力学改变人类生活的三项发明

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力学改变人类生活的三项发明

作者:武际可

来源:《百科知识》2015年第19期

力学改变人类生活的三项发明

17世纪科学革命之后,在力学学科引领之下的发明数不胜数,其中,摆钟、调速器和航

空是3项最为重要的发明,它们对人类生活产生了巨大的影响。

其实,这3项重要发明所根据的力学原理十分简单:一个单摆、一个离心调速器、一个具有攻角运动的平板的升力。然而,从这3个貌似十分简单的力学模型开始,到根据其原理进行发明创造,再经过不断改进,进入并改变人类生活,要经过无数科学家的艰苦努力,甚至要经过几代人前赴后继地奋斗,才能成为现实。人类文明的历史就是这样不断发展着。

摆钟开辟计时与大航海时代

关于摆钟的发明,可以追溯到伽利略对摆的等时性的研究。伽利略是研究摆的运动的第一人。他在17岁时,就对摆的振动产生了兴趣。经过反复实验,他得到了摆的小摆动周期与摆长的平方根成正比的结论,从而在理论上为钟表的核心装置——摆奠定了理论基础。这标志着一个新时代的开始。

1641年,伽利略建议利用摆的等时性制造钟。遗憾的是,他未能完成此项工作便逝世

了。于是,制造摆钟的任务历史性地由荷兰学者惠更斯担当了。

1657年,27岁的年轻学者惠更斯完成了摆钟的设计。他是一位因为发现土星光环而知名的年轻学者。同年,荷兰的钟表匠制成了世界上首架摆钟。次年,惠更斯出版了专著《摆钟》。在这本书中,惠更斯不仅详细描述了摆钟的构成,而且发表了一系列关于单摆与动力学的重要研究结果。例如,惠更斯系统地研究了圆周运动,引进了向心力和向心加速度的概念。他在理论上论证了单摆的等时性并给出了其周期与摆长和重力加速度关系的公式。随后,惠更斯又发现,在大幅度摆动时,单摆的周期不再是常数,并给出了在大幅度摆动时也有等周期的摆线理论。

摆钟的发明对钟表精度的改进是非常了不起的。在此之前,最好的钟一昼夜误差大约有15分钟,而当时最好的摆钟可以调整到一昼夜误差不大于10秒。有了摆钟,人类才有了研究地球上物体运动的精确计时装置。

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