伽利略惯性原理

伽利略惯性原理

伽利略时代，人们都相信亚里士多德的说法：外力是物体产生并维持运动的原因。亚里士多德的著作中写道：“推一个物体的力不再去推它时，原来运动的物体便归于静止。”亚里士多德在当时人们的心目中是仅次于上帝的人物。他说的话被奉为不可违背的真理。亚里士多德的信徒还举出许多实际例子来证明这一点。例如：马拉车，车才能动，马车继续前进是因为马不断向前拉它；一旦马不拉了，车也就停下来。可是敢于向传统观念挑战的伽利略，却不赞同亚里士多德的观点。他认为单凭直觉的推理方法是不可靠的，常常会导致错误。于是，伽利略在来到帕多瓦大学任教不久，就把他的研究方向转向动力学研究方面。

伽利略经过仔细研究和思考之后，尤其是联想到他从前的摆动实验，觉得研究力与运动的关系首先还得借助于实验。伽利略精心设计了他的新实验，并很快准备好实验所需物品。

伽利略将一个圆的金属球，放在光滑的平面上。球与面之间的摩擦力很小，可忽略不计。他用这个实验观察、分析小球的运动与力的关系。

当平面向下倾斜时，金属球在斜面上受重力作用，向下滚动，速度不断加快。斜面越陡，滚动速度越快。当斜面倾斜90°时，金属球则垂直跌落，与自由落体相同。

当平面向上倾斜时，金属球则不能自动向上滚动。当用力推它一下时，它可以向上运动一段距离，速度不断减慢，直至停止，然后又反向向下滚动。它向上滚动距离的长短，取决于推力的大小。

当平面既不向下倾斜，也不向上倾斜，处于水平状态时，把金属球放在平面上，它总保持静止状态。当用手把它朝某个方向推一下时，它就朝那个方向以恒定的速度运动下去。可以想象，若是这个平面是无限的，那么它将在平面上无休止地运动下去。

通过上述实验，伽利略指出：金属球沿斜面向下运动的加速和向上运动的减速，是由于重力作用于它。当它处于平面上时，由于重力作用消除，因此它一旦获得某一速度之后，它将以恒速运动下去。这说明维持这个运动不需要任何外力了。

伽利略又做了另一个实验来论证上述论点。他把两个斜面相向放在一起，让金属球从一个斜面自由滚落，它能够滚上另一个斜面，并达到同样的高度（球与面之间的摩擦力极小，可忽略不计），但是不能超过。并且它在另一个斜面上的上升高度与斜面的倾斜度无关。如果第二个斜面的坡度减小，那么金属球上升到相应高度的距离会长些。如果第二个斜面坡度很陡时，金属球上升到相应高度的距离就减少了。同理，如果它坡度为0时，金属球便永远也达不到起始高度。它将沿平面无休止地运动下去。

通过上述实验研究，伽利略发现：物体只要不受外力作用，它就会保持其原有的静止或运动状态。伽利略对惯性运动这一规律的发现是在牛顿之前对经典力学第一定律的最初发现。人们称之为“伽利略惯性理论”。

按照伽利略惯性理论，马车前进时，一旦马不拉它，它是不会即刻停下来的，而是要向前再冲一段距离。类似现象，伽利略在他的书中也有很生动的描述：“当带着石头快速运动的东西撞到一个固定的物上时，石头一定会猛烈向前冲去。这和我们日常在一条快速行驶的船上看到的现象是一致的：当船搁浅或触到什么障碍物时，船上所有的人都会出其不意地突然向船头跌去。如果地球碰上什么障碍物使它的自转突然停止的话，我相信这时不但野兽、建筑、城市，而且大山、湖泊、海洋都会翻倒过来。”

就这样，伽利略形成了与亚里士多德不同的结论：物体的运动并不需要外力来维持，只有运动的变化才是外力作用的结果。伽利略这一重大发现，不仅纠正了亚里士多德的错误理论，而且奠定了力学研究的基础。后来由牛顿把它总结成第一运动定律。近代著名科学家爱因斯坦高度评价伽利略这一工作，他说：“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。”