两个铁球同时着地的故事

如题所述

据说,在1590年,意大利杰出的科学家伽利略在比萨斜塔上进行了一个著名的自由落体实验。他让两个重量不同的铁球从塔顶同时垂直自由落下,结果它们同时着地,从而有力地反驳了古希腊著名学者亚里士多德关于重量不同的物体下落速度不同的理论。这一实验使得比萨斜塔名声大噪。
古希腊哲学家亚里士多德曾认为,重的物体下落得比轻的物体快,这一观点在当时广为人们所接受,比如玻璃弹子就比羽毛落得快。然而,伽利略提出,下落速度与物体的重量无关,所有物体在同一地点下落的速度应该是相同的。许多人对此表示反对,为了证明自己的观点,伽利略据说在比萨斜塔上扔下了两个不同重量的铁球,它们果然同时着地,伽利略的观点因此得到了证实。
然而,这个故事很可能并不真实。首先,当时并没有精确的计时工具,伽利略在发现摆的等时性时是用自己的脉搏计时的,这表明当时的科学仪器非常缺乏。如果真的进行了这个实验,很难确保两个球同时被抛出,即便能够做到同时抛出,判断落地时间也存在困难;其次,空气阻力会对球的下落产生影响,玻璃弹子比羽毛下落得快正是因为空气阻力对羽毛下落的影响更大。两个铁球受到的空气阻力不同,落地时间很可能不一致,这对伽利略的观点不利。实际上,在伽利略本人的记录中,并没有提到比萨斜塔实验。
实际上,伽利略对亚里士多德理论的批评始于逻辑推理。他假设一个重物(如铁球)和一个轻物(如木球)同时下落,按照亚里士多德的理论,铁球应该下落得更快,木球应该下落得更慢。但现在,想象一下如果把铁球和木球绑在一起同时抛出,会发生什么?一方面,铁球和木球组合成了一个比铁球更重的物体,按照亚里士多德的理论,它应该下落得更快;另一方面,铁球的下落被木球拖慢,速度应该介于铁球和木球之间。这样,从同一个理论中推出了两个相互矛盾的结论,因此,亚里士多德的理论是值得怀疑的。正确的结论应该是:下落速度与物体的重量无关。
伽利略,这位真正的近代实验之父,近代实验科学的创造者,并不满足于逻辑推理,他希望通过实验来验证自己的设想。但他并非在比萨斜塔上抛下两个铁球,而是在室内用精心设计的斜面进行了实验。他制作了许多不同坡度的斜面,斜面尽可能光滑。然后在不同斜面上滚下各种重量的铜球,他发现,物体从斜面上滚下时会进行加速运动。但只要斜面的坡度不变,无论什么重量的铜球滚下,加速都一样;加速度与重量无关,但与坡度有关,斜面越陡,加速度越大,斜面越平,加速度越小。在极限情况下,斜面完全水平,加速度为零,物体若不受外力,就应该永远沿直线作匀速运动,这实际上就是牛顿第一定律;如果斜面完全垂直,就相当于自由落体,这时加速度最大,但对无论什么重量的物体,加速度都一样。
关于伽利略在比萨斜塔做实验的说法来源于他晚年的学生维维安尼,他在写伽利略的传记中提到了这个实验。但历史学家的考证显示,没有证据表明伽利略真的进行了这个实验。值得一提的是,1586年,荷兰物理学家斯台文用两个重量比为1:10的铅球,让它们从高30英尺的高度落下,结果两者几乎同时落在地面的木板上,围观者可以听到两个铅球撞击木板的声音。1612年,一位亚里士多德派的物理学家为了反驳伽利略,在比萨斜塔做了一个实验,结果表明,相同的材料但重量不同的物体并不是在同一时刻到达地面。伽利略在《两门新科学》中对此进行了辩护,意思是说,重量1:10的两个物体下落时只差一个很小的距离,而亚里士多德却说相差10倍。为什么忽视亚里士多德如此重大的失误却盯住他小小的误差不放呢?这也说明伽利略没有做那个实验。
贡献者:龙神
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