第九节 建立经典力学体系
牛顿是经典力学理论的集大成者。牛顿力学的建立是科学史上的一次重大变革，这标志着近代理论自然科学的形成，并成为其他自然科学的基础。
牛顿力学的建立是以其他科学家的研究为基础的，尤其是伽利略与开普勒的观点，对牛顿的力学有着重要的影响。
伽利略通过对自由落体的研究，发现了惯性运动和在重力作用下的匀加速运动，为牛顿第一定律和第二定律奠定了基础。伽利略关于抛物体运动定律的发现，对牛顿万有引力的学说也有一定的启发作用。
天文学家开普勒发现的行星运动定律则是牛顿万有引力学说产生的依据。1609年，开普勒的《新天文学》出版，揭示了太阳系行星运动的两条基本定律：行星运动第一定律：行星的轨道是椭圆形的，太阳在椭圆的一个焦点上。行星运动第二定律：在相等的时间内，行星和太阳的连线所扫过的面积相等，也称为面积定律。
后来，开普勒又发现了行星运动第三定律：太阳系中任何两颗行星公转周期的平方比等于它们轨道半径的立方比，亦称周期定律。
行星运动三定律的发现，揭示了整个太阳系的运动图景。由于开普勒的发现，使太阳系成为一个严格按照确定规律运行的力学系统。因此，西方人把开普勒称为“天空立法者”。
牛顿认为物体内部的力才使物体能够运动，也就是今天我们所知的惯性原理。在笛卡儿的著作中，他还发现了两个没有完全解答的难题：碰撞力学和圆周运动力学，它们成了牛顿研究的中心。
牛顿以力的新概念为基础，直接进入了对碰撞的研究与分析。笛卡儿分析碰撞时根据的是运动物体内部的力，他称为“物体运动的力”。而牛顿则认为：物体运动的力，与物体承受某种外力作用一定有着密切联系。
这是对力的新看法，它将物体看成是作用于它之上的外力的被动物，而不是碰撞在其他物体上的力的主动载体。
牛顿经过20多年的细心钻研，从这一点出发，最后得出了他自己的全部动力学理论。
牛顿为了写《原理》，首先要研究动力学，在完成《论轨道物体的运动》之后的六个月时间，他对这方面投入了大量精力。
牛顿动力学的关键在于内在力与外加力的密切联系，为了把它们解释清楚，牛顿后来又对“物体内在固有的基本力”和“物体被迫承受外加到物体上的力”进行了研究。
在17世纪，牛顿就已经得出物质与运动没有多大关系。莱布尼茨后来争辩说，如果物质完全与运动无关，任何力都可以赋予物体任何速度，那么也就不可能有定量的动力学科学。这个时候，牛顿没有再提出什么基本原理，显然他是赞同这个观点的。
于是，牛顿的动力学还是集中在内在力与外加力的相互作用上。他在《论轨道物体的运动》中确定了两种力的关系，后来，又一条运动定律出现，即现在称为的第三定律。
牛顿所要解决的笛卡儿的第二个问题，也就是圆周运动涉及的力学很复杂，可能会强化他原来关于物体内部力的观点。遵循这一观点和以往的经验，牛顿同意做圆周运动的物体总是努力退离中心，就像绳子上的石头在旋转时总是拉着绳子。
这种要退离的努力好像是运动物体内部倾向，是保持物体运动的内部力做圆周运动时的表现。为了对这种退离倾向进行测量，牛顿运用了碰撞理论分析。
物体退离中心的力，惠更斯则认为是“离心力”。离心力公式使牛顿可以解决他在伽利略的《对话》中发现的问题。在一次辩论中，他提出了这样的观点：“地球的旋转之所以不把物体抛向空中，是因为物体的重力，即降落物体的加速度大于旋转产生的离心力。”
牛顿的观点与力学研究紧密相连。可是，牛顿对伽利略关于重力加速度的数据一直抱着怀疑的态度。后来，牛顿利用圆的几何特性精确地计算出了离心倾向力。并得出结论：物体做均匀圆周运动时，时间与弧长成正比。如果不限制物体做圆周运动，它就会做直线运动，因此，他将离心倾向定为瞬时运动，它等于正切偏离圆的距离。
牛顿的基础工作做了这么多，显然不能满足他的渴望，他又把“月球退离地球中心的力”与地球表面的重力进行了比较，于是，他发现重力逐渐在变大。
那为什么不可以远到月球上呢？这个问题提高了牛顿研究的兴趣。于是他用各种方法计算可能得到的结果。他采用的是地理学家和海员通常采用的数据：地球表面的纬度为60英里。他的计算与理论不太相符，这让他产生了一个想法：如果月球是由旋涡带动的话，除了重力外，月球同时还拥有力的混合物。
牛顿在比较月球的离心力与重力时，脑子里总闪现出某种想法，正是落下的苹果诱发了他的这种想法。于是，他发现了万有引力，但是牛顿却把《原理》一书揣在怀里达20年之久，直到哈雷发现了，才使它公开。
牛顿在力学上的研究有了很大进步，并在此基础上，他实现了天上力学和地上力学的结合，形成了统一的力学体系。
牛顿力学三定律构成了近代力学的基础，也是近代物理学的重要支柱。
牛顿的力学三定律和万有引力定律把天体运动定律与地上物体运动定律统一起来，构建了经典力学的理论大厦。并把力学理论应用到太阳系中，使天体力学中的一系列问题得以解决。他给出了计算太阳质量和行星质量的方法，并证明了地球是一个赤道凸出的扁球，说明了潮汐的涨落，解释了岁差现象，分析了彗星运动的轨迹和天体摄动现象等。
在18世纪及以后的一系列事实，证实了牛顿力学的真理性，从而得到了广泛的承认。
