伽利略对力学的研究

伽利略对力学的研究

你热爱生命吗那么，别浪费时间，因为时间是组成生命的材料。

——富兰克林

伽利略其人

伽利略是伟大的意大利物理学家和天文学家，他开创了以实验事实为基础并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学。他为推翻以亚里士多德为旗号的经院哲学对科学的禁锢、改变与加深人类对物质运动和宇宙的科学认识而奋斗了一生，因此被誉为“近代科学之父” 。

美丽的比萨城

一、动手动脑，孜孜不倦

伽利略1564年2月15日生于比萨一个乐师和数学家之家，从小爱好机械、数学和音乐、诗画，喜欢做水磨、风车、船舶模型。17岁时虽遵父命入比萨大学学医，但却不顾教授们反对，独自钻研图书馆中的古籍和进行实验。1582年冬，托斯卡纳公爵的年轻数学教师里奇允许伽利略旁听，使他进入一个新世界。里奇擅长的应用力学与应用数学及生动的讲课，引导他学习水力学、建筑学和工程技术及实验，伽利略在此期间如饥似渴地读了许多古代数学与哲学书籍，阿基米德的数学与实验相结合的方法使他深受感染，他深情地说： “阿基米德是我的老师。 ”

二、善于观察，勤于实验

伽利略对周围世界的多种多样运动特别感兴趣，但他发现“运动的问题这么古老，有意义的研究竟如此可怜。 ”他的学生维维安尼在《伽利略传》中记叙了1583年19岁的伽利略在比萨大教堂的情景：

著名天文学家伽利略

“以特有的好奇心和敏锐性，注视悬挂在教堂最顶端的大吊灯的运动——它的摆动时间在沿大弧、中弧和小弧摆动时是否相同。当大吊灯有规律地摆动时，他利用自己脉搏的跳动，和自己擅长并熟练运用的音乐节拍测算，他清楚地得出结论：时间完全一样。他对此仍不满足，回家以后，用两根同样长的线绳各系上一个铅球作自由摆动。他把两个摆拉到偏离竖直线不同的角度，例如30 。和10 。，然后同时放手。在同伴的协助下，他看到无论沿长弧和短弧摆动，两个摆在同一时间间隔内的摆动次数准确相等。他又另外做了两个相似的摆，只是摆长不同。他发现，短摆摆动300次时，长摆摆动40次（均在大角度情况下） ，在其他摆动角度（如小角度）下它们各自的摆动次数在同一时间间隔内与大角度时完全相同，并且多次重复仍然如此。他由此得出结论：看来无论对于重物体的快速摆动还是轻物体的慢摆动，空气的阻力几乎不起作用，摆长一定的单摆周期是相同的，与摆幅大小无关。他还看到，摆球的绝对重量或相对比重的大小都引不起周期的明显改变……只要不专门挑选最轻的材料做摆球，否则它会因空气阻力太大而很快静止下来。 ”

佛罗伦萨

伽利略对偶然机遇下的发现，不但做了多次实测，还考虑到振幅、周期、绳长、阻力、重量、材料等因素，他还利用绳长的调节和标度做成了第一件实用仪器——脉搏计。

1585年因家贫退学，回到佛罗伦萨，担任了家庭教师并努力自学。他从学习阿基米德《论浮体》及杠杆定律和称金冠的故事中得到启示。自己用简单的演示证明了一定质量的物体受到的浮力与物体的形状无关，只与比重有关。他利用纯金、银的重量与体积列表后刻在秤上，用待测合金制品去称量时就能快速读出金银的成色。这种“浮力天平”用于金银交易十分方便。1586年他写了第一篇论文《小天平》记述这一小制作。1589年他又结合数学计算和实验写了关于几种固体重心计算法的论文。这些成就使他于1589年被聘为比萨大学教授，1592年起移居到威尼斯任帕多瓦大学教授，开始了他一生的黄金时代。

比萨大学

在帕多瓦大学，他为了帮助医生测定病人的热度做成了第一个温度计，这是一种开放式的液体温度计，利用带色的水或酒精作为测温物质，这实际上是温度计与气压计的雏形，利用气体的热胀冷缩性质通过含液玻璃管把温度作为一种客观物理量来测量。

伽利略认为： “神奇的艺术蕴藏在琐细和幼稚的事物中，致力于伟大的发明要从最微贱的开始。 ” “我深深懂得，只要一次实验或确证，就足以推翻所有可能的理由。 ”伽利略不愧是实验科学的奠基人。

三、破除迷信，闯出新路

伽利略认真读过亚里士多德的《物理学》等著作，认为其中许多是错误的。他反对屈从于亚里士多德的权威，嘲笑那些“坚持亚里士多德的一词一句”的书呆子。他认为那些只会背诵别人词句的人不能叫哲学家，而只能叫“记忆学家”或“背诵博士” 。他认为， “世界乃是一本打开的活书” ，“真正的哲学是写在那本经常在我们眼前打开着的最伟大的书里，这本书是用各种几何图形和数学文字写成的。 ”

他从小好问，好与师友争辩。他主张“不要靠老师的威望而是靠争辩”来满足自己理智的要求。他反对一些不合理的传统。例如他在比萨大学任教时就坚决反对教授必须穿长袍的旧规，并在学生中传播反对穿长袍的讽刺诗。他深信哥白尼学说的正确，他一针见血地笑那些认为天体不变的人， “那些大捧特捧不灭不变的人，只是由于他们渴望永远活下去和害怕死亡” 。

