自由落体定律:一座斜塔辨真假

如果将一块石头和一片羽毛在同一高度同时放下,那么到底哪一个先落地呢?也许有人会脱口而出:“当然是石头先落地。”也许有人会说:“同时落地。”那么究竟哪一种回答正确呢?

还是让我们先看看亚里士多德对这个问题的论述吧。古希腊哲学家、科学家亚里土多德说:“重的东西落地快,轻的东西落地慢。”这也就是说,他认为重物体先着地。在一个很长的时期内,谁也没有怀疑过他提出的这个“落体定律”。

到了16世纪,在文艺复兴运动蓬勃兴起的意大利,年轻的伽利略在科学研究中对亚里士多德的论断产生了怀疑。

伽利略这样想:假定A、B两个物体,A重,落得快;B轻,下落得慢。那么把两物组合在一起让它下落,会出现什么情况呢?

一方面,(A+B)比A重,应该比A落得更快;另一方面,因为B落得慢,拴在一起对A的下落速度有一定的牵阻作用,所以,(A+B)又应比A落得慢。这不是自相矛盾吗?

因此,伽利略认定,亚里士多德的理论是错误的。他认为,在不计空气阻力的情况下,物体自由下落的速度与其重量无关,即轻重不同的物体下落的速度是相同的。

但是,由于当时意大利人把亚里士多德的学说奉为金科玉律,伽利略的观点不但没有得到应有的重视,反而遭到了很多有名望的神学家、哲学家和物理学家的嘲讽和责难。伽利略坚信自己的看法是正确的,他决定通过实验证实自己的观点。

1590年的一天清晨,26岁的数学家伽利略在好奇者的惊讶目光里,在守旧者的嘲笑声中,登上了高大的比萨斜塔。他让两个铁球(一个重1磅,一个重100磅)同时从塔顶落下。根据亚里士多德的“落体定律”,一定是100磅的铁球先落地;但是,实验的结果却是两个铁球同时落地!

这是怎么回事呢?

原来,在真空中,初速为零的落体叫自由落体。物体所以下落,是受到地心吸引的缘故。据实验,在地球表面附近,各种物体的加速度都约等于9.8米/秒2。物体不管材质如何,石头也好,鸡毛也好,在真空中从同一高度同时落下时,下落的速度是相同的。

为了演示这种现象,可用一根一端封闭、一端有管塞的1.5米长的玻璃管,里面放上石头、羽毛、纸片、铝币等。先将管中空气抽去,然后把它倒转过来,使各种物体降落。我们可以看到,这些物体下落的速度是相同的。如果不抽出空气,则它们下落的速度不同。

由此可以说明,鸡毛等轻物体在空气中比石头等重物体下落得慢,是因为受到空气的阻力,而不受它们本身重量的影响。由于伽利略在比萨斜塔进行落体实验用的铁球,其本身的重量比空气的阻力大得多,可以近似看作自由落体运动,所以两个铁球几乎同时落地。

【科学小链接】

自由落体

自由落体的“落体”,顾名思义是指物体从高空下落。“自由”二字,其含意为:一,物体开始下落时是静止的,即初速度为0;如果给物体一个初速度竖直下落,不能算自由落体。二,物体在下落过程中,除受重力作用外,不再受其他任何作用力(如空气阻力)的影响。

 

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