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运动之谜（中） 02

Masir 科学羊 2024-03-30
本系列文章预计会有10+个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第八季第02篇
--本文预计阅读5min--
接上篇，

我想，如果我们没有受过高等教育的话，其实很难自发想到运动的秘诀。

我们的直觉总会认为运动是与推、提、拉等动作相连的。多次的经验使我们进一步深信，要使一个物体运动得更快，必须用更大的力推它。

结论好像是很自然的：对一个物体的作用愈强，它的速度就愈大。一辆四匹马拉的车比一辆两匹马拉的车运动得快一些。因此，直觉一直告诉我们，速率主要是跟作用有关。

但是，仔细想会发现有一个问题，假如有人推着一辆小车在平路上行走，然后突然停止推那辆小车。小车不会立刻静止，它还会继续运动一段很短的距离。

经过近几轮猜测，外界的环境是影响小车向前移动距离的阻碍，所以我们假设路是绝对平滑的，而车轮也毫无摩擦，那么就没有什么东西阻止小车，而它就会永远运动下去。

这个结论是从一个理想实验中得来的，而这个实验实际上是永远无法做到的，因为不可能把所有的外界影响都消除。这个理想实验指出了真正建立运动的力学基础的线索。

伽利略认为，将人们引入歧途的是摩擦力，而在日常物体的运动中，摩擦力又是难以避免的。伽利略注意到，当一个球沿斜面向下滚动时，它的速度增大，而向上滚动时，速度减小。

他由此猜想：当球沿水平面滚动时，它的速度应该不增不减。但是实际情况却是，即使沿水平面滚动，球也越来越慢，最后停下来。伽利略认为，这是摩擦阻力作用的结果，因为他同样还观察到，表面越光滑，球便会滚得越远。

现代人所做伽利略斜面实验的频闪照片（组合图）

于是，他推断：若没有摩擦阻力，球将永远滚动下去。

伽利略为了说明他的思想，设计了一个如图所示的实验：让小球沿一个斜面从静止状态开始滚下，小球将滚上另一个斜面，如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度。 

减小后一斜面的倾角，小球在这个斜面上仍达到同一高度，但这时它要滚得远些。 

继续减小第二个斜面的倾角，球达到同一高度时就会离得更远。 

于是他问道：若将后一斜面放平，球会滚动多远？

结论显然是，球将永远滚动下去。 

这就是说，力不是维持物体运动的原因，也就是说，力不是维持物体的速度的原因，而恰恰是改变物体运动状态，即改变物体速度的原因。因此，一旦物体具有某一速度，如果它不受力，就将以这一速度匀速直线地运动下去。

这个发现，虽然在当时看来其实普普通通，我只是有个发现而已，但这个发现对后人来说却是革命性的。

伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来代替它。这就是伽利略的发现的重要意义。但是关于运动的另一个问题马上出现了。

假如速度不表示作用于物体上的外力，那么什么才是呢？伽利略发现了这个问题的答案，而牛顿又把这个问题回答得更为精确；它成了我们侦查中的另一个线索。

因此，速度本身不是推和拉的结果，而速度的改变才是。一个力究竟是使速度增加还是使速度减小，完全看它是朝着运动的方向而作用还是相反于运动的方向而作用。

伽利略清楚地看到了这一点，并且在他的著作《两种新科学》（Two New Sciences）中写下了这样的话：

……一个运动的物体假如有了某种速度以后，只要没有增加或减小速度的外部原因，便会始终保持这种速度——这个条件只有在水平的平面上才有可能，因为在沿斜面运动的情况中，朝下运动已经有了加速的起因，而朝上运动则已经有了减速的起因。由此可知，只有水平的平面上的运动才是不变的，因为假如速度是不变的，运动不会减小或减弱，更不会消灭。

以上只是直线运动，我们再思考一个场景。

设想有一个完全圆滑的球在平滑的桌子上滚动。我们知道，假如推一下这个球，也就是说，如果对它施加外力，那么它的速度就会改变。现在假定跟前面小车的例子中所说的不同，推的方向不是和运动的方向在一条路线上。假定推力朝着另一个方向，譬如跟这个路线垂直。

结果球会发生什么情况呢？

后期的运动完全不在这两条直线的任何一条上，而在它们二者之间。

如果推力强而初速度小，那么它就靠近力的方向；如果推力小而初速度大，那么它就靠近初始运动的路线。我们根据惯性定律所得到的新结论是：一般说来，外力的作用不仅改变速率，还改变运动的方向。

对这个事实的理解使我们为物理学中引入矢量这个概念做好了准备。

好，今天就先这样，下篇接着聊~

Masir2022/12/05

于 东莞

祝幸福~


参考文献:

1.《物理学的进化》

2.人教版物理课本

图片来源于网络


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