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一 近代以前的力學(xué)

1.沖力理論

按照亞里士多德的運(yùn)動(dòng)理論，每個(gè)物體都有自己的固有位置，離開固有位置的物體，只要不受阻礙，都要做返回固有位置的運(yùn)動(dòng)，這叫物體的自然運(yùn)動(dòng)。除自然運(yùn)動(dòng)之外的物體運(yùn)動(dòng)統(tǒng)統(tǒng)是強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)。強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)只有在外力不斷地作用時(shí)才產(chǎn)生，作用停止，運(yùn)動(dòng)也立即終止。

亞里士多德是一個(gè)面對(duì)自然的坦率觀察者，上述論述顯然來(lái)自經(jīng)驗(yàn)，譬如車夫拉車的經(jīng)驗(yàn)、劃船的經(jīng)驗(yàn)等。但是，亞里士多德的運(yùn)動(dòng)論在對(duì)拋射體進(jìn)行解釋時(shí)產(chǎn)生了矛盾。

一個(gè)被拋射出去的石頭或鐵餅怎么能在空氣中飛行呢？亞里士多德認(rèn)為，拋射物體的手或機(jī)械，使與被拋射物體接觸的媒質(zhì)(空氣)層也運(yùn)動(dòng)起來(lái)，而且能把動(dòng)能傳給它。接著這個(gè)媒質(zhì)層對(duì)下一個(gè)媒質(zhì)層反復(fù)進(jìn)行同樣的作用，一層一層的媒質(zhì)便推動(dòng)了拋射體。而在其他地方，亞里士多德主張媒質(zhì)阻礙運(yùn)動(dòng)。

這一矛盾早就為人們所注意。6世紀(jì)的哲學(xué)家菲洛普努斯(Philoponus)就拒絕亞里士多德對(duì)拋射運(yùn)動(dòng)的解釋。他認(rèn)為空氣阻礙物體運(yùn)動(dòng)而不是促進(jìn)物體運(yùn)動(dòng)。拋射體之所以能飛行，是因?yàn)橥稊S的人或機(jī)械把某種非物質(zhì)的動(dòng)力傳給了物體本身，也就是說(shuō)，把強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的作用轉(zhuǎn)移到物體內(nèi)部。

這種想法后來(lái)被法國(guó)巴黎的唯名論者加以采納和發(fā)展。其中心人物巴黎大學(xué)的讓·布里丹(Jean Buridan，1300前一1358后)提出使動(dòng)者把沖力(im-petus)嵌入受動(dòng)物體的理論：沖力的方向和物體的運(yùn)動(dòng)方向相同，使動(dòng)者停止作用后，使拋射體繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的就是這種沖力。由于空氣的阻力和重力的作用，沖力不斷減弱，拋射體的運(yùn)動(dòng)也不斷減慢。當(dāng)沖力耗盡，重力出于支配地位，拋射體便開始向固有位置運(yùn)動(dòng)。物體包含的物質(zhì)的量越大，對(duì)沖力的容量也越大。

沖力是經(jīng)院哲學(xué)框架內(nèi)的東西，以近代力學(xué)的概念來(lái)衡量，它不過(guò)是各種概念的混亂的摻和而已。但是人們一直在對(duì)它進(jìn)行修正，長(zhǎng)期以來(lái)成為人們論述運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)。伽利略早期就是一個(gè)沖力論者。

擺脫和超越?jīng)_力理論，到達(dá)近代力學(xué)的過(guò)程中，對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的考察起到了極為重要的作用。其一是開普勒的工作，其二是為地動(dòng)說(shuō)奠定力學(xué)根據(jù)的伽利略的工作。

2.開普勒的天體力學(xué)思想

第六章“開普勒的行星運(yùn)動(dòng)定律”一節(jié)提到開普勒推導(dǎo)出行星運(yùn)動(dòng)第二定律時(shí)，引入了天體引力的思想。按照亞里士多德的觀點(diǎn)，天體所作的勻速圓周運(yùn)動(dòng)是天體的自然運(yùn)動(dòng)，因此沒(méi)有必要為天體的運(yùn)動(dòng)尋找物理原因。但是開普勒認(rèn)為天文學(xué)理論不應(yīng)該僅僅是說(shuō)明、解釋所觀測(cè)到的現(xiàn)象的一套數(shù)學(xué)方法，它同樣也必須建立在合理的物理學(xué)原理之上。行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律應(yīng)該可從導(dǎo)致行星運(yùn)動(dòng)的原因中導(dǎo)出。

基于這樣的考慮，開普勒率先考察起行星繞日運(yùn)動(dòng)的物理原因。受到吉爾伯特磁學(xué)理論的啟發(fā)，開普勒認(rèn)為行星受到磁力的推動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。他把太陽(yáng)看成一塊大磁鐵，行星是些小磁鐵。太陽(yáng)發(fā)出磁力并本身旋轉(zhuǎn)，由此推動(dòng)行星。這種力的大小與到太陽(yáng)距離成反比。

在這里，一方面，開普勒拋棄了亞里士多德的建立在“固有位置”基礎(chǔ)上的運(yùn)動(dòng)理論；另一方面，開普勒只是把地上的亞里士多德力學(xué)推廣到了天上。行星的速度和所受力都與到太陽(yáng)的距離成反比，完全符合運(yùn)動(dòng)速度與所受力成正比的亞里士多德運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律。在亞里士多德的物理學(xué)中，天上和地下的物體遵循不同的物理規(guī)律。但開普勒確信自然的一致性，因此他把地上的力學(xué)推廣到了天上。

3.斯蒂文鏈