牛顿运动定律简史
公元前4世纪,古希腊哲学家亚里士多德(公元前384-322年)指出:静止是物体的自然状态,如果没有作用力,就不会有运动(力是维持物体运动的原因)。这种观点是错误的,因为它失去了“力可以使一个物体停止运动,也可以使它开始运动”这一关键点。但他首先提出了力与运动的关系,对力学的发展做出了一定的贡献。
在6世纪,希腊学者J.Philoponus对亚里士多德的运动理论提出了批评。他认为抛射体本身具有某种推动物体前进直至耗尽的力量,后来在14世纪发展为“冲量理论”。
14世纪,法国哲学家约翰·布里丹(1295—1358?),艾伯特,妮可·奥里斯(尼科尔·奥雷斯姆,1320?-1382)等人提出了“冲动论”。他们认为:“当一个推手推动一个物体运动时,他对它施加了一定的冲力或一定的力量。速度越大,冲力越大,冲力耗尽,物体停止。”这个理论为意大利物理学家伽利略·伽利雷(1564-1642)和英国物理学家艾萨克·牛顿(1643-1727)铺平了道路。
17世纪,伽利略在著作中多次提出类似于惯性原理的说法。1632和1638年,他分别在《托勒密与哥白尼的对话》和《力学与位置运动两门新科学的对话》中记录了理想斜面实验(一个小球沿着斜面平台滚到水平面上,表面越光滑,球滚得越远),并推论“如果有一个足够长且绝对光滑的表面,就什么都没有了。”因此,球继续运动或直到有东西(外力)阻碍它,从而得出“物体在自然状态下会维持原来的运动而不是趋于停止”的结论。这一结论打破了自亚里士多德以来约1300年间“力是维持物体运动的原因”的旧观念,但仍有其影响。这个结论非常接近惯性定律(牛顿第一运动定律也叫惯性定律,最早是伽利略发现的)。
1644年,法国物理学家勒内·笛卡尔(1596-1650)弥补了伽利略在哲学原理上的不足。他明确指出,除非一个物体受到外界因素的影响,否则它会一直保持静止或运动的状态,他还特别说明,一个惯性运动的物体绝不会使自己作曲线运动,而只会作直线运动。他把这个基本原理表述为两个定律:(1)每个单独的粒子会继续保持同一状态,直到它与其他粒子碰撞时被迫改变这种状态;(2)所有的运动,本身都是沿着直线进行的。但笛卡尔并没有建立起他试图建立的推导各种自然现象的体系,但他的思想对牛顿总结这类规律有一定的影响。笛卡尔最大的贡献在于他第一个认识到力是改变物体运动状态的原因。
伽利略在1662中指出:“一个以任意速度运动的物体,只要去掉加速或减速的外部因素,就能保持相同的速度。”笛卡尔也认为:“没有外力作用时,粒子要么匀速运动,要么静止不动。”牛顿把这个假设作为牛顿第一运动定律,并把伽利略的思想进一步推广到有力的场合,提出了牛顿第二运动定律。
1664年,牛顿受较早研究碰撞的笛卡尔的影响,开始研究两个球形非弹性刚体的碰撞。从1665到1666,牛顿研究了两个球形刚体的碰撞。他关注的不是动量和动量守恒,而是物体之间的相互作用。至于两个刚体之间的碰撞,他提出:“在它们相向运动的时间内(即碰撞的瞬间),它们的压力最大,……它们的整个运动都被这一瞬间它们之间的压力所阻止,……只要这两个物体不互相屈服,它们就会承受同样猛烈的压力,……它们会像反弹回来之前一样远离对方。”
1668-1669,荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯(1629-1695),沃尔赫斯(willis)和英国物理学家克里斯托·莱伊恩(1632-65445)。其中,惠更斯的工作最为突出。他证明了同一方向的两个硬件在碰撞过程中动量不变,纠正了笛卡尔没有考虑动量方向性的错误,首次提出了碰撞前后的动量守恒。牛顿正式提出牛顿第三运动定律时,肯定了他们的工作,也指出了他们的局限性。牛顿认为:“雷恩和惠更斯的理论都是建立在绝对坚硬的物体上,但理想弹性体可以得到更肯定的结果,用非理想弹性体做的实验,比如压制的木球、钢球、玻璃球,在消除误差后都是一致的。"
1673年,法国物理学家马里奥特(1620-1684)用两个简单的摆锤做了碰撞实验,熟练地测出了碰撞前后的瞬时速度。牛顿也重复了这个实验。他进一步讨论了空气阻力的影响和改进方法,并对结果进行了修正。
65438年8月至0684年8月,在英国物理学家埃德蒙哈雷(1656-1742)的劝说下,牛顿开始撰写《自然哲学的数学原理》,对手稿进行了系统的整理,对一些问题进行了重新思考。1685 165438+10月,形成专著两卷。1687年7月5日,《原理》以拉丁文出版。牛顿运动定律是在《原理概论》的公理或运动定律一节中提出的,摆脱了旧观念的束缚。1713年,《原理》第二版出版;1725,第三版。
19世纪下半叶,德国物理学家古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫(1824-1887)、奥地利和捷克物理学家恩斯特·马赫(恩斯特·马赫,1838-1916)、美国物理学家l .艾森巴德、美国物理学家n .奥斯特恩等。都讨论了牛顿运动定律,提出了自己的修正。其中,马赫对发展中的力学中的牛顿运动定律进行了全面的考察和分析。艾森巴德在关于经验的运动定律和牛顿力学的奥斯顿表述中提出了类似的新表述。然而,其中一些修正案遭到了质疑,包括瑞士和美国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955)。
从1905开始,爱因斯坦的相对论推翻了牛顿建立的大部分科学体系。爱因斯坦指出,牛顿运动定律在超出经典力学的范围或质点、惯性参考系、宏观和低速运动问题等适用条件时,就不再成立。这部分内容已经超出了牛顿运动定律简史的讨论。进一步发展,请参考狭义相对论和广义相对论的词条。