哈雷彗星的发现，地球形状的证实，关于行星摄动现象的证实，这些对牛顿万有引力定律的证实具有重要意义。
此外，如关于引力常数G的测定等，也都证实了万有引力定律。1781年，英国天文学家赫舍尔发现了天王星，首次发现了行星的摄动。1799年，法国著名科学家拉普拉斯出版了《天体力学》一书，建立了行星运动的摄动理论和行星的形状理论，进一步证实了万有引力定律的正确性。
在这之后，人们运用万有引力定律对天王星摄动现象进行了复杂的计算，预言了海王星的存在。1845年发现了海王星，这是对万有引力定律的有力证明。
牛顿运用归纳与演绎、综合与分析的方法使得力学体系更加完善，被后人称为科学上的模板，显示出物理学家在研究物理时，都倾向于选择和谐的体系，追求一种简明、理想的形式。
经典力学的建立促进了自然科学和科技的发展，促进了社会的进步。一是科学的研究方法推广应用到物理学的各个分支学科上，对经典物理学地建立起着推动作用。二是经典力学与其他科学相结合从而产生了交叉学科，使得自然科学得到了更进一步的发展。三是经典力学在科学技术上有广泛的应用，促进了社会文明的发展。
牛顿作为一个科学家，在力学上作出了巨大贡献，并在众多领域取得了伟大成果。正如恩格斯所说：“牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学。”
§§第六章 回首人生
牛顿力学的建立是以其他科学家的研究为基础的，尤其是伽利略与开普勒的观点，对牛顿的力学有着重要的影响。
伽利略通过对自由落体的研究，发现了惯性运动和在重力作用下的匀加速运动，为牛顿第一定律和第二定律奠定了基础。伽利略关于抛物体运动定律的发现，对牛顿万有引力的学说也有一定的启发作用。
天文学家开普勒发现的行星运动定律则是牛顿万有引力学说产生的依据。1609年，开普勒的《新天文学》出版，揭示了太阳系行星运动的两条基本定律：行星运动第一定律：行星的轨道是椭圆形的，太阳在椭圆的一个焦点上。行星运动第二定律：在相等的时间内，行星和太阳的连线所扫过的面积相等，也称为面积定律。
后来，开普勒又发现了行星运动第三定律：太阳系中任何两颗行星公转周期的平方比等于它们轨道半径的立方比，亦称周期定律。
行星运动三定律的发现，揭示了整个太阳系的运动图景。由于开普勒的发现，使太阳系成为一个严格按照确定规律运行的力学系统。因此，西方人把开普勒称为“天空立法者”。
牛顿认为物体内部的力才使物体能够运动，也就是今天我们所知的惯性原理。在笛卡儿的著作中，他还发现了两个没有完全解答的难题：碰撞力学和圆周运动力学，它们成了牛顿研究的中心。
牛顿以力的新概念为基础，直接进入了对碰撞的研究与分析。笛卡儿分析碰撞时根据的是运动物体内部的力，他称为“物体运动的力”。而牛顿则认为：物体运动的力，与物体承受某种外力作用一定有着密切联系。
这是对力的新看法，它将物体看成是作用于它之上的外力的被动物，而不是碰撞在其他物体上的力的主动载体。
牛顿经过20多年的细心钻研，从这一点出发，最后得出了他自己的全部动力学理论。
牛顿为了写《原理》，首先要研究动力学，在完成《论轨道物体的运动》之后的六个月时间，他对这方面投入了大量精力。
牛顿动力学的关键在于内在力与外加力的密切联系，为了把它们解释清楚，牛顿后来又对“物体内在固有的基本力”和“物体被迫承受外加到物体上的力”进行了研究。
在17世纪，牛顿就已经得出物质与运动没有多大关系。莱布尼茨后来争辩说，如果物质完全与运动无关，任何力都可以赋予物体任何速度，那么也就不可能有定量的动力学科学。这个时候，牛顿没有再提出什么基本原理，显然他是赞同这个观点的。
于是，牛顿的动力学还是集中在内在力与外加力的相互作用上。他在《论轨道物体的运动》中确定了两种力的关系，后来，又一条运动定律出现，即现在称为的第三定律。
牛顿所要解决的笛卡儿的第二个问题，也就是圆周运动涉及的力学很复杂，可能会强化他原来关于物体内部力的观点。遵循这一观点和以往的经验，牛顿同意做圆周运动的物体总是努力退离中心，就像绳子上的石头在旋转时总是拉着绳子。
这种要退离的努力好像是运动物体内部倾向，是保持物体运动的内部力做圆周运动时的表现。为了对这种退离倾向进行测量，牛顿运用了碰撞理论分析。
物体退离中心的力，惠更斯则认为是“离心力”。离心力公式使牛顿可以解决他在伽利略的《对话》中发现的问题。在一次辩论中，他提出了这样的观点：“地球的旋转之所以不把物体抛向空中，是因为物体的重力，即降落物体的加速度大于旋转产生的离心力。”
牛顿的观点与力学研究紧密相连。可是，牛顿对伽利略关于重力加速度的数据一直抱着怀疑的态度。后来，牛顿利用圆的几何特性精确地计算出了离心倾向力。并得出结论：物体做均匀圆周运动时，时间与弧长成正比。如果不限制物体做圆周运动，它就会做直线运动，因此，他将离心倾向定为瞬时运动，它等于正切偏离圆的距离。
牛顿的基础工作做了这么多，显然不能满足他的渴望，他又把“月球退离地球中心的力”与地球表面的重力进行了比较，于是，他发现重力逐渐在变大。
那为什么不可以远到月球上呢？这个问题提高了牛顿研究的兴趣。于是他用各