世界近代前期科技史-第19节
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化；对于任何规定的倾斜度，距离与经过它所需时间的平方成正比。不过，
伽利略在做这个实验时还不知道滚球的转动惯性的作用。
②摆的等时性及其他。伽利略早在1582年刚满18岁时，就发现了摆的
等时性原理。在比萨大教堂，他无意中发现，大吊灯被修理工触动而摆动时，
随着摆幅逐渐变小，摆动的速度也逐渐变慢。通过仔细的观察和计算，他发
现无论吊灯的摆幅大小如何，左右摆动一次的时间是一样的。后来，他又用
不同重量的东西悬在不同长度的绳上作各种摆动实验，并用沙钟计算时间，
结果终于推翻了亚里士多德关于“摆幅越小需时越少”的观点。他以数学公
式表达了摆动的规律，即摆动的周期与摆的长度的平方根成正比，而与摆锤
的重量无关。
摆的等时性原理为制造摆钟提供了依据。后来，伽利略想到了这种可能
性，并让自己的儿子和学生试制。但是，当时还未能发明使摆能够长时间持
续摆动的装置。
伽利略还研究了抛射体的运动、物体的碰撞动力学等问题。此外，在流
体力学方面，伽利略提出了一个重要的概念，即流体由孤立的粒子构成，它
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们在受到压力的情况下便会运动，从而把压力传遍整个流体。这个概念事实
上成为流体力学的基础。在气体力学方面，伽利略通过实验证明，空气具有
重量。他还估算出水比空气重400倍左右。这个数据同实际的773倍相比尚
有距离，但在伽利略的时代，衡器的精确度还不高，误差是很难避免的。
（3）托里拆利的发现
①创立流体动力学。托里拆利（1608—1647年）生于意大利北部的一个
贵族之家，20岁时到罗马，师从著名数学家和水利专家卡斯特利。卡斯特利
是伽利略的朋友，竭力推崇和宣传伽利略的思想。在他的影响下，托里拆利
对伽利略和伽利略的事业心向往之。1638年，伽利略的《关于两种新科学的
谈论》出版之后，托里拆利深受启发，并由此而对运动力学的问题进行了深
入的研究。1641年，他的《论重物》一书在佛罗伦萨出版。3年后，此书译
成拉丁文出版时改名为《论自由落体和抛射体的运动》，托里拆利在书中总
结了自己的力学研究成果。他也同伽利略一样，证明了沿相同斜面落下的物
体的速度相等。此外，他还确定了与水平面成任意角抛出的物体的运动轨道
具有的抛物线性质，以及其他一些构成弹道学基础的原理。
创立流体动力学是托里拆利最主要的成果之一。他研究了水从容器壁上
的小孔中流出的情况，注意到容器侧面小孔中流出的水呈抛物线状，并证明
了射流的速度与小孔以上水面的高度的平方根成正比。这个公式被称为“托
里拆利公式”，它纠正了托里拆利的老师卡斯特利的一个错误。卡斯特利曾
经认为，液体从容器细孔中流出的速度与小孔上面的液面高度成正比。托里
拆利的发现，奠定了流体动力学的基础。
1641年10月，托里拆利终于得以到阿尔切特里会见伽利略。当时，伽
利略已重病在身，且双目失明。托里拆利一面帮助他整理论著，一面在他指
导下进行研究。1642年伽利略去世后，托里拆利接替了他曾担任的托斯卡纳
大公的宫廷数学家职位，并继续在力学方面进行卓有成效的研究。
②获得真空。 不久，托里拆利还发现了大气压力。当时，人们已经知
道，抽水唧筒不能把水提升到超过10米的高度。伽利略逝世前曾对这一现象
予以注意，但未来得及探明其中的原因。托里拆利和伽利略的另一个学生维
维安尼通过实验发现，比重较水约大14倍的水银可以被提升的最大高度大约
是水能被提升的高度的1/14。由此，他们得出了一个重要的结论：唧筒提升
液体所能达到的高度与液体的比重有关。
