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至於重性(gravity)怎麼來的,離心力是否和重性相關,如果有 相關孰先孰後?

重性與離心力環繞於惠更斯的論文裡,其中第五個假設如下:

假設五

假如一個物體在地球圓周上運動的速率等同於物體掉落四 分之一的地球直徑,而此時離開圓心的效果會等同於重性的 大小,也就是說,它將會強而有力地拉著繩弦並保持物體懸 掛著。( Huygens, 1659/ 2015, p, 262)

圖 3-6:惠更斯論文假設五示意圖。(引自 Huygens, 1659/ 2015, p, 263)

在第二個假設中已清楚表示離心力的存在,而離心力和重性對

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在先前笛卡兒與伽利略( G. Galileo 1564~ 1642)對於加速度大小 爭論以及對重性現象做清楚解釋,而惠更斯對重性的解釋卻是模糊

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在他的 Discour Sur la Cause de Pesanteur (1690),流體物質以渦 旋形式旋繞地球產生離心力效用,並驗證伽利略的定律: 128-129)

惠更斯的手稿中,更清楚地表示重性產生的原因:

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有相似的加速度運動接近中心,所以這兩件事必須相等的運 動起始條件:物質遠離中心,然後物體向中心掉落。

從這裡出發,假如我們已經找到在特定時間內物體下降多 少,舉個例子:假如物體在1′′′中下落 3/5 的直線距離,我們 也將知道物質向上遠離中心,且以 3/5 的直線距離在1′′′中。

我們必須知道以這種方式在特定的地球半徑了解物質的速度。

( Gandt, 1995, p, 129)

「物質」( matter) 這術語為「隱含物質」( subtle matter) 的縮寫,

惠更斯無疑地將笛卡兒所認為宇宙充斥的液體以及快遞速度環繞著 地球,並且環繞著太陽及整個宇宙,因為隱含物質是無法被法被觀 測的,而透過重物的掉落間接證明物質的存在。

先前早已有實驗解釋落體現象:

木栓 B 放在充滿水的管內,當管子沿中心軸 A 旋轉時,由 於管內的水之離心趨勢或受到的離心力作用較大,會朝管端 P 移動,而將木栓壓向管底。重力(性)( gravity)便是在一個充 滿以太( ether)物質的渦旋世界中,一些離心趨勢較缺乏、較 弱的物體,由於受到以太物質因離心趨勢造成重組與碰撞,

而被迫落向中心或拉向地心,遂形成重力(性)。(姚珩, 2011, p, 16 )。

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圖 3-7:木栓 B 放在充滿水的管內,當管旋轉時水會往外推至 P 點 而木栓將朝管底運動。 (引自姚珩, 2011, p, 16)

雖然重性與重力都叫做 gravity,在牛頓《原理》出版前,物理 學家把掉落當成一種性質,重性比重力更能貼近歐洲十七世紀的物 理觀。

而這「隱含物質」就是以太,是一個感受不到但有體積的物質,

甚至比物體還重,當「隱含物質」被地球甩開時,會留出空缺,使 物體向下掉落填補空,因而有下落的性質產生。下落性是離心力的 結果,在 De vi centrifuga 以伽利略的定律原因加以解釋,並以此作 為向心力發展的基礎。自然作用的強度是由物質附著於旋轉的繩或 輪上所離開中心的大小所造成。

在全部的前言中,並沒有提及離心效用或是圓周運動,只提到 重性及繩線張力提供物體重量。惠更斯強調分析繩子的張力所提供 物體重量,就可以正確分析離心力的原理。我們的手感受到繩子因 離心力產生的張力,相對的手也提供由物體體重量。惠更斯將張力 與物體被釋放時所造成的運動互為相關,而張力和運動就是趨勢或 效用:

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圖 3-8:當繩子掛著重物時,其繩張力會隨著弧面趨於平緩而逐漸 減少。(引自 Huygens, 1659/2015, p, 256)

這種計算方式影響了牛頓,在論運動( De motu) 中也是以取極 限來計算物體的初始運動。以運動的瞬間來計算作用強度更能清楚 明確地找出效用的大小,在圓周運動中以切線速度算出離心力。

從重性以及證明物體墜落性,進而解釋並測量張力與作用效果,

假如被繩子繫住並以非常快的速度作旋轉,球則會傾向𝐵𝐶𝐷̅̅̅̅̅̅切線方 向移動,而球的傾向或效用可以被決定為:

