在1687年之前,力学的发展,是以积累资料为主要特征。而且ZUI主要的资料是天文观测资料,另外还有静力学知识的积累与完善。在这个时期力学、数学、天文学、物理学乃至哲学的研究者,都是同一批人。所以我们在写力学史时不可能将力学同天文学、数学分开来写。
在1687年之后到 1900年之前,由于在牛顿《自然哲学的数学原理》中动力学的原理已经建立,这一阶段力学研究的主要内容是:寻求力学一般原理的不同形式以及不同条件下的一般原理;将一般原理推广应用于各种不同的复杂情形,如约束运动、流体运动、固体的变形刚体运动、振动与波动运动的方程等;求解所得到的运动方程,给出各种条件下的特解,或研究带普遍意义的求解方法;回答工业生产中提出的实际工程问题。但是,经典力学的发展也越来越暴露出它对某些问题的失败与内在矛盾,从而导致相对论的诞生。在这一阶段,力学家、物理学家、天文学家、数学家虽然稍有分工,但基本上还是同一批人。
1900年量子论与相对论相继产生,标志着物理学与力学的分家。从此力学分工解决宏观world的问题,而物理学分工专门从事微观world的研究,力学家与物理学家、天文学家、数学家便分道扬镳了。这一阶段力学学科的研究特点是,由于力学的基本理论部分在许多方面已经趋于成熟,理论难题仅有像湍流、强度等少数课题,所以理论力学与应用力学相比,应用力学的研究队伍占较大的比重。这同第二阶段形成鲜明的对比。在那时,在整个力学学科的研究队伍中,理论力学的比重相对于现今来说也大多了。
伽利略的生平及其贡献 伽利略的生平及其贡献
伽利略(Glileo Galilei,1564-1642)出生于意大利的比萨,他的父亲是一位音乐家,在音乐理论和音乐实践上都很有成就。伽利略是7个孩子中的老大。他10岁之前一直住在比萨,之后迁往佛罗伦萨,上了几年学后,被送往卡马多萨修道院。他作为一名见习修士加入了修道会。不过,他父亲却希望他去学医,重将他接回佛罗伦萨。
1581年,当伽利略17岁时,来到比萨大学学医。在学校里,他以数学和物理见长,而且因为善于辩论而闻名全校。1585年,伽利略离校回家,专门研究古希腊人的科学著作。根据阿基米德的浮力原理,他发明了测定合金成分的流体静力学天平。这项工作引起了意大利学术界的注意,有人称他为“当代的阿基米德”。
伽利略在佛罗伦萨教了几年书后,于1587年首次访问了罗马,在那里接触了一些数学家与天文学家。
1589年,伽利略写了一篇论固体重心的论文,获得了人们的称道,因而他获得比萨大学数学教授职位,这时他刚满25岁。1592年他又受聘为帕多瓦大学数学教授,这时的薪水是比萨大学的三倍。
伽利略的一生,大致可以分为三个时期:在比萨大学任教三年(1589-1591),在帕多瓦大学任教18 年(1592-1610),之后他回到佛罗伦萨任托斯康大公爵的首席哲学家和数学家(1610-1642)
伽利略是哥白尼学说的忠诚的拥护者,但是在大学教学的二十多年中他一直没有讲授哥白尼学说。1613年他推荐卡斯特利接替他任比萨大学数学教授职位。卡斯特利一上任,校方就警告他不得讲授哥白尼学说。卡斯特利说:伽利略嘱咐过我,伽利略教书20年也没有讲过哥白尼学说。然而伽利略的一系列科学上的新发现都是与日心说不谋而合的。
1610年他写的《星际使者》一书、1613年他写的《关于太阳黑子的书信》一书都支持了哥白尼学说。在1616年初,伽利略从地球运动的观点写了一本详细论述潮汐理论的书,把它献给红衣主教奥西尼。1616年2月24日,在宗教法庭红衣教主的每周例会上裁决,要红衣教主贝拉明通知伽利略,不可再坚持被批评的观点。
伽利略观测到的科学事实推动了哥白尼学说的传播,因而引起了宗教势力的恐惧。1616年3月5日,天主教宣布哥白尼的《天体运行论》为禁书。
