第一章力学基本定律的形成..
第一章力学基本定律的形成..
力学是物理学中发展最早的一个分支，它和人类的生活与生产联系
最为密切。早在遥远的古代，人们就在生产劳动中应用了杠杆、螺旋、
滑轮、斜面等简单机械，从而促进了静力学的发展。古希腊时代，就已
形成比重和重心的概念，出现杠杆原理；阿基米德（Archimedes，约公
元前.. 287—212）的浮力原理提出于公元前二百多年。我国古代的春秋战
国时期，以《墨经》为代表作的墨家，总结了大量力学知识，例如：时
间与空间的联系、运动的相对性、力的概念、杠杆平衡、斜面的应用以
及滚动和惯性等现象的分析，涉及力学的许多部门。虽然这些知识尚属
力学科学的萌芽，但在力学发展史中应有一定的地位。
16世纪以后，由于航海、战争和工业生产的需要，力学的研究得到
了真正的发展。钟表工业促进了匀速运动的理论；水磨机械促进了摩擦
和齿轮传动的研究；火炮的运用推动了抛射体的研究。天体运行的规律
提供了机械运动最纯粹、最精确的数据资料，使得人们有可能排除摩擦
和空气阻力的干扰，得到规律性的认识。天文学的发展为力学找到了一
个最理想的“实验室”——天体。但是，天文学的发展又和航海事业分
不开，只有等到.. 16、17世纪，这时资本主义生产方式开始兴起，海外贸
易和对外扩张刺激了航海的发展，这才提出对天文作系统观测的迫切要
求。第谷·布拉赫（Tycho Brahe， 1546—1601）顺应了这一要求，以
毕生精力采集了大量观测数据，为开普勒（Johannes Kepler，1571—
1630）的研究作了准备。开普勒于.. 1609年和.. 1619年先后提出了行星运
动的三条规律，即开普勒三定律。
与此同时，以伽利略（Galileo Galilei， 1564—1642）为代表的
物理学家对力学开展了广泛研究，得到了落体定律。伽利略的两部著作：
《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（1632年）和《关于力学
和运动两种新科学的谈话》（简称《两门新科学》）（1638年），为力
学的发展奠定了思想基础。随后，牛顿（IsaacNewton，1642—1727）把
天体的运动规律和地面上的实验研究成果加以综合，进一步得到了力学
的基本规律，建立了牛顿运动三定律和万有引力定律。牛顿建立的力学
体系经过.. D.伯努利（Daniel Bernoulli，1700—1782）、拉格朗日
（J.L.Lagrange，1736—1813）、达朗贝尔（Jean le Rond d ’Alembert，
1717—1783）等人的推广和完善，形成了系统的理论，取得了广泛的应
用并发展出了流体力学、弹性力学和分析力学等分支。到了.. 18世纪，经
典力学已经相当成熟，成了自然科学中的主导和领先学科。
机械运动是最直观、最简单、也最便于观察和最早得到研究的一种
机械运动是最直观、最简单、也最便于观察和最早得到研究的一种
干扰因素，不可能以完全纯粹的形态自然地展现在人们面前，力学现象
也不例外。因此，人们要从生产和生活中遇到的各种力学现象抽象出客
观规律，必定要有相当复杂的提炼、简化、复现、抽象等实验和理论研
究的过程。和物理学的其它部门相比，力学的研究经历了更为漫长的过
程。从希腊时代算起，这个过程几达两千年之久。其所以会如此漫长，
一方面是由于人类缺乏经验，弯路在所难免，只有在研究中自觉或不自
觉地摸索到了正确的研究方法，才有可能得出正确的科学结论。再就是
生产水平低下，没有适当的仪器设备，无从进行系统的实验研究，难以
认识和排除各种干扰。例如：摩擦和空气阻力对力学实验来说恐怕是无
处不在的干扰因素。如果不加分析，凭直觉进行观察，往往得到错误结
论。亚里士多德（Aristotle，公元前
384—322）认为物体运动速度与外
力成正比、重物下落比轻物快和后来人们用“冲力”解释物体的持续运
