1590年的一個清晨,年僅26歲的伽利略要在比薩斜塔上進行落體實驗。比薩大學的教授們穿著紫色長袍,整隊走到塔前準備看伽利略出醜,學生和市民也聞訊前來圍觀。
隻見伽利略帶兩個鐵球,一個重455公斤(100磅),一個重0454公斤(1磅),像出征的戰士一樣,威武地登上塔頂。當他向人們宣布,這一大一小的兩個鐵球同時下落,將會同時著地的時候,塔下麵的人像開了鍋似的議論開了:“難道亞裏士多德真的錯了?這是絕對不可能的!”“這家夥準是瘋了!”……伽利略聽到這些議論和譏笑,坦然自若,他胸有成竹地大聲說:“先生們,別忙著下結論,還是讓事實出來說話吧!”說完,他伸開雙手,使兩個鐵球同時從塔上落下來,隻見它們平行下落,越落越快,最後“啪”的一聲,同時落地。麵對無可辯駁的實驗事實,那些亞裏士多德的忠實信徒,一個個瞠目結舌,不知所措,隻好灰溜溜地走開了。
比薩斜塔實驗不但推翻了古代權威的錯誤學說,結束了它對學術界近兩千年的統治,而且開創了近代科學實驗的新紀元。
今天,懂一點物理學的人都知道,輕重、大小不同的物體,從同一高度同時自由落下,要是沒有空氣阻力,它們必定同時著地,但是,在16世紀以前,人們都相信古希臘的權威亞裏士多德的學說。他認為:物體下落的快慢是由物體的重量決定的,物體越重下落越快,比如10公斤重的物體下落,要比1公斤重的物體快9倍。在那個時候,教科書上是這樣寫的,大學教授也是這樣講的。
不過,還是有人懷疑,伽利略就是其中最著名的一位。他經過認真思考,反複實驗,確認“物體越重,下落越快”的學說是錯誤的。要知道,當時在歐洲人的眼裏,除了上帝,隻有亞裏士多德是絕對正確的。誰膽敢反對他,說他的不是,就是大逆不道。勇敢的伽利略堅持真理,義無反顧,決定當眾實驗,公開向古代權威挑戰。
也許青少年朋友會說,要是伽利略在斜塔上同時放下一個紙球和一個鐵球,那麼一定是鐵球先落地。的確是這樣的。當紙球還在空中飄蕩的時候,鐵球已著地了。
這是不是說亞裏士多德的學說是正確的呢?
亞裏士多德很可能是從這類現象中得出結論的,但是他被假象迷惑了。事實上,物體在空氣中下落,都要受到空氣阻力。紙球輕,空氣阻力的影響大,不可忽略;鐵球重,空氣阻力的影響小,可以忽略。倘若在真空中進行紙球和鐵球同時下落的實驗,排除了空氣阻力的影響,它們是一定會同時落地的。
19噸魚哪去了從前,發生過這樣一件事:一個商人向荷蘭漁民購買了5000噸青魚裝在船上,從荷蘭一個城市運到靠近赤道的非洲城市——馬加的沙港。到了那裏,一過秤,發現青魚少了將近19噸。奇怪!這些魚到哪裏去了呢?被盜是不可能的,因為輪船沿途並沒有靠過岸。當時大家都無法揭開這個秘密。
無獨有偶。有一次,蘇聯的一位運動員,也碰到一件怪事。這位運動員在他出生的城市,擲鐵餅經常能擲到50米遠,可是在列寧格勒的全蘇運動會上,他無論怎麼努力,也擲不到那麼遠,總要相差8~9厘米。這又是怎麼回事呢?