但是,伽利略坚持哥白尼学说的立场并没有为黑暗势力的恫吓而动摇,反而公开站在哥白尼学说的立场,系统地维护和宣传哥白尼学说。1624-1630年,伽利略花了很大的精力写出了巨著《关于托勒密和哥白尼两大world体系的对话》,并于1632年出版。这本书的出版更加激怒了教会,1633年2月宗教法庭把伽利略传到罗马,并于1633年3月12日审判。宗教法庭强迫年近古稀的伽利略认错,责令他居住在被指定的佛罗伦萨郊区,不得离开,并且不许他写的《关于托勒密和哥白尼两大world体系的对话》流传。
宗教法庭对伽利略的审判与迫害,是整个人类历史上黑暗势力迫害科学发展的典型。随着科学的发展,越来越证明这种迫害的荒唐。直到数百年后,1983年,罗马教廷才宣布“给伽利略定罪的法官犯了错误”。
伽利略的贡献
一、 伽利略在科学上的贡献
伽利略在科学史上是一位难得的天才。之所以难得,一方面他既精于理论又关心实际问题,另一方面,他是在天文、力学、数学三方面都有突出贡献的学者,三是在方法论上,他既擅长于思辨论证又开系统科学实验与观察的先河,后人称他为“科学实验之父”。
他在科学上的贡献简述如下。
在天文学方面:
1609年,他从一位朋友的来信中得知,荷兰有一位名叫利玻希的人有一项奇异的发现,即望远镜。他听到这消息后,立即根据光学原理自己制做了一具。他制做的这种望远镜,是由一片度数很小的凸透镜作为物镜和一片度数很大的凹透镜作为目镜的组合。至今还被称为伽利略望远镜。这种望远镜经过不断改进后,1610年他制成了放大倍数为32倍的望远镜。他便开始用他自制的望远镜观察天空。他是world上**个用望远镜观察天空的人。
1611年,他用望远镜发现了木星有4个卫星,发现银河是由无数星球组成的。后来他发现金星与水星都像月亮一样有圆缺,发现太阳有黑子,证实了太阳有自转。
他的这些发现都公布在他的著作《星际使者》和《关于太阳黑子的书信》中。他对哥白尼学说的发展集中反映在他的天文学巨著《托勒密与哥白尼两大world体系的对话》中。书中聚集了他数十年在天文研究上的成果与学术主张。该书给托勒密和亚里土多德系统以致命的打击。
在力学方面:
伽利略是world上**个认真研究动力学的学者。从青年时代他便对物体运动发生了浓厚的兴趣,他收集前人关于这个问题的研究成果,结果使他大失所望。他说:“在自然界没有比物体的运动更为古老的问题了,但是,关于这个问题没有任何有意义的记载。”他在力学上的研究成果,也同在天文学上的研究成果一样,是对亚里土多德许多陈旧教条的否定。
大约在1590-1609年期间,伽利略ZUI早准确地提出并弄清了速度、加速度的概念。他将加速度用于研究自由落体,得到了自由落体是匀加速运动的结论。他得到了计算落体速度的公式 ,其中 为速度,g为重力加速度、是常数,t为时间。由此他得到:一个从静止开始下坠的物体所经过的距离随时间的平方而变化。即距离
伽利略提出了惯性原理,即:一个物体一旦运动起来,便一直用同一速度沿同样的方向不断运动。
伽利略给出了斜面上物体下落的运动规律,他说这种情形也是匀加速运动。他还说:“一个物体的末速度是随垂直高度而变,而与斜面的倾角无关。”这一结论可以看为能量守恒定律ZUI早期的表述。
伽利略进行了摆的实验,发现了摆周期的等时性原理。
在振动方面,他说明一个律音的音调依赖于一个给定时间内振动的次数。伽利略是**个将音律与振动的频率联系起来的学者。
伽利略在力学方面的成果集中反映在他的著作《关于两种新科学的谈话》中,他这里所说的两种新科学指的是材料力学和动力学。
伽利略对数学问题的研究,反映在他对无限的认识上,他在对力学问题的论证方法上恢复了阿基米德的传统。