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    抛射体运动的研究
    作者:郭奕玲 沈慧君    文章来源:作者惠赐    点击数:    更新时间:2008-2-13

    清华大学物理系 郭奕玲 沈慧

    抛射体运动的研究由来已久,从古希腊时代就有人涉及。由于人们对物体运动的解释带有时代的局限性,抛射体问题成了物理学发展中的又一标志性课题。

    一、空气推动还是自带冲力

    对于抛射体的运动,亚里士多德解释说,之所以抛射体在出手后还会继续运动,是由于手或机械在作抛物动作中同时也使靠近物体的空气运动,而空气再带动物体运动。但是,在亚里士多德的思辨中,不可避免地会出现漏洞。人们要问,空气对物体的运动也会有阻力作用,为什么有的时候推力大于阻力,有的时候阻力又会大于推力?

    尽管亚里士多德被奉为圣贤,他的学说在中世纪还是不断有人批驳,逐渐被新的见解取代。

    公元6世纪希腊有一位学者对亚里士多德的运动学说持批判态度,他叫菲洛彭诺斯(J. Philoponus)。他认为抛体本身具有某种动力,推动物体前进,直到耗尽才趋于停止,这种看法后来发展为“冲力理论”。代表人物是英国牛津大学的威廉(William of Ockham,13001350),他认为,运动并不需要外来推力,一旦运动起来就要永远运动下去。他写道:“运动并不能完全与永恒的物体区分开,因为当可以用较少的实体时,就无需用更多的实体……。没有这一额外的东西,就可以对各种运动给予澄清。”例如,关于抛射体运动,他解释为:“当运动物体离开投掷者后,是物体靠自己运动,而不是被任何在它里面或与之有关的动力所推动,因为无法区分运动者和被推动者。”1他举磁针吸铁为例,说明要使铁运动并不一定直接接触,并且还进一步设想,这种情况在真空中也能实现,可见亚里士多德认为真空不存在的说法是可疑的。

    巴黎大学校长布里丹(F.Buridan,1300-1358)也是批判亚里士多德运动学说的先行者。他反对空气是抛射体运动的推动者,亚里士多德对抛射体的解释是:在抛射体的后面形成了虚空区域,由于自然界惧怕虚空,于是就有空气立即填补了这一虚空区域,因而形成了推力。布里丹反问道:“空气又是受什么东西的推动呢?显然还有别的物体在起作用,这样一连串的推动根源何在呢?他又举出磨盘和陀螺为例,它们转动时无前后之分。两支标枪:一支两头尖,另一支一头尖一头钝,然而投掷时并不见得前者慢后者快。水手在船上,只感到迎面吹来的风,而不感到背后推动的风。这些都说明:“空气持续推动抛射体”的说法不符合事实。于是他提出“冲力理论”,认为:“推动者在推动一物体运动时,便对它施加某种冲力或某种动力。”

    对于抛射体抛出之后的轨迹,在伽利略以前,人们普遍认为是沿着直线射出,并以很小的弧度弯曲,直至力尽而以直线下落,图1 是伽利略之前(1551年)一本数学书中对炮弹从炮膛射出后抛射轨迹的描述。

    1 1551年出版的《数学初步》上描绘的抛射体轨迹示意图(采自I.B.Cohen,From Leonardo to Lavoisier,1450-1800,Charles Scribner’s sons,1980

     


    1. A.Franklin,Am.J.Phys.44,(1976)p.537

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