經典力學:論西蒙·斯蒂文對經典力學的奉獻

一、人物簡介

西蒙·斯蒂文大概於1548年出生在佛蘭德斯的布魯吉,於1620年去世。他是一位在物理學上有很大的造詣,堅持獨立思考,反對宗教權威,早期哥白尼世界觀的守護者。他本人非常重視實驗和實驗相結合的科學工作方式,他還是小數的發明者,數學上的小數點就是由他而來;更是一位自然哲學家、科學家和工程師。

二、永動機不可能存在原理與平行四邊形法則

在1587年用荷文寫成的《靜力學原理》中他提出了永動機不可能原理和力的平行四邊形法則,

經典力學:論西蒙·斯蒂文對經典力學的奉獻

平衡與力的平行四邊形法則來源

他做了如圖1中的實驗裝置。一個固定的直角三稜柱,在上面掛上等距綁有相等質量小剛球的鏈條。開始他認為他發現了永動機,因為很明顯CA斜邊上的小球數量比CB斜邊上的小球多出了兩個,那麼可動的鏈條會一直做加速度恆定的逆時針轉動。這個系統在忽略摩擦情況下不就是個永動機了嗎?可實驗事實卻看到可動部分鏈條根本就沒有自發的轉動。這說明鏈條系統處於平衡狀態,最終他透過多個實驗都看到平衡的現象,得出斜面方向拉力隨著斜面與水平面夾角的減小而減小,且斜面左右兩邊小球的數目與斜面長度成正比。用現在的三角函式來說明就是斜面上的物體受沿斜面方向的力與傾角的正弦成正比。

經典力學:論西蒙·斯蒂文對經典力學的奉獻

西蒙·斯蒂文

這個結論在現在看來很容易,但是對於16世紀的靜力學來說,確是很重要的突破。這一發現標誌著理解平衡問題的一大進步。他還從實驗中得出:若三個力與三角形的對應邊平行且成比例,則這三個力一定互相平衡。這就是力的平行四邊形法則與三角行法則。

二、落體實驗

西蒙·斯蒂文是落體運動定律的先驅,早在1586年,他和德·格羅特(De Groot)在代爾夫特做了落體實驗,否定亞里士多德重物體比輕物體落得快的理論,早於伽利略的實驗。

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自由落體

三、浮心的提出者

西蒙·斯蒂文還研究了滑輪組的平衡和流體靜力學的問題。他在阿基米德的浮力原理以外加上一條定理,就是浮力在流體中平衡,其重心和浮體所排除流體的重力中心(即浮心)一定處在同一直線上,從而使自阿基米德以來幾乎停滯的靜力學發展起來。