在取得这一成果的基础上，托里拆利和维维安尼又做了一个新的重要实
验，在一根1米长、一端封闭的玻璃管中装满水银，用手指堵住管口后将玻
璃管倒立于盛有水银的容器中，然后移开手指。于是，玻璃管中的水银柱下
降到离容器中水银面以上76厘米处。玻璃管顶部出现了24厘米的空间。这
是人类首次有意识地造成的真空状态，后来被称为“托里拆利真空”。托里
拆利还观察到，水银柱的高度会出现微小的变动。他认为，这是由于大气压
力的变化而造成的。据此，他发明了水银气压计，并进一步发现了气压的变
化与气温的变化有关。
托里拆利39岁时英年早逝，但他在力学研究方面的成就，使他在科学史
上据有重要位置。
（4）帕斯卡的成果
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托里拆利的同时代人帕斯卡（1623—1662年），也做了一系列重要的力
学实验并获得了有意义的结果。
帕斯卡从小擅长数学，16岁时就发表了关于圆锥曲线的论文，随后在数
学研究方面取得了不少成果，并为帮助父亲计算税收而制造了一个计算装
置，它被认为是第一架数字计算器。不久，他的兴趣转向力学问题。
帕斯卡在得知托里拆利所做的真空实验后，用汞和水重复了这个实验。
不久，他又设计了一个新实验，进一步证明了托里拆利的发现。他让自己的
亲戚皮埃尔在家乡克勒蒙菲朗的多姆山上，从山脚到山顶，在不同高度观测
托里拆利气压计中水银柱的高度，发现越往山上走水银柱高度越低。他自己
在巴黎的高层大楼上做了同样的实验。帕斯卡由此得出结论，大气压力随高
度的变化而变化，高度越高，压力越小。他提出，可用气压计作为测量高度
的仪器。虽然这种测量直到18世纪初才开始实际进行，但帕斯卡的发现在以
后的地学研究乃至现代航空技术中都得到了广泛应用。
帕斯卡还同皮埃尔一起，对同一地点大气压力的变化进行了观察和测
量，对气压变动与天气情况的关系作了初步探索，为利用气压计预测天气开
辟了道路。
在实验过程中，帕斯卡对托里拆利的水银气压计作了改进，还发明了注
射器。
在流体力学领域，帕斯卡也有重大贡献，其中最主要的是提出了关于液
体压力的一个定律，即帕斯卡定律。帕斯卡通过实验发现，在密闭的容器中，
静止流体的某一部分发生的压力变化，都能毫无损失地传递到流体的各个部
分和容器壁。例如，在水力系统中的一个活塞上施加一定的压力，必将在另
一个活塞上产生相同的压力增量。如果第二个活塞的面积是第一个活塞的10
倍，那么作用于第二个活塞上的力也将增大为原来的10倍，而两个活塞上的
压强仍然相等。这个定律后来成为各种液压机械的工作原理，得到极为广泛
的运用。
（5）居里克的实验
居里克（1602—1686年）的工作对于研究气体的物理性质极有价值。他
生于马德堡，曾先后就读于莱比锡大学和莱顿大学。在当时有关真空问题的
争论的影响下，他开始研究气体力学。
为了产生局部真空，居里克发明了空气泵，并利用它做了一系列实验。
他曾把一个装满水的木桶封闭起来，并用沥青将其缝隙填死，然后用泵将水
抽出。但空气仍能通过微孔进入木桶内。于是，他改用铜制容器，并直接将
容器中的空气抽出。但抽到一定程度时，铜制容器便被压扁。居里克认识到，
这是由于空气压力的作用以及容器没有制成真正的球形。他又制作了一个铜
球，终于成功地获得了很高的真空度。上述这些工作，都是在著名的 1654
年公开实验之前就已完成的。
1654年，居里克在雷根斯堡为国王斐迪南三世和帝国会议演示了大气压
力的存在。他在两个空心的铜制半球之间放上垫圈，并将其合在一起，形成
一个直径35。5厘米的球体，然后通过球体上的气嘴将其中的空气抽出，关上
阀门。两个半球被空气压力紧紧地压在一起，最后用16匹马才将其拉开。这