我們知道,物體的重量是由地球對它的吸引力而產生的,同時,地球對一個物體的吸引力,是跟這個物體離開地心的遠近而變化的。假如,我們把1公斤的一塊鐵,放到離地麵6400千米的高空,就是說,把這塊鐵舉到地麵離地心兩倍的距離(地球的平均半徑不到6400千米),那麼這塊鐵所受到的地心引力就會減少3/4,它的重量隻有025公斤了。
物體重量的變化情況還多呢!在高山上要比平地上輕一些,在赤道上要比南極輕些,在水裏要比在陸地上輕得多,如果飛到地球引力達不到的高空去,那就根本沒有重量了。
前邊說的青魚和鐵餅的故事,都是地球引力跟人開的玩笑。由於地球是稍帶橢圓的,它的南北兩極的半徑要比赤道的半徑小22千米,半徑越小,吸引力就越大;半徑越大,吸引力越小。因此,在荷蘭的5000噸青魚,運到靠近赤道時,就剩下4981噸了。與此相反,列寧格勒比較靠近北極,因此地球引力就大了一些,也可以說鐵餅重了一些,而使運動員的成績受到了影響。
被風吹倒的大橋塔科馬海峽大橋連接西雅圖與塔科馬兩側的海峽。它確實是一座美麗的大橋,但卻有些怪異。在大橋建成之初,人們就發現即使在微風中橋身也會呈現波浪狀起伏。但是人們並沒有給予這種現象足夠的重視,甚至還吸引了不少人駕車到此一遊,為的是尋求刺激,嚐嚐汽車駛過搖搖晃晃的狹橋時的滋味。在某些日子裏,橋身上下振動的幅度竟達15米,使得駕駛員看不見在它前麵行駛的汽車。
這座橋的倒塌非常突然。有一天早上,橋突然停止振動,不一會兒它瘋狂地扭轉振動起來。30分鍾後,第一塊路麵開始墜入水中,接著有200米長的路麵斷開,然後振動停止了幾分鍾,最後又發生新的振動,將殘留的橋麵全部掀到水裏。事後,人們對大橋的設計老是找不出可以指責的地方,因為那時人們對於吊橋的空氣動力學特性知道得很少。這場災難在當時說來是屬於不可預測的(或稱不可抗拒的),但它對以後的大橋設計影響頗大。
出事那天的風並不特別大,但因為橋在風的作用下產生了共振,振幅不斷增大,直至使大橋破壞。風是怎樣作用在橋上的呢?為什麼相當均勻的風,會使橋產生脈衝式的振動,然後變為扭轉振動呢?
研究的結果表明,是橋上豎直方向的結構板引起了橋的振動。它對風的阻力很大,風被擋之後,大量的氣流便從結構板的上方經過然後壓向橋麵。由於吹過的氣流因不斷地被屈折而使速度增加,所以在豎直結構板的上方和下方壓力降低(伯努利定律)。如果風總是從板的正前方吹來,那倒不要緊,因為上下方的壓力降低會互相抵消,但是,如果風的方向不停地變換的話,壓力就會不斷地變化。這一壓力差作用在整個橋麵上,並因擋風的豎直結構板產生的渦流而得到加強,結果橋就開始振動。
與這類似的情況,是電話線在壓力差的渦流的作用下會產生嘯聲。
當“金匠”碰到阿基米德公元前287年,偉大的古希臘物理學家阿基米德誕生了。
按照當時的慣例,阿基米德童年時被送到埃及的王家學校去學習。他學成回國以後,把所學知識用於實踐,解決了許多實際問題,受到了國王的賞識。
國王希艾羅是一個勇敢善戰的人。有一次打了勝仗,為了慶祝勝利,他決定要獻給神一頂王冠,於是下令找來了一個手藝精湛的金匠來製作。國王的會計官給了金匠必需的金子。不久,王冠製成了,它玲瓏剔透,金光閃閃,國王非常滿意。
但是,人們私下傳說金匠並沒有把全部金子用到王冠上,而是摻進了一部分銀子。國王聽了,也起了疑心。
他把金冠稱一下,和交給金匠的金子一樣重,顏色也黃澄澄的,看不出摻進了什麼。如果鑒別真假打碎這個精致的王冠,又覺得可惜。於是,他找到了阿基米德,讓他設法解開這個謎。
阿基米德接受了這個任務,回到家裏左思右想,一直沒有想出好辦法來。他茶飯不思,焦躁不安,帶著滿腦子問題在洗澡。澡盆裏裝滿了水,阿基米德慢慢把身子沉了進去。
嘩啦,嘩啦,水不斷溢了出來。以前,出現這種現象誰也沒有思考過它的意義。現在,阿基米德一心在尋找解決問題的方法,所以猛地從澡盆溢水的現象中受到啟發。他意識到從盆子裏滲出來的水就等於人體進入水中的體積,如果在容器裏裝滿水,把金冠沉進去,根據溢出的水量,也就可以知道王冠的體積了,隻要弄清王冠的體積,下一步就好辦了。想到這裏,阿基米德忘記了自己在洗澡,光著身子從洗盆裏跑出來,大聲喊著:“解決了!解決了!”。