1587

研究人员：

伽利略·伽利莱

研究领域：

引力

结论：

无论质量是大是小，所有物体都会以同样的速度坠落

大球和小球：谁坠落的速度更快？

引力和有关坠落的科学

作为实验科学早期阶段的一位重量级人物，伽利略思考世界的方式清晰明了，富有逻辑。他曾写道：“自然的规律……可能并不复杂，基本的规律或许只有寥寥几条。”这听起来和奥卡姆剃刀原理异曲同工。

伽利略还曾写道：“自然哲学（例如科学）是用……数学语言写成的，它的特性可以表达为三角形、圆形和其他几何图形。”

1581年的某一天，伽利略坐在比萨一座宏伟的大教堂里，无聊的他注意到头顶的黄铜大吊灯正在随着气流摇晃。教堂高耸的穹顶上垂着长长的链子，挂在链子上的吊灯缓慢地左右摇摆。伽利略利用自己的脉搏测量了吊灯摇摆的频率，然后他惊讶地发现，无论吊灯摇摆的幅度有多大，每次摇摆花费的时间都完全相同。

单摆实验

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回家以后，伽利略将配重块系在绳子上，做了几个单摆来探究这一现象。他发现，单摆的重量和振幅都不会影响最终的结果，唯一与摇摆周期有关的值是绳子的长度。要想让单摆每次摇摆花费的时间增加到原来的两倍，那么绳子的长度需要变成原来的四倍。现在我们知道，单摆摇晃的周期公式可以表达为，其中时间t以秒为单位，l是摆绳的长度，g是地球表面的重力加速度，即396.2英寸/平方秒（约10米/平方秒）。

伽利略意识到，根据这一特性，单摆非常适合用来校准机械钟，于是他亲自设计了一份图纸，不过直到1642年伽利略去世，他的设计依然停留在纸面上。直到15年后，荷兰博学家克里斯蒂安·惠更斯才制造出了世界上的第一座摆钟。

坠落的物体

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1589年，伽利略开始思考亚里士多德的学说，尤其是关于物体坠落的论断。亚里士多德曾经说过，较大的物体坠落速度比小的物体更快，如果一块石头的重量是另一块石头的两倍，那么同时放手，较重的石头一定会先落地。

伽利略很想验证亚里士多德的理论，于是他设计了一个实验。传说他爬到了著名的比萨斜塔顶上，然后把两个重量不同的球同时扔了下去，观察二者坠落的速度。不过这个实验做起来有些困难，要做到同时放手就不太容易了，而且两个球坠落的速度太快，观察者可能根本看不清它们谁先落地，更别提准确测量落地的时间。

倾斜的平面

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据我们所知，伽利略在一根木梁上挖了一道槽，然后打磨光滑，还在槽的内表面蒙了一层羊皮纸。然后，他支起木梁的一端，把光滑的铜球放进槽里，让它沿着梁向下滚动。利用这个倾斜的平面，伽利略实际上减缓了铜球坠落的速度，因此他可以方便地观察测量相关数值。

实验的难点依然是计时，刚开始伽利略靠自己的脉搏来计时，后来也用过水钟，最后他想到了利用声音来测速。他在沟槽旁边装了一排小铃铛，球滚过去的时候会碰到铃铛，发出清脆的声音。通过铃铛的声音，就可以比较准确地估算铜球的速度。

铃铛以相等的间距排列在沟槽旁边，随着铜球向下滚动，相邻的两个铃铛发声的间隔越来越短，换句话说，铜球在滚动的过程中，速度在不断地变快。伽利略不断更换铃铛的安装位置，最后发现，如果相邻的铃铛之间的间隔分别是1、3、5、7、9个单位，那么铃铛被碰响的时间就差不多是均匀的，也就是说，这些铃铛距离起点的距离分别是1、4、9、16和25个单位。通过这种方式，伽利略证明铜球在第1秒运动了1个单位，前两秒4个单位，3秒9个单位，4秒16个单位，5秒则是25个单位——换句话说，铜球运动的距离与时间的平方成正比。

均匀加速度

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伽利略意识到，铜球的加速度是恒定的，或者用他自己的话来说：“从静止开始运动的物体在相等的时间段内获得的速度增量相同。”

伽利略的数学知识不足以让他推导出自由落体的运动公式，几十年后，牛顿将完成他未竟的工作。不过，这位意大利科学家的确证明了大球和小球沿着斜坡向下滚动的速度完全相同，亚里士多德的理论实际上是错的。