Christiaan Huygens

Een natuurfilosoof en werktuigbouwer van het eerste uur

Door Rik Lubbers

Werktuigbouwkunde wordt ook wel gezien als de toepassing van natuurkunde en wiskunde. Één van de eerste werktuigkundigen is de uit Brugge afkomstige Simon Stevin. De tijd waarin Stevin leefde was een tijd van grote progressie in vele wetenschappelijke disciplines. In deze Staut worden de hoogtepunten bekeken van een van de grondleggers van de mechanica, zij het niet een van de, of misschien wel de, bekendste Nederlandse uitvinders: Christiaan Huygens. Huygens was een vooraanstaand wetenschapper die veel bereikt heeft en was hij zowel in de fysica, als in de wiskunde zeer befaamd.

Huygens groeide op in een vermogend gezin, waardoor hij makkelijk toegang had tot de juiste mensen en het juiste onderwijs. Door de contacten van zijn vader, die diplomaat en topadviseur van het Koningshuis was, kon Huygens mee op een gezantschapsreis naar Denemarken, waar hij de vergeefse hoop had om Descartes te kunnen ontmoeten. Het was deze reis dat Huygens deed besluiten om zijn diplomatieke carrière te stoppen om zich aan de wetenschap te wijden.

Simon Stevin

Als 17-jarige was Huygens al goed bekwaam met de wiskunde van zijn tijd. Een van de eerste grote wiskundige stellingen waar de kersverse wiskundige zich mee bezig hield, was de zogeheten kettinglijn. Een kettinglijn is een stuk touw waarbij de uiteinden zijn vastgemaakt. Niet ver voor de bevindingen van Huygens, hadden zowel Stevin als Galileo Galilei bepaald dat een kettinglijn een parabool moest zijn. De benadering van Huygens liet echter zien dat het geen parabool kon zijn. Door middel van het hangen van evenredig verdeelde gewichtjes, ontkrachtte Huygens de theorie van Stevin en Galilei.

Middelpuntvliedende kracht

Het is de tweede wet van Newton die de hedendaagse samenleving goed in het geheugen heeft geprent. De in 1687 uitgekomen beschrijving van Newton, is dan ook de meest volledige beschrijving over de theorie van de simpele harmonische bewegingen. Zij het niet dat in 1659 Huygens zijn theorie al uitbracht, waar hij de denkfouten van Descartes herstelde en de beschrijving voor de kwadratische vorm van de tweede wet van Newton beschreef: de centrifugale kracht. Descartes was ervan overtuigd dat een lichaam pas van richting kon veranderen mits er een botsing heeft plaatsgevonden met een ander lichaam. De formule die hedendaags nog altijd gebruikt wordt, is gebaseerd op de relatie tussen de massa (m), snelheid (v) en de afstand tot het draaipunt (r), zoals beschreven in de functie hieronder.

Toen Huygens deze algemene formule publiceerde in 1673, zorgde dit voor een grote stap in het begrijpen van de banen van planeten in het zonnestelsel. Het was het einde van de derde wet van Kepler, waar het kwadraat van de omlooptijd van een planeet evenredig is met de derde macht van haar halve lange as.

Het slingeruurwerk

In de 17e eeuw waren de bestaande klokken zo onnauwkeurig dat men er op zee geen praktisch nut ondervonden. Zijn vriend en collega Galileo Galilei had aan het begin van de 17e reeds onderzoek gedaan naar de werking van een slinger, wat Huygens inspireerde om hier zichzelf ook in te verdiepen. Aan de hand van de ritmische beweging die een slinger maakt, die Galilei reeds had ontdekt, begon Huygens pendules, ofwel ‘slingeruurwerken’ te ontwerpen, waardoor hij veel nauwkeurigere tijdswaarneming kon hanteren. Het was Huygens die de relatie tussen de slingertijd (T_slinger), de valversnelling (g) en de lengte van het koord (of de staaf) tussen het rotatiepunt en de massa (l) wiskundig wist vast te leggen, wat doorsloeg in het grote succes van het slingeruurwerk. De wiskundige formule voor de ideale slinger, die vandaag de dag altijd nog gebruikt wordt, staat hieronder beschreven.

Om een seconde zo nauwkeurig mogelijk te benaderen, berekende Huygens dat de lengte van de slinger 99,4 centimeter moest zijn. Dit uurwerk was zo accuraat dat het de nauwkeurigste klok was tot 1930, toen men erachter kwam dat de klokken op basis van kwarts een meer nauwkeurige tijdswaarneming vertoonden. Het was dus het uurwerk van Huygens dat bijna 275 jaar de high tech standaard voor uurwerken was.

De golftheorie

Één van de meest befaamde wetenschappelijke stukken van Huygens is zijn golftheorie van het licht. Huygens geloofde al dat de snelheid van licht niet oneindig groot kon zijn, en zijn theorie werd bevestigd door de experimenten van de Deense astronoom Ole Rømer. Rømer observeerde de eclipsen van een maan van Jupiter, waar hij ontdekte dat de eclipsen later dan voorspeld optraden wanneer Jupiter verder van de aarde verwijderd was. Dit was volgens Rømer alleen te verklaren doordat het licht een langere afstand moest overbruggen en dus niet een oneindige grote snelheid heeft. Huygens redeneerde dat licht moest bestaan uit longitudinale golven.

De in 1690 gepubliceerde theorie over de golven hield tot 1704 stand, toen Isaac Newton zijn theorie publiceerde waarin Newton concludeerde dat licht niet uit golven, maar uit deeltjes moest bestaan. De publicatie van dit manuscript kwam de, toch al zeer bekritiseerde theorie van Huygens duur te staan: de theorie van Newton werd leidend. Huygens zou tot 1819 moeten wachten om zijn theorie opnieuw tot leven te zien komen. De onderzoeken naar interferentie van Thomas Young en het onderzoek van Fançois Arago naar het Poisson-punt, die alleen door golven verklaard konden worden door de golftheorie van Huygens.

Astronomie

Net als vele wetenschappers in zijn tijd, was ook Huygens geïnteresseerd in het heelal. De methoden, en vooral de instrumenten, waarmee naar de sterren werd gekeken, waren echter van te ondermaatse kwaliteit. Huygens besloot daarop zijn eigen telescoop te maken. Het werd een 66 meter lange telescoop, zonder kijkbuis. De twee lenzen, middels een touw verbonden, moesten handmatig met elkaar op een lijn gezet worden. Het was met deze telescoop dat Huygens de ring om Saturnus zag en beschreef als een solide platte schijf om de planeet heen. Naast de ring, ontdekte hij ook geografische kenmerken op het oppervlakte van de planeet Mars, evenals een van de manen van Saturnus, die later Titan genoemd zou worden. Huygens was dan ook de eerste die de omlooptijd van Mars nagenoeg precies had bepaald: 24,5 uur, daar de daadwerkelijke omlooptijd 24 uur en 37 minuten is.

Vooruitgang is het woord dat moet opkomen wanneer men aan Christiaan Huygens denkt, gezien Huygens aan de voet van de berg aan rijke kennis, waar tegenwoordig nog steeds op gebouwd wordt, de basis heeft gelegd. Samen met Simon Stevin en Galileo Galilei is Huygens één van de eerste werktuigkundigen, waar zijn uitvinding van het slingeruurwerk en de golftheorie van het licht zijn meest befaamde werken zijn. Het is niet voor niets dat Huygens gezien wordt als de meest vooruitstrevende natuurfilosoof tussen Descartes en Newton.