當一個物體到達 E 點時會趨向於 C 點當它在 B 點被釋放,

而它會在趨向 D 點時當物體在 F 點。

假如在另一方面 C 點和 D 點分別在直線𝐴𝐸̅̅̅̅和𝐴𝐹̅̅̅̅的延伸上,

這將會造成一個趨勢使物體從原本位置沿著連心線離開中心。

以這種方式在第一個時間它將會以距離𝐸𝐶̅̅̅̅遠離,在第二個時 間以距離𝐹𝐷̅̅̅̅遠離。

而這些距離𝐸𝐶̅̅̅̅、𝐹𝐷̅̅̅̅以及其他的時間內的距離會以級數平 方倍的方式增加,而它們的比例將會是 1、4、9、16…假如

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BE、EF 等圓弧取更小,級數平方倍的比例會更加精確,幾 乎看不出它們距離的差別。( Huygens,1659/ 2015, p, 257)

圖 3-9:當物體在作圓周運動時,在第一時間隔離心力所造成的位 移量𝐸𝐶̅̅̅̅,與在第二時間隔離心力所造成的位移量𝐸𝐷̅̅̅̅ ,這兩位移之

比𝐸𝐶̅̅̅̅: 𝐸𝐷̅̅̅̅ = 1: 4。 ( Huygens,1659/ 2015, p, 261)

在極短的時間間隔內,利用相似形得出𝐵𝐶̅̅̅̅2 = 𝐸𝐶̅̅̅̅ ∙ 𝐴𝐶̅̅̅̅和 𝐵𝐷̅̅̅̅2 = 𝐷𝐹̅̅̅̅ ∙ 𝐴𝐷̅̅̅̅,物體行經 F 點為行經 E 點的兩倍時間,所以 𝐵𝐶̅̅̅̅: 𝐵𝐷̅̅̅̅ ≈ 1: 2,𝐴𝐶̅̅̅̅ ≈ 𝐴𝐷̅̅̅̅ ≈ 𝐴𝐵̅̅̅̅,最後可以得到𝐸𝐶̅̅̅̅: 𝐷𝐹̅̅̅̅ = 1: 4,而 接下來的時間間隔也會以級數的平方繼續下去。

惠更斯更進一步說明圓周運動離開中心所造成的努力正比於時 間的平方,而這努力就是單位時間內所離開的距離,也就距離和時 間的平方成正比,與落體運動的情形是完全相同的:

這效用完全和一個實驗完全吻合當球體被繩子繫上,而在 這個例子球體努力沿著繩子直線方向遠離以自由落體完全相 同的加速度形式,在第一個時刻物體將會移動 1 的距離,在

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第二個時刻物體會移動 4 的距離,第三個時刻為 9 的距離,

依此類推。( Gandt, 1995, p, 134)

圖 3-10 正可以說明離心力的意義,在三個極短的時刻物體分別 行至 E、F、M,而此離心力大小就是弧線上至質線上 C、D、S 的 長度,也是物體要回到質線上的強度,因此𝐶𝐸̅̅̅̅: 𝐷𝐹̅̅̅̅: 𝑆𝑀̅̅̅̅ = 1: 4: 9,

這也可以說明離心力與重性的運動性質是一樣的。

圖 3-10:離心力所造成的離開距離與時間平方成正比,與重性掉落 距離與時間平方成正比是同樣的數學關係。 (引自 Huygens,1659/

2015, p, 259)

雖然這虛擬的運動和落體運動是一樣的,而且效用是相近的:

繩張力是由旋轉而產生的,並且和懸掛重物所抵抗的重量是一樣的 自然性質。惠更斯獨到新穎的見解啟發了牛頓,在當時年輕的牛頓 並不知道向心力,只知道離心力;而伯雷利更是惠更斯的擁護者,

並且選擇旋轉座標作為解釋:

我所了解的離心力和惠更斯一樣當他在論文最後解釋鐘 擺現象;舉個例子,假如一個人甩動石頭,手會感受到力

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因為石頭做出來開中心的努力,這力叫做離心力。( Gandt, 1995, p, 138)

惠更斯明確地說明並且量化繩子的張力,但對於其效用的方向 不是很在乎,並且也沒有非常嚴謹的運動分析,而旋轉的物體持續 運動下去,這向外趨勢會無限繼續累加下去──這確實值得爭議。

而惠更斯卻是第一位將機械論與數學觀整合,也就是量化離心 力。儘管只有數學結論沒有推倒,但年輕時的牛頓讀了惠更斯圓周 運動受到啟發且推導出離心力的公式;雖然牛頓的論文以笛卡兒哲 學原理( Principia Philosophiae) 為命名,卻深受惠更斯離心力概念的 影響,內容與圓周運動與離開中心的趨勢( Conatus Recedendi a Centro)緊密結合在一起。

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