动以及用“自然界惧怕真空”解释抽水唧筒的种种似是而非的论点，看
起来确与经验没有明显的矛盾，所以长期没有人怀疑。而伽利略和牛顿
的功绩，就是把科学思维和实验研究正确地结合到了一起，从而为力学
的发展开辟了一条正确的道路。
§1.2 伽利略的运动学研究
1638年，伽利略的《两门新科学》一书的出版，揭开了物理学的序
幕。他在这本不朽的著作中整理并公布了三十年前他得到的一些重要发
现。1639年
1月，这位年迈失明的作者口授了一封给友人的信，提到这
本书时讲道①：“我只不过假设了我要研究的那种运动的定义及其性质，
然后加以证实。..我声明我想要探讨的是物体从静止开始，速度随时
间均匀增加的这样一种运动的本质。..我证明这样一个物体经过的空
间（距离）与时间的平方成正比。..我从假定入手对如此定义的运动
进行论证；因此即使结果可能与重物下落的自然运动的情况不符，对我
也无关紧要。但是我要说，我很幸运，因为重物运动及其性质，一项项
都与我所证明的性质相符。”他的这一席话对后人了解他在运动学研究
上作出种种发现也许会很有益处。
1.2.1 伽利略为什么要研究自由落体
西方有句谚语：“对运动无知，也就对大自然无知。”运动是万物
的根本特性。在这个问题上，自古以来，出现过种种不同的看法，形成
了形形色色的自然观。在
16世纪以前，亚里士多德的运动理论居统治地
① S.Drake,Sci.Am.228(1973—May) p.85
位。他把万物看成是由四种元素——土、水、空气及火组成，四种元素
各有其自然位置，任何物体都有返回其自然位置而运动的性质。他把运
动分成自然运动和强迫运动：重物下落是自然运动，天上星辰围绕地心
作圆周运动，也是自然运动；而要让物体作强迫运动，必需有推动者，
即有施力者。力一旦去除，运动即停止。既然重物下落是物体的自然属
性，物体越重，趋向自然位置的倾向性也就越大，所以下落速度也越大。
于是，从亚里士多德的教义出发，就必然得到物体下落速度与物体重量
成正比的结论。
位。他把万物看成是由四种元素——土、水、空气及火组成，四种元素
各有其自然位置，任何物体都有返回其自然位置而运动的性质。他把运
动分成自然运动和强迫运动：重物下落是自然运动，天上星辰围绕地心
作圆周运动，也是自然运动；而要让物体作强迫运动，必需有推动者，
即有施力者。力一旦去除，运动即停止。既然重物下落是物体的自然属
性，物体越重，趋向自然位置的倾向性也就越大，所以下落速度也越大。
于是，从亚里士多德的教义出发，就必然得到物体下落速度与物体重量
成正比的结论。
接经验引伸而来，有一定的合理成分，在历史上也起过进步作用，再加
上被宗教利用，所以直到.. 16世纪，仍被人们敬为圣贤之言，不可触犯。
正因为如此，批驳亚里士多德关于落体运动的错误理论，不仅是一
个具体的运动学问题，也是涉及自然哲学的基础问题，是从亚里士多德
的精神枷锁下解脱的一场思想革命的重要组成部分。伽利略在这场斗争
中作出了非常重要的贡献。他认识到通过自由落体的研究打开的缺口，
会导致一门广博的新科学出现。请读读他在《两门新科学》中核心的一
章，即“第三天的谈话”，开头讲的一段话.. ①：
“我的目的，是要阐述一门崭新的科学，它研究的却是非常古老的
课题。也许，在自然界中最古老的课题莫过于运动了。哲学家们写的关
于这方面的书既不少，也不小，但是我从实验发现了某些值得注意的性
质，到现在为止还未有人观察或演示过。也做过一些表面的观察，例如
观察到下落重物的自然运动是连续加速的，但还从未有人宣布过，这一
加速达到什么程度；据我所知，还没有一个人指出，一个从静止下落的
物体在相等的时间间隔里，保持按从.. 1开始的奇数的比数。..
“我考虑更重要的是，一门广博精深的科学已经启蒙，我在这方面
的工作只是它的开始，那些比我更敏锐的人所用的方法和手段将会探索
到各个遥远的角落。”..
