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(dòng)狀態(tài)。假如物體不受力作用時(shí)，物體將怎樣運(yùn)動(dòng)？可能你會(huì)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(lái)”。這種觀點(diǎn)對(duì)嗎？

在物體運(yùn)動(dòng)原因的研究中，長(zhǎng)期以來(lái)人們的經(jīng)驗(yàn)是，要改變一個(gè)靜止物體的位置，必須推它、提它或拉它。因此人們直覺(jué)地認(rèn)為，物體的運(yùn)動(dòng)是與推、提、拉等動(dòng)作相聯(lián)系的，深信要使一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)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(shí)，原來(lái)運(yùn)動(dòng)的物體便靜止下來(lái)。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(dòng)；沒(méi)有力的作用，物體就要靜止下來(lái)。然而，亞里士多德的這個(gè)結(jié)論是錯(cuò)誤的，并且由于亞里士多德的權(quán)威，這種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)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(shí)到，將人們引入歧途的是摩擦阻力，而這又是人們?cè)谌粘Ｓ^察物體運(yùn)動(dòng)時(shí)難以完全避免的。伽利略注意到，當(dāng)一個(gè)球沿斜面向下滾時(shí)，它的速度增大，而向上滾時(shí)，它的速度減小。由此他推論，當(dāng)球沿水平面滾動(dòng)時(shí)，它的速度應(yīng)不增不減。實(shí)際上他也發(fā)現(xiàn)，球越來(lái)越慢，最后停下來(lái)。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(huì)滾的越遠(yuǎn)。于是他推論，若沒(méi)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(gè)斜面從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始下滾，小球?qū)L上另一個(gè)斜面，達(dá)到與原來(lái)差不多的高度然后再下滾。他推論，只是因?yàn)槟Σ亮Γ虿艣](méi)能達(dá)到原來(lái)的高度。然后，他減小后一斜面的傾角，小球在這個(gè)斜面上仍達(dá)到同一高度，但這時(shí)它要滾得遠(yuǎn)些。繼續(xù)減小第二個(gè)斜面的傾角，球達(dá)到同一高度就會(huì)滾得更遠(yuǎn)。于是他設(shè)想：若將后一斜面放平，球會(huì)滾多遠(yuǎn)？結(jié)論顯然是球?qū)⒂肋h(yuǎn)滾下去。這就是說(shuō)，力不是維持物體運(yùn)動(dòng)（即維持物體的速度）的原因，而恰恰是改變物體運(yùn)動(dòng)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(lái)二千多年間關(guān)于“受力運(yùn)動(dòng)的物體，當(dāng)外力停止作用時(shí)便歸于靜止”這一類陳舊觀念。這只是一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槟Σ潦怯肋h(yuǎn)無(wú)法消除的。后來(lái)這個(gè)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(lái)，找到了深入理解運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的真正線索，是他研究工作的卓越之處。愛(ài)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(kāi)端。”