扔石头扔出来的冲力理论

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　　西方有句谚语：“对运动无知，也就对大自然无知。”运动是万物的根本特性。在古希腊占统治地位的亚里士多德 (Aristotle，384–322 BC) 动力学范畴内，把万物看成是由四种元素——土、水、空气及火组成，四种元素各有其自然位置，任何物体都有返回其自然位置而运动的性质。

　　因此，亚里士多德认为运动有两种：自然运动和强迫运动。重物下落是自然运动，天上星辰围绕地心作圆周运动，也是自然运动;而要让物体作强迫运动，必需有推动者，即有施力者。力一旦去除，运动即停止。这就是亚里士多德“力是维持物体运动的原因”的论述。

　　这一观点自提出后就一直受到哲学家的批评，其中，抛体运动(扔石头)就无法用亚里士多德的动力学理论解释，物体脱手后没有直接回到它的“自然位置”，还在水平方向上发生了运动，那么是什么力持续作用在物体上使得物体没有直接掉向地面?亚里士多德最后解释说一个通过空气的抛射运动是因为物体周围介质产生了“漩涡”或者“振动”，才保持了抛射运动。

　　图片来源：维基百科

　　这就有点令人难以置信了!一个很明显的例子就是拉动河中的一只小船，停止拉动后，没有持续力作用在船上，船应该停止但是船依然在动，而且站在船头的人感觉到的不是“漩涡”和“振动”，而是迎面吹来的风，说明此时风给船的力是向后的，但是船却在向前运动。这一现象在一定程度上也驳斥了亚里士多德关于抛体持续运动的“漩涡”和“振动”解释。

　　到了6世纪，亚历山大里亚的哲学家John Philoponus (c. 490 – c. 570) 为了完善亚里士多德的运动理论(力是维持物体运动的原因)，抛弃了“漩涡”“振动”说，他认为抛体(扔出去的石头)的持续动力来源于人最初对它施加的运动，例如扔出去的石头，就是手给了石头运动能力，石头在抛射运动中逐渐消耗这种能力，用完了石头就停止了(返回到它的自然运动状态)。

　　这种观点后来得到了认可， 11世纪波斯帝国博学家Avicenna(波斯博学家c. 980 – June 1037)支持Philoponus的理论说道：可以验证，对于抛体运动最正确的说法是运动的物体从抛射者中获得了运动能力。

　　12世纪，阿拉伯科学家Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi (1080 – 1164 or 1165 CE) 对抛体运动的解释是，抛射者给了抛射物体一个非常猛烈的“运动能力”，但是这种“运动能力”会随着抛体原理抛射者而逐渐减小。后来，Jean Buridan(本文的重点人物布里丹，John Buridan，法语Jean Buridan，c. 1300 – c. 1358/61) 和 Albert of Saxony(德国哲学家，c. 1320 – 8 July 1390)应用了Abu'l-Barakat关于“运动能力”的观点解释落体的加速运动就是增加了“运动能力”的结果。

　　沿着对“扔石头”学问的不断探索，14世纪，布里丹 (Jean Buridan) 提出了他的冲力理论，并给出了如下定义：

　　当抛射者把物体抛出，物体处于运动中时，抛射者就在物体中“植入”了一定的冲力，那是一种可以使得物体沿着初始运动方向运动的力，可以向上、向下、横向运动，或者是圆周运动。这种被植入的冲力会以与速度相同的速率增加。正是因为这种冲力才使得石头从投掷者手中离开还可以继续运动。但是因为空气的阻力(也因为石头受重力作用)，给了它与冲力运动相反方向的动力，因此后来的运动就会逐渐减弱。因此，石头的运动会减慢，并最终冲力减弱、破坏，重力获胜，使得石头趋近于它的自然位置。

　　冲力理论的提出还对天体运动做出了修正，在亚里士多德动力学中，天体运动是靠天使在推动的，布里丹认为在上帝创造世界的时候，只是按照他喜欢的方式移动每一个天球，天球在冲力作用下自行运动，并且由于天球不受其它运动趋势影响，因此冲力也不会减少。这样就把天使解放出来，就像我们看到那样，天球都在自行运动。

　　此外，布里丹对冲力理论给出了一个数学描述：

　　冲力 = 物体的重量 × 速度

　　我们会惊奇的发现这个定义几乎就是动量的定义，在冲力理论的演变中容易看出，布里丹和他之前的学者主要区别在于他拒绝“冲力会自动消散”的观点，运动物体最终被与冲力相反的空气阻力和重力所捕获。设想一下，如果没有阻力和重力，物体将一直运动下去，这就成了惯性定律!而对运动本身加速和减速的分析为加速度概念的提出奠定了基础。因此冲力理论也被认为是动量、惯性和加速度概念的先驱。

　　布里丹的冲力理论发展了科学史的一个重要的思想实验，被称为“隧洞实验”，它的重要性是因为它带来了一个振荡和摆动。这个虚构的实验假想了一个穿过地心的隧洞，在一定的高度有一枚炮弹竖直掉入隧洞内，炮弹走直线穿过地球达到另一面时一定会到达与原来相同的高度，当这枚炮弹再次从地球那面落入隧洞时，将会发生类似的运动，形成一种振荡。

　　这个思想实验在力学发展史上具有重要意义，它给动力学分析带来了振荡和摆动的概念，在 17世纪的力学发展上起到了关键作用，伽利略、惠更斯、莱布尼兹的动力学分析中，都将摆动作为重要原理来讨论。

　　如果我们返回到争论扔石头运动的年代，或许在我们看来，“扔出去的石头运动”这么习以为常、地球人都知道的事根本没有讨论价值，如果人类都生活在这种理所当然中，冲力理论就不会有;冲力理论没有，后来的伽利略、牛顿理论也必然不会出现。这给我们的启示就是，如今在我们的生活中那些习以为常的事，所设计的产品，是不是都在“习以为常、地球人都知道”中理所当然的接受了?

　　参考文献：
　　[1] 维基百科，冲力理论
　　https://en.wikipedia.org/wiki/Theory_of_impetus

　　[2] 维基百科，布里丹，
　　https://en.wikipedia.org/wiki/Jean_Buridan

　　来源：力学酒吧公众号(ID：Mechanics-Bar)，作者：张伟伟 太原科技大学。