伽利略的实验装置和实验数据笔记

伽利略依靠工匠们的实践经验与数学理论的结合，依靠他自己敏锐的观察和大量的实验成果，通过雄辩和事实，粉碎了教会支持的亚里士多德和托勒密思想体系2000多年来对科学的禁锢，在运动理论方面奠立了科学力学的基石（如速度、加速度的引入，相对性原理、惯性定律、落体定律、摆的等时性、运动叠加原理等） ，而且闯出了一条实验、逻辑思维与数学理论相结合的新路。

四、热爱科学，传播真理

伽利略在帕多瓦自己的家中开办了一个仪器作坊，成批生产多种科学仪器与工具，并利用它们亲自进行实验。1609年7月，他听说荷兰有人发明了供人玩赏的望远镜后，8月，就根据传闻及折射现象，找到铅管和平凸及平凹透镜，制成第一台3倍望远镜，20天后改进为9倍，并在威尼斯的圣马克广场最高塔楼顶层展出数日，轰动一时。11月，他又制成20倍望远镜并用来观察天象，看到“月明如镜”的月球上竟是凸凹不平，山峦迭起。他还系统观察木星的四颗卫星。1610年他将望远镜放大倍数提高到33倍，同年3月发表《星空信使》一书，总结了他的观察成果并用来有力地驳斥地心说。伽利略发明望远镜可属偶然，但他不断改进设计，成批制造，逐步提高放大倍数，这不是一般学者、工匠或教师所能及的。

伽利略通过望远镜测得太阳黑子的周期性变化与金星的盈亏变化，看到银河中有无数恒星，有力地宣传了“日心说” 。

五、时代局限，历史遗案

1615年伽利略受到敌对势力的控告，他虽几经努力，力图挽回局面，但1616年教皇还是下了禁令，禁止他以口头或文字的形式传授或宣传“日心说” 。以后伽利略表面上在禁令下生活，实际上写出了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书来为哥白尼辩护。该书于1632年出版，当年秋伽利略就遭到严刑下的审讯。1633年6月22日伽利略被迫在悔过书上签字，随后被终身软禁。在软禁期间他又写了《关于两门新科学的对话与数学证明对话集》一书，该书于1638年在荷兰莱顿出版。

罗马教皇对伽利略审判

伽利略1642年1月8日病逝。终年78岁。

科学的蓬勃发展早已证实了伽利略的伟大和教会的谬误，1979年梵蒂岗教皇保罗二世宣布为这一历史判决平反，只是平反来得过迟了。

伽利略的力学研究

伽利略的科学研究主要集中在力学和天文学两个方面。伽利略的力学研究，在他的科学活动中占有极为重要的地位。他的理论奠定了经典力学的基础。以后经发展完善，建立了近代经典力学的系统理论。伽利略所建立的摆的定律、惯性定律、落体运动定律，以及对抛体运动的研究和他提出的相对性原理，构成了动力学的主要基础。

1638年，伽利略完成了他的力学巨著《关于力学以及地上运动的两个新学科中的对话和数学证明》 （ 《力学对话》 ） 。由于他的著作在意大利被禁止，此书于1638年在荷兰阿姆特丹出版。

两个铁球同时落地”实验

伽利略所建立的落体运动定律和惯性定律是《力学对话》的重要内容。在比萨大学任教时，伽利略就对亚里士多德的落体观点提出疑问，反对重物比轻物下落要快的传统说法。他通过大量的实验和理论推证，确定了自由落体定律。

关于落体问题，传说伽利略曾在比萨塔上当众做落体实验。其实，这个实验最早是著名力学家布鲁日的西蒙·斯台文在1587年从二楼窗台上所做的，伽利略当时并不知道此事。伽利略的学生韦韦亚尼于1654年出版了他写的《伽利略传》 ，把这项功绩记到了伽利略头上，并流传至今。

小球滚动实验

但是，为了证实自己的落体定律，伽利略也做了大量的实验。伽利略的实验主要是应用小球沿斜坡滚动的方法。小球滚动实验，证实了落体定律，也推出了惯性定律。最后，伽利略得出了物体坠落的路程与它经历的时间平方成正比，而与它的重量无关的结论。

伽利略的惯性定律是不完整、不彻底的。他不承认宇宙的无限性，因此认为，无限沿直线的匀速运动是不可能的，只能是沿着地球表面的圆运动。从而他只承认圆惯性运动，而不承认直线惯性运动。

在抛体运动的研究方面，伽利略确立了运动的合成原理和独立性原理，他说明了抛体运动始终是两个运动的合成，即固有惯性运动和自由落体运动的合成，从而确立了运动的独立性原则。他在理论上证明了，平抛物体无论射程多远，从抛出到着陆所用时间都等于从抛射点竖直坠落到地面所用的时间，仰角为45 。时射程最远。

伽利略的又一重要贡献是建立了运动的相对性原理。相对性原理不仅仅在驳斥亚里士多德的地心说上起到了重要作用，特别是在经典力学的建立过程中，直至对于现代物理学中狭义相对论的建立都起到了理论指导作用。