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发现摆的等时性

在比萨大学学习不到半年时间,伽利略就对学习医学失去了兴趣。他很想转学别的专业,但一想到父亲的期望,就没有勇气提出来。

伽利略只好耐着性子继续听课。碰到上医学理论课或解剖学课,他只好在下面偷偷地阅读其他书籍。

与此相反,伽利略对于大学开设的非主要课程,如数学、哲学、修辞学、天文学等,兴趣却非常浓厚。他把研究哲学当成一种精神享受,而把数学看做真正的学问,在学习天文学时,他总是试图用数学方法去计算天体的运行规律。

伽利略虽然在比萨大学的课堂里出现着,可是,他的脑子里想的都是让他感兴趣的问题。

1583年,一个星期天的中午,伽利略吃完午饭,走出比萨大学的校门,在街上散步。

伽利略成为医科大学生已经一年多了,他的心情始终不好,整天闷闷不乐。课余时间,他常常走出学校,到城内各处散散心。

离比萨大学不远,有一幢白色大理石建筑是比萨大教堂。教堂有四层楼高,楼上有一尖形塔楼。教堂内装饰华美、庄重,充满神秘的宗教气氛。

比萨大教堂是比萨艺术的最高杰作,从1068年开始花了50年才建成。教堂的正面有四层圆柱装饰,正面和入口处大门上的罗马风格的雕像非常精美。

伽利略信步走进教堂,正赶上教徒做礼拜散场,人们鱼贯走出大厅。霎时,大厅里只剩下伽利略一个人。他坐在大厅正中,望着天花板的一盏吊灯出神。

这时,大厅外突然吹进一阵凉风,将开着的窗户吹得里外摆动,同时也吹得大吊灯左右摇摆。

伽利略定定地看着那盏灯,它有多么悠闲啊!伽利略长时间地看着,看着,他突然觉得这盏灯好怪啊!到底怪在哪儿呢?

伽利略被这盏灯吸引了全部的注意力,他开始认真观察这盏灯的摆动。突然,一束光亮冲进了他的脑子里。这盏灯的摆动幅度虽然在慢慢变小,可是,它每次往返的时间都是一样的。怎么会这样呢?伽利略陷入了深深的思考。

伽利略想,怎样才能作一个精确一些的证明呢?他想到了达·芬奇,在他看过的一本书上达·芬奇说,血液好比是山川江河里的流水,从海里上升到空中而变成云,云散到大陆上又变成雨,下落到山川河流中又返回大海。如此反复,循环不已,形成了有规律的运动。

伽利略想到了,人体的血液也是在血管里生生不息地运动着,很有规律地撞击着血管壁,每当他头痛的时候,他都会感觉到太阳穴有规律地跳动。可以用血管的脉动来作一个证明。

伽利略突然想了起来,在学习中曾经有过,用人的脉搏可以测量时间,想到这儿,伽利略伸出自己的右手,按着左手的手腕,他一边数着脉搏的跳动,一边盯着摆动的吊灯。

他的猜想被证明了,果真不错,吊灯每次摆动的时间都是相同的,这说明亚里士多德一定是错了。

可是,向亚里士多德发起挑战是需要勇气的,要比德国传教士马丁·路德攻击天主教时的勇气还大。他决心进一步通过作实验来证明自己的观点。

伽利略抑制不住兴奋,几天来的郁闷一扫而光,他立刻跑到了学校的宿舍里,找来两根绳子,截成一般长,又找来两个重量不相同的球,系在绳子一端。然后分别将两根绳子系在棚顶上。

一切都已经准备就绪了。

他的两只手分别拿着两个球,他把其中一个抬到很高的位置,而另外一个,则只把它抬到了一半的高度。这时,他同时放手了。

伽利略屏息凝视,他仔细观察着小球的摆动,两个小球一会儿向左,一会儿向右,摆个不停。慢慢地,它们越摆幅度越小,直到最后停止了,几乎是在同一时间停止。

伽利略反复作了好多次这个实验,结果都是一样的。伽利略的想法被自己证实了,他高兴极了,躺在床上,用颤抖的手指揩拭着额头上的汗珠。

伽利略太兴奋了,他努力抑制着自己的激动。忽然,他又从床上跳起来,走到桌子前,想象着不久的将来,他要在全校师生的面前发表自己的见解,他的已经被实验证明了的见解。

伽利略兴奋地将自己的观点告诉他的同学,他说:“我最近通过自己的实验发现了亚里士多德的一个错误。他说,两个不同重量的物体,如果同时下落的话,那么重的物体下落的时间会短、速度会快。”

“可是,这里有两个不同重量的铁球,我把它们分别挂起来,让它们同时摆动,就像我们常常在教堂里看到的吊灯一样。在它们摆动起来的时候,就会有下落的趋势。那么,如果亚里士多德说得是对的,则重的球就应该先停止运动。可是,现在这两个球是在同一时间停止的。”