就是“马德堡半球”实验。居里克第一次显示了大气压力的巨大力量。为气
体力学作出了开拓性的贡献。
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居里克用天平比较了一个容器在被抽空前后的重量，证实了空气是有重
量的。他在空气和真空性质方面还有其他发现，如：被抽空的容器的视在重
量在不同日子中存在着差异，是由于大气压力的微小变化以及大气对悬浮容
器所产生的阿基米德上推力的作用；光线能够穿过真空，而声音则不能，等
等。
居里克的研究及其成果，最早是由维尔茨堡大学教授朔特 （1608—1666
年）在其《流体——气体力学》一书中进行介绍和论述的。居里克的有趣实
验吸引了玻意耳，并促使他进一步深入地研究居里克实验中所涉及的问题。
在罗伯特·胡克的协助下，玻意耳改进了居里克的抽气机，并用它作了大量
实验。玻意耳发现了空气的“弹性”，即在恒温条件下，空气的体积与压力
成反比。这个发现后来被称为玻意耳定律，虽然玻意耳当时还没有认识到这
个发现的重要性。玻意耳的其他实验，还表明了空气对于燃烧、动物的呼吸、
声音的传播等都是不可缺少的。
（6）建筑中的力学
①材料。达·芬奇在自己的笔记中曾谈到了关于柱和樑的强度，这表明
他曾对材料在应力下的性能进行过实验研究。虽然他使用的方法还较粗糙，
表达也还欠严谨，但他仍提出了一些很有价值的见解，并表明自己已经超越
了纯粹根据经验来决定建筑中如何使用材料的时代。达·芬奇注意到，由一
组柱子紧密结合在一起而构成的一个立柱所能够承受的荷载，要数倍于这些
柱子在各自独立状态下所能承受的荷载。他指出，一根规定截面积的支柱的
承载能力与其高度成反比。他还试图算出支柱的高度和直径发生变化时，其
承载能力的变化。他对樑也作了类似的实验，得出了关于规定截面积的樑的
承载能力与其跨度成反比的结论。
到17世纪初，伽利略对材料强度的问题进行了深入的研究。在《关于两
种新科学的谈话》这本书中，他详细考察了材料力学的一系列问题，如樑的
抗断裂力及其与樑的长度、厚度、截面积等因素的关系、金属丝的抗拉性等
等。由伽利略开始，许多学者在这一领域展开了研究。瑞典学者沃茨、法国
建筑师布隆代尔、意大利学者马什蒂和格兰蒂等人，曾对伽利略关于樑的强
度的结论作了某些修正。法国物理学家马略特（1620—1684年）通过对樑的
实际试验而提出，纤维在不同荷载下的延展程度也不同，延展程度与荷载成
正比，但延展有一个度，超过这个度纤维就不能承受荷载而断裂。
②结构。在文艺复兴的影响下，古典式建筑重新流行。同时，出现了一
些介绍和说明古典建筑结构的著作，其中最有代表性的，是卓越的意大利建
筑师帕拉弟奥 （1518—1580年）所著的《安德列·帕拉弟奥的建筑学》。
帕拉弟奥早年曾在建筑工地当石工，1540年开始从事设计，并多次到罗
马考察和测绘古罗马建筑遗址，1544年出版了《古罗马遗迹》一书。他设计
的具有古典主义风格的宅邸和别墅式样长期被人模仿，18世纪在欧洲达到鼎
盛并传播到世界其他地区。
在4卷本的《建筑学》中，帕拉弟奥用许多自己的设计来说明古罗马的
设计原则。其中第一卷研究了材料、柱式和装饰；第二卷是他本人的建筑设
计图和古代建筑的复原图，图上均按比例标出尺寸；第三卷是桥樑、会堂等
公共建筑的设计和城市规划；第四卷是古罗马神殿的复原图。帕拉弟奥研究
了跨度与拱座厚度的关系，认为拱座的厚度不应少于拱跨的1/5，但也不必
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多于其 1/4。但他没有考虑到拱高对于拱的水平推力的影响，并以为半圆形
拱对其拱座没有水平推力
