牛顿第一运动定律

牛顿第一运动定律

亞里斯多德認為,在宇宙裏,所有物體都有其「自然位置」──處於完美狀態的位置。物體會固定不動地處於其自然位置。被移離其自然位置的物體,會傾向於返回其自然位置。這是因為物體傾向於完美狀態的位置。因此,像石頭一類的重物體傾向於朝著地面移動,像煙灰一類的輕物質傾向於朝著包含月亮在內的區域移動。亞里斯多德仔細地區分了兩種運動,「自然運動」與「暴烈運動」(violent motion)。重物體的自由墜落是一種自然運動,而發射體的運動則是非自然運動。處於自然位置的物體傾向於固定不動,只有施加「暴烈力」(violent),才能將物體移離其自然位置。所有暴烈運動都不具有永久性,遲早會終止結束。為了維持暴烈運動,必需繼續地施加暴烈力於物體,使其移離自然位置。[18]不處於自然位置的任意物體,在被釋放後,會很快地達到其最終速度,然後維持這速度直到移動至它的自然位置。[19]

伽利略用來檢驗慣性定律的斜面實驗。

伽利略·伽利萊的想法大不相同。伽利略提出的慣性定律表明,只有施加外力,才能改變物體速度;維持物體速度不變,不需要任何外力。為了證實他的主張是正確的,伽利略做了一個思想實驗。如右圖所示,讓静止的圓球從點A滾下斜面AB,滾到最底端後,圓球又會滾上斜面BC,假設兩塊斜面都非常的平滑、摩擦係數爲零,而且無空氣阻力,則圓球會滾到與點A同高度的點C;對於斜面BD、BE或BF,儘管圓球的滾動距離會變得越來越長,圓球也同樣地會滾到與點A同高度的位置;假設斜面是水平面BH,則該圓球永遠不能滾到先前的高度,因此會不停地呈勻速直線運動。伽利略總結,運動中的物體會持續地以勻速直線運動,假若不碰到任何阻礙。[20]伽利略的慣性定律對於動力學的基礎做出重大貢獻,並且徹底地推翻了多年來學者們研讀的亞里斯多德理論,因此促使十七世紀學者們產生極大的困惑,但他並沒有建構出一個新的替代理論,這還有待後來牛頓的貢獻。[21]

勒内·笛卡尔在1644年著作《哲學原理(英语:Principle of Philosophy)》裏提出了三條自然定律。第一條自然定律表明,假若不將其它影響納入考量,則每個物體永遠會處於同樣的狀態,假若它是處於移動狀態,則它會永久持續的移動。第二條自然定律表明,所有只倚靠內在因素的運動都是直線運動。在這兩條自然定律裡,笛卡尔確切聲明,動態與靜態是物體的兩種基本狀態,只有當承受到外在因素作用,物體的基本狀態才會有所改變。笛卡尔版本的慣性定律對於現代動力學理論的奠基助益良多。牛頓很早就意識到笛卡尔狀態概念的基礎性。[16][22]

1673年,克里斯蒂安·惠更斯發表了著作《擺鐘論》。這本牛頓非常欣賞的著作採用更明晰的邏輯架構,重新推導出了伽利略的自由落體理論。惠更斯對於物體的運動提出了三個假設。第一個假設是惠更斯版本的慣性定律。第一個假設表明,假設重力不存在,假設空氣不會阻礙物體的運動,則任意物體的運動會是持續的直線勻速運動。[16][23]

物理泰斗艾萨克·牛顿。

伽利略的想法導致牛頓第一定律诞生──不施加外力,則沒有加速度,因此物體會維持速度不變。牛頓將第一定律的想法歸功於伽利略。第一定律其實是伽利略所提出的慣性定律的再次陳述。[註 6][24]原版第一定律的英文翻譯為[4]

Every body perseveres in its state of rest, or of uniform motion in a right line, unless it is compelled to change that state by forces impressed thereon.

中文翻譯為

物體會堅持其靜止或勻速直線運動狀態,除非有外力迫使改變其狀態。

寫出第一定律後,牛頓開始描述他所觀察到的各種物體的自然運動。像飛箭、飛石一類的發射體,假若不被空氣的阻力抗拒,不被重力吸引墜落,它們會持續不停地運動。當陀螺旋轉時,陀螺內部的組成粒子,如果沒有被黏合在一起,就會沿著旋轉曲線的切線以直線運動飛奔離開。由於這些組成粒子被黏合在一起,假若不受到地面摩擦力與空氣阻力的損耗,它們會永久不息地共同隨著陀螺旋轉。像行星、彗星一類的星體,移動於阻力較小的自由空間,會更長時期地維持它們的運動軌道。在這裏,牛頓並沒有提到第一定律與慣性參考系之間的關係,他所專注的問題是,為什麼在一般觀察中,物體的運動狀態會被改變?他認為原因是有空氣阻力、地面摩擦力等等作用於物體。假若這些力不存在,則運動中的物體會永遠不停的做勻速直線運動。[4]

似乎还有好幾位其它自然哲學家與科學家分別獨立地想出了慣性定律。[註 7]


悭贪是贫穷的根源
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