Експеримент з прискорення Галілея
Майкл Фаулер, фізичний факультет UVa
Підсумовуючи погляд Арістотеля
Арістотель вважав, що існує два види руху до неживої матерії, природний і неприродний. Неприродний (або «бурхливий») рух - це коли щось штовхають, і в цьому випадку швидкість руху пропорційна силі поштовху. (Це, мабуть, було зроблено з перегляду візків та човнів.) Природний рух - це коли щось шукає своє природне місце у Всесвіті, наприклад, камінь, що падає, або вогонь, що піднімається. (Ми тут говоримо лише про речовини, що складаються з землі, води, повітря та вогню, „природний круговий рух“ планет, що складається з них, розглядається окремо).
Що стосується природного руху важких предметів, що падають на землю, Аристотель стверджував, що швидкість падіння була пропорційною вазі, і обернено пропорційна щільності середовища тіло падало наскрізь. Він також згадував, що було деяке прискорення, коли тіло наближалося ближче до власного елемента, вага збільшувалась і прискорювалася. Однак ці зауваження у Арістотеля дуже короткі та розмиті, і, безумовно, не кількісні.
Власне, ці погляди Арістотеля не залишалися беззаперечними навіть у Стародавніх Афінах. Приблизно через тридцять років після смерті Арістотеля Страто зазначив, що камінь, що впав з більшої висоти, мав більший вплив на землю, припускаючи, що камінь набирав більшу швидкість, падаючи з більшої висоти.
Дві нові науки
Свої ідеї щодо падаючих тіл і взагалі про снаряди Галілей виклав у книзі під назвою “Дві нові науки". Це були наука про рух, яка стала фундаментом фізики, і наука про матеріали та конструкцію, що є важливим внеском у техніку.
Ідеї представлені у жвавій формі у вигляді діалогу, в якому беруть участь три герої - Сальвіаті, Сагредо та Сімпліціо. Офіційна церковна точка зору, тобто аристотелізм, висувається персонажем, який називається Сімпліціо, а зазвичай зневажається іншими. Захист Галілея, коли його звинувачували в єресі в подібній книзі, полягав у тому, що він просто викладав усі точки зору, але це дещо хитро - Сімпліціо майже незмінно зображається простодушним.
Наприклад, на сторінці 62 TNS, Сальвіаті зазначає:
Я дуже сумніваюся, що Арістотель коли-небудь експериментально перевіряв, чи правда, що два камені, один із яких важить у десять разів більший за другий, якщо в один і той же момент дозволено впасти з висоти, скажімо, в 100 ліктів, будуть так відрізнятися з такою швидкістю, що коли важчий досягнув землі, інший не впав би більше ніж на 10 ліктів.
Відповідь Сімпліціо на це полягає не в тому, щоб думати про те, щоб самостійно провести експеримент, щоб відповісти на виклик Сальвіаті, а для того, щоб ретельніше вивчити священне писання:
СІМП: Здається, його мова вказує на те, що він спробував експеримент, тому що він каже: Ми бачимо важче; тепер слово побачити показує, що він проводив експеримент.
Потім Сагредо приєднується до:
САГР: Але я, Сімплікіо, який провів тест, можу запевнити вас, що гарматний м'яч вагою в одну-двісті фунтів, а то й більше, не досягне землі на стільки, скільки на відстань попереду м'яча-мушкета, який важить лише половину фунт за умови скидання обох з висоти 200 ліктів.
Тоді це знаменує собою початок сучасної ери в науці - ставлення, яке твердження про фізичний світ владними структурами, якими б мудрими та шанованими вони не були, витримують або падають під час експериментальних випробувань. Легенда свідчить, що Галілей здійснив цей конкретний експеримент із пізанської вежі.
Далі Галілей дає детальний аналіз падаючих тіл. Він усвідомлює, що для надзвичайно легких предметів, таких як пір’я, опір повітря стає домінуючим ефектом, тоді як це робить лише незначну різницю в експерименті, описаному вище.
Природно прискорений рух
Експериментально встановивши, що важкі предмети падають практично з однаковою швидкістю, Галілей продовжив розглядати центральне питання про швидкість падіння, яке ледь торкався Арістотель---як змінюється швидкість під час падіння?