自然哲學數學原理

古希臘哲學家、自然科學家亞里士多德認為“力是維持運動狀態的原因”。引起了伽利略質疑,伽利略設計了一個理想實驗進行反駁。

伽利略將兩個斜面對接起來,讓小球沿一個斜面從靜止滾下,小球將滾上另一斜面。如果無摩擦,小球將上升到原來的高度。他推論說,如果減小第二個斜面的傾角,小球在這個斜面達到原來的高度就要通過更長的距離。繼續使第二個斜面的傾角越來越小,小球將會滾的越來越遠。如果第二個斜面改成水平面,小球就永遠達不到原來的高度,而要沿水平面以恆定速度運動下去。顯然“力不是維持運動狀態的原因”。這是牛頓第一定律最早的文字表達。

伽利略否定力是維持運動狀態的原因,進一步研究了力與運動關係,總結出“力是改變運動狀態的原因”。從而為牛頓第二定律作出定性表達。

牛頓在推理中得“力是改變運動狀態原因”的定量表達式:

F=ma ――(1)

波蘭天文學家哥白尼為人類繪就了一幅宇宙的美麗圖景。質量為m的某行星以半徑r繞質量為M的恆星作勻速圓周運動,運行速度為v,週期為T.

物體作勻速圓周運動,因速度方向改變而改變運動狀態,所以也有加速度。伽利略和惠更斯一起研究出加速度為:

a=v^2/r或a=(2兀r/T)^2/r……(2)

由(1)(2)得

F=4兀^2m/r^2(r^3/T^2)……(3)

根據利大意天文學家,物理學家開普勒第三定律得:

r^3/T^2=K(K恆量) ……(4)

由(3)(4)消去(r^3/T^2)得:

F=4兀^2Km/r^2……(5)

F是m繞M勻速圓周運動所需要的力。顯然是M對m的萬有引力提供,從而證明(5)式是萬有引力定律,即萬有引力F與r平方成反比。

以上是經典力學大廈,是自然哲學的數學原理。這座大廈帶有宗教色彩,散發著哲學智慧的光芒,牛頓站在哥白尼、伽利略、開普勒等科學巨匠的肩膀上,通過數學語言的階梯攀登上科學頂峰。

佇立在經典力學大廈旁,彷彿看到雄雄烈火,點亮了科學的明燈,劃破慢慢長夜,照亮科學的道路,指明前行的方向。彷彿聽到響徹雲霄的吶喊,“黑暗即將過去,黎明即將來臨,真理終將戰勝邪惡!”(注:r^2是r平方)


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