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第6章.2

作者:英-艾萨克·牛顿/译者:任海洋 当前章节:2955 字 更新时间:2026-7-17 02:55

根据表中第4行记录的实验数据,当摆体在空气中摆动535次后,其损失的运动等于此摆体在水中运动 次时损失的运动。而摆体在空气中的摆动确实略快于在水中的摆动。但是,如果摆体在水中的摆动按此比率加快,使得最终在空气中和水中的摆动保持一致。那么在水中,此时球体的摆动次数仍为 次,而且摆体损失的运动也等于加速前摆体损失的运动。因为阻力增大了,但时间的平方也按此相同比值的平方减小。因此在空气中和水中的摆体速度相等时,在空气中经过535次,在水中经过 次摆动,所损失的运动相等。故摆体在水中受到的阻力与在空气中的阻力之比为535∶ 。而此比值反映的就是在第4行的情况中总阻力的比值。

当摆体以最大速度V 在空气中运动时,假设弧差用AV +CV 2 表示。因为在第4行实验中的最大速度与第2行实验中的最大速度之比为1∶8,而且在这两次实验中,摆体划过的弧差之比为 ,或写为 ∶4280,故分别令这两次实验中的速度为1和8,而弧差则为 ∶4280,于是得到A +C = ,8A +64C =4280(或A +8C =535) ,解这两个方程,得7C = 或C = ,A = 。因此之前与 成正比的阻力,此时则与 成正比。在第4列的实验中,速度为1,那么摆体受到的总阻力比其正比于速度的平方的部分等于 或 。因此摆体在水中受到的阻力比在空气中所受到的与速度的平方成正比的那部分阻力(该部分是在快速运动时唯一值得考虑的) ,等于 ,即571∶1。如果在其运动过程中,整条细线都是浸入水中的,那么此时它受到的阻力更大,而摆体受到的阻力情况与上述情况相似,即当摆体以相同速度分别在水中和空气中运动时,在水中所受到的与速度的平方成正比的那部分阻力(该部分是在快速运动时唯一值得考虑的) 比在空气中所受到的阻力,约等于850∶1,这个值近似等于水的密度与空气的密度之比。

在上述运算中,取出的摆的阻力部分与速度平方成正比,但奇怪的是,我发现水中阻力的增加大于速度的平方。究其原因,我想到也许水箱的宽度相对摆球体积太窄了,因此限制了水屈服于摆的运动。这是因为放入水中的摆球直径仅为1英寸时,阻力增加的比例几乎与速度平方成正比。此后,我做了一个双球摆实验。其中一个较轻的球放在下面,在水中摆动,而上面的那个较大的球则固定在细线上正好高于水面的地方,在空气中摆动。上面这个球正好能维持摆的较长久运动。实验结果如下表所示:

我还做了铁摆在水银中的摆动实验,来比较两种介质产生的阻力。此铁摆的铁线摆长约3英尺,摆球直径约为 英寸。固定一个铅球在高于水银面的铁线上,此铅球大到足以使摆运动一段时间。之后交替在容量约为3磅水银的容器内注满水和水银,这使摆可以在不同流体中相继运动,从而求出它们间的阻力比值。根据实验数据可知,水银的阻力与水的阻力之比约等于13或14比1,也即是等于水银与水的密度之比。接下来我又取出了稍大的球,直径约等于 或 英寸,这次得出水银与水的阻力之比约为12∶1或10∶1。但是明显地前一个实验结果更可靠,这是因为在后一个实验中,容器并未随摆球增大,因此容器相对摆球而言太窄。我本想用更大的容器,然后在其中注入熔化的金属以及冷热液体,再重复这个实验,但是我没有时间来一一重复这些实验。此外,根据上述实验,似乎足以推导出速度较快的物体受到的阻力与它周围的流体密度似乎成正比。但此比例关系并不是精确的,因为若流体的密度相同,那么黏着性大的流体的阻力一定大于滑润流体,比如冷油的阻力大于热油,热油大于雨水,雨水又大于酒精。但是在易流动液体中(如空气、食盐水、酒精、松节油、盐类溶液、通过蒸馏过滤出杂质然后加热的油、矾油、水银和熔化的金属,以及那些通过摇晃容器可以对它们施加压力,然后它们就会运动一段时间,但在倒出后易分解为液滴的液体) ,上述比例关系应该是精确的,尤其是摆较大并在流体中快速运动时。

