X-XII вв. большое развитие получили водяные мельницы, несколько позже - ветряные. Тогда же в Европе появились механические часы. Немаловажное значение для накопления знаний о законах природы имели изготовление военного снаряжения, кораблестроение, градостроительство, устройство крупных гидротехнических сооружений.