伽利略:吊灯摆动的启示

作者:松鹰来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-01-03

追求科学,需要有特殊的勇敢,思考是人类最大的快乐。

在比萨大学读书期间,伽利略做出了他的第一个重要的科学发现。

1583年的一个星期日,19岁的伽利略穿戴整齐,越过大卵石铺成的广场,随着做礼拜的人群走进比萨大教堂正面的大铜门。比萨大教堂建于11至12世纪,是整个大教堂建筑群的主建筑。比萨斜塔是这座建筑群的钟楼,离大教堂不远。大教堂从空中俯视呈拉丁十字,造型厚重巍峨,颇为壮观。

也许是命运的安排,这个礼拜天主持做弥撒的,是一位来访的神父。他站在神坛上,枯燥地念叨着神的教义。没有多久,伽利略就听得乏味了。周围的信徒发觉,这个长袜绑腿,身披漂亮外套的年轻人似乎有些心不在焉。只见他仰起头,两眼朝半圆形的殿堂四周转悠着。

伽利略

  伽利略在观察摆动的吊灯(网络图)

微弱的光线透过雕成小圆圈的门窗洞,教堂内高大的空间笼罩着一种庄严神秘的感觉。

伽利略打量着金碧辉煌的祭坛,古色古香的木雕,以及那些出自名家之手的壁画。此时,他的目光停在穹顶中央的一只吊灯上。这是一只精致的大吊灯,在橄榄状的穹顶上轻轻地摆动着。灯坠划出一道漂亮的弧线。

伽利略被吊灯摆动的节奏吸引住了。忽然,他的脑海里闪过一个念头。他见过许多摆动的物体,但都没有注意到这个惊人的事实。

伽利略发现,大吊灯随着风吹而摆动,摆动的弧线时长时短,但不管摆幅是多长,吊灯往返的时间好像是一样的。

伽利略发现钟摆定律的吊灯

伽利略发现钟摆定律的吊灯(网络图)

当时还没有精确的计时手段,伽利略想起上医学课时学的方法,于是用自己的脉搏来测量时间。他把右手指按在左手腕上,两眼盯着吊灯,心中默默数着:“一、二、三……”这是一幅很动人的场面。耳畔涌动着教徒们喃喃的祈祷声,众人都虔诚地埋着头,只有年轻的伽利略扬着脑袋,目不转睛地瞅着吊灯出神。

他反复地测了好多次,在布道结束之前,伽利略得出结论:不管吊灯摆动的距离是长是短,它往返所需的时间总是一样的!即便是吊灯摇摆得很缓慢,它在短弧线上来回一次,仍然需要那样长的时间。

这个发现使伽利略很惊奇。因为按照习惯思维,摆幅短所需时间也应该短。不禁陷于了沉思:吊灯往返的时间怎么会与摆幅无关呢?

那究竟是什么因素决定摆动时间呀——是摆的重量?体积?还是吊绳的长度呢?

从大教堂出来,伽利略兴奋不已。他怀着跃跃欲试的心情赶回大学宿舍,找来绳子、挂钩,以及一些重量不同的物体,立即进行试验。感觉是不可靠的,只有通过实验才能找到真理。伽利略当时并没有意识到,他的这个研究方法竟开了近代实验科学研究的先河。

伽利略用不同重量的物体作摆锤,然后通过改变绳子的长度,改变摆锤的体积大小,制作了很多种“钟摆”。他反复测定这些“钟摆”摆动的时间。而自己的脉搏就是他的表。他还找来鹅管笔和纸张,仔细地记下实验的结果。然后从这些记录中寻找规律。

渐渐地,摆的运动规律清晰地显现出来。

首先,伽利略发现摆的周期——即往返一次的时间,与摆锤的重量无关。如果绳子的长度一样,只是改变摆锤的重量,摆的周期不变。实验还表明了,摆的周期与摆锤的体积、形状也没有关系。

然后,伽利略使用相同的摆锤,但依次改变绳子的长度,进行实验。结果他发现,绳子的长度是个关键因素。摆锤的绳子越长,摆的周期也越长;相反,摆锤的绳子越短,摆的周期也越短。归根结底,摆动一次所需的时间,仅仅取决于摆绳的长度!

这就是著名的摆的周期定律

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