最后,因为一些人认为存在一种极为稀薄的精细以太介质,它们的粒子可以自由穿透所有物体中的缝隙,但这种穿透必然会引起某种阻力。于是为了验证物体运动时受到的阻力是否只是作用于外表面,或是其内部也受到了作用于外表面的作用力,设计了以下实验。首先用11英尺长的细绳将圆松木箱悬挂起来,用钢圈挂在钢制钩子上,此钩子的上侧是锋利的凹形刀刃,这样钢圈的上侧可以更自由地在其上运动,细绳则系在钢圈的下侧。摆制成后,把它由垂直位置拉到与钩刃垂直的平面上,此时摆球被拉开的距离约为6英寸,这样钢圈就不会在摆运动时在钩子上滑动或偏移,因为悬挂点正好位于钢圈和钩刃的接触点,而此点是应该保持不动的。记录下了摆拉开的精确位置,然后把它释放,记录下第1、2、3次摆动后摆球回到的位置。为了尽可能精确地记录下摆动位置,此过程应重复多次。接下来称量了空箱重量,箱子上绳子的重量,以及钩子到箱子之间的绳子的一半重量(因为把摆从垂直位置拉开时,悬挂摆的绳子作用于摆的重量始终只有自身重量一半) ,在箱子中装满铅或者其他常见重金属,并且在计算重量时也加入了箱内空气的重量。空箱子的重量约等于装满金属后箱子重量的 。因为绳子会被装满金属的箱子拉长,从而摆长会增加,适当缩短了绳子使之摆动时的摆长与空箱摆动时的摆长相等。再把摆拉到第一次记录的位置释放,观测到大约经过77次摆动后,箱子来到第二个记录位置,然后回到第三个记录位置的摆动次数也相等,同样到第四个记录位置的摆动次数也是相等的。由此推出,装满的箱子受到的阻力与空箱受到的阻力之比不大于78∶77。这是由于如果它们的阻力相等,那么装满箱子的惯性比空箱的惯性大78倍,这就使它们的摆动时间之比也为此倍数,所以装满箱子应该在78次摆动后回到标记点,但是在实验中此摆动次数实际上是77次。

因此,假设A 表示箱子的外表面受到的阻力,B 表示空箱的内表面受到的阻力,而当物体内各部分的速度相等时,如果其受到的阻力与物质成正比,或者与受到阻力的粒子数量成正比,那么当箱子装满时,箱子内部受到的阻力为78B ,所以空箱受到的总阻力A +B 与装满的箱子受到的总阻力A +78B 之比等于77∶78,而根据分比得,(A +B )∶77B =77∶1,故(A +B )∶B =77×77∶1,再根据分比得,得A ∶B =5928∶1。由此得到,空箱内部受到的阻力相较于其外部受到的阻力要小5000倍以上。但此结论是基于下面的假设:装满的箱子受到的阻力较大,并不是因为其他任意未知的原因,而是因为某些稀薄的流体作用于箱内的金属的力,这才是它受到的阻力较大的原因。

因为做这个实验时的原始记录已经遗失,而我又没有时间再重做一次这个实验了,故此实验只是我根据记忆描述的。但是由于一些细节已经遗忘了,我不得不略去它们。我第一次做这个实验时,选用的钩子很软,而装满的箱子的速度不一会儿就变慢了。通过观察,我发现之所以出现这种现象,是因为选用的钩子不够牢固,所以不足以承受箱子的重量,于是当箱子来回摆动时,钩子也会随着箱子的摆动而弯曲。因此我又重新选用了一个足够坚硬的钩子,使摆体在摆动时其悬挂中心得以固定下来,然后再做这个实验,那么就可以得到上述所有的情形了。

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