同学对他的实验也都感到很惊讶,但是最后还是迷惑地说道:“你说的似乎是有道理的,但是我对亚里士多德是没有丝毫怀疑的,你作的摆动实验能够证明什么原理呢?有什么用处?我也说不清楚。不过,你如果告诉老师和其他同学这些事情的话,只会遭到他们的批评和白眼。”

同学的话,虽然说得伽利略有些灰心,但是他依旧积极地投入到了数学和哲学的学习当中。

伽利略在自由的研究空间里,弄明白了“摆的等时性”原理,即摆动的周期与摆的长度的平方根成正比,却与摆的重量无关。这个善于钻研的青年,从现象追踪到了事物的本质,找到了摆动的原理。

一天,伽利略到大学的医务室去看病,医生给他诊脉,说他的脉跳得很快。但是,因为那时没有钟表,数脉搏只能靠估计,一点儿也不准确。

伽利略在看病的过程中,突然想到,用摆动的特性来当钟表,岂不是可以用它来做测量脉搏的仪器?

摆动特性的发现,依旧大大刺激了伽利略潜伏多时的创造力。他的生命力完全爆发了出来,他的脑子迅速地运转着。他很快发现,如果拴铁球的链子的长度不同,或者说摆长不同,他便可以得到不同的摆周期。

这个时候,他联想到,如果他用这种特性来当钟表,不就可以作为测量脉搏的仪器了吗?

伽利略把他的想法告诉了一名同学:“你知道,现在医生测量脉搏是不准确的,纯靠估计,如果医生有了我的这种仪器,就可以准确地测量出脉搏跳动的次数了。”伽利略兴致勃勃地说。

他的同学似乎也受到了启发:“是啊!你说得很对,那你的发明一定会很受欢迎的。而且,如果你把它卖出去,那你就可以得到一大笔钱了。”

伽利略兴奋地说道:“如果真有人买我的发明,那我就可以用这笔钱帮父亲还账了,而且还可以给自己买一双新鞋。”

伽利略说着眼睛落到了他的那双鞋上,那是一双已经露了好几个洞的鞋,伽利略已经穿了好几年了。

“这双鞋该换换了,老是往里面进沙土。”伽利略不好意思地说着。

“你可以先试一试呀!”同学鼓励伽利略。

伽利略从校园和比萨城街道上捡来木板、铁块、铜丝、钉子等废旧物资。他白天上课,晚上回到宿舍里,用这些东西制造脉搏计时仪。经过许多天的制作和修改,脉搏计数仪终于成功了。

这天晚上,在学生宿舍里,伽利略叫来了好几个同学。他拿出一个长方形木盒,立在桌子上。盒子里面有几根铁丝,下面吊着一个钟摆样的装置。

伽利略对大家说:“你把这根绳子绕在仪器的顶端,把铁片固定在绳子的下端,让它摆动。如果你要绳子短些,就把绳子绕紧,要想让绳子长些就把它放松。”

伽利略用这个装置一个一个给宿舍里的同学们检测脉搏,结果都很准确。

“这是一项很重要的发明,我们应当把这个仪器送到医务室去,让医生们试一试,看看对诊断疾病有没有用处。”有同学惊诧而又兴奋地说道。

在同学的鼓动下,伽利略将脉搏计时仪捧到大学医务室。医生们反复测试以后,认为它是检测脉搏的好仪器,准备在诊断疾病中使用。

过了一段时间,伽利略用一根细的轻金属条做了个新摆,把一块小铁片固定在它的末端。

伽利略让铁片能沿着金属条往上移动,铁片能固定在金属条的任何部位。铁片处在金属条的底部时,金属条就摆动得慢,铁片的位置高一点,金属条就摆动得快些,铁片处在金属条的顶端时,摆速就会更快。

然后他把一块大铁片固定在一根绳子上,绳子绕在一个轮子上,铁片将绳子往下拉,就能转动轮子。

伽利略对他的同学解释说:“这个轮子有齿,它有特殊的用途。这个摆有个小舌簧,舌簧扣在轮子的齿上。轮子转动时,就会把舌簧弹出去,振摆就会摆向一边,就像这样。”

伽利略一边向同学表演,一边说:“当振摆摆回来时,舌簧就会扣在第二个齿轮上,然后轮子又会把舌簧弹出去。舌簧会一个挨一个地扣在每个轮齿上,而每个轮齿都会把舌簧弹出去。这样,轮子就会慢慢地转动。”

在比萨大学,一位学医的学生发明了脉搏计时仪的消息不胫而走,不少学生到医学院宿舍向伽利略表示祝贺。

过了不久,脉搏计时仪就成了比萨城一带医生们常用的医疗诊断设备。但伽利略因为忙于学习,并没有制成大批仪器出售,也没有赚到一分钱。

30年后的1672年,荷兰科学家惠更斯利用伽利略的“摆的等时性”原理研制成功机械记时钟。从此,人类有了比较准确的记载时间的钟表,可以按时间去做任何事情。这是惠更斯对人类的最大贡献。追本溯源,这功劳首先应当归伽利略。 D3M5PHk3xwILGekR/tz9UBAI4V43T1fH8TvOPRy/FbLmtElZub6459dmGBCl7FsJ

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