伽利略“斜面”

孫敦福 慶賀

我們知道，力的作用效果之一是力能改變物體的運(yùn)動狀態(tài)。假如物體不受力作用時，物體將怎樣運(yùn)動？可能你會想：物體不受力，物體當(dāng)然要保持靜止。比如，“用力推車，車子才前進(jìn)；停止用力，車子就要停下來”。這種觀點(diǎn)對嗎？

在物體運(yùn)動原因的研究中，長期以來人們的經(jīng)驗(yàn)是，要改變一個靜止物體的位置，必須推它、提它或拉它。因此人們直覺地認(rèn)為，物體的運(yùn)動是與推、提、拉等動作相聯(lián)系的，深信要使一個物體運(yùn)動得更快，必須用更大的力推它、提它或拉它，當(dāng)推、拉物體的力不再作用時，原來運(yùn)動的物體便靜止下來。根據(jù)這類經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，亞里士多德得出結(jié)論：靜止是水平地面上物體的“自然狀態(tài)”或“自然本性”，必須有力作用在物體上，物體才能運(yùn)動；沒有力的作用，物體就要靜止下來。然而，亞里士多德的這個結(jié)論是錯誤的，并且由于亞里士多德的權(quán)威，這種錯誤認(rèn)識被維持了近兩千年。直至三百多年前，伽利略才創(chuàng)造了有效的方法和技術(shù)，揭示了現(xiàn)象的本質(zhì)。

伽利略認(rèn)識到，將人們引入歧途的是摩擦阻力，而這又是人們在日常觀察物體運(yùn)動時難以完全避免的。伽利略注意到，當(dāng)一個球沿斜面向下滾時，它的速度增大，而向上滾時，它的速度減小。由此他推論，當(dāng)球沿水平面滾動時，它的速度應(yīng)不增不減。實(shí)際上他也發(fā)現(xiàn)，球越來越慢，最后停下來。伽利略認(rèn)為，這并非是它的“自然本性”，而是由于摩擦阻力的緣故，因?yàn)樗瑯舆€觀察到，表面愈光滑，球便會滾的越遠(yuǎn)。于是他推論，若沒有摩擦阻力，球?qū)⒂肋h(yuǎn)滾下去。1632年伽利略的實(shí)驗(yàn)如圖1所示，讓小球沿一個斜面從靜止?fàn)顟B(tài)開始下滾，小球?qū)L上另一個斜面，達(dá)到與原來差不多的高度然后再下滾。他推論，只是因?yàn)槟Σ亮?，球才沒能達(dá)到原來的高度。然后，他減小后一斜面的傾角，小球在這個斜面上仍達(dá)到同一高度，但這時它要滾得遠(yuǎn)些。繼續(xù)減小第二個斜面的傾角，球達(dá)到同一高度就會滾得更遠(yuǎn)。于是他設(shè)想：若將后一斜面放平，球會滾多遠(yuǎn)？結(jié)論顯然是球?qū)⒂肋h(yuǎn)滾下去。這就是說，力不是維持物體運(yùn)動（即維持物體的速度）的原因，而恰恰是改變物體運(yùn)動狀態(tài)（即改變物體速度）的原因。這一結(jié)論，打破了自亞里士多德以來二千多年間關(guān)于“受力運(yùn)動的物體，當(dāng)外力停止作用時便歸于靜止”這一類陳舊觀念。這只是一個理想實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槟Σ潦怯肋h(yuǎn)無法消除的。后來這個結(jié)論被牛頓總結(jié)為牛頓第一定律，為近代力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。

伽利略把實(shí)驗(yàn)觀察和抽象思維結(jié)合起來，找到了深入理解運(yùn)動問題的真正線索，是他研究工作的卓越之處。愛因斯坦稱贊道：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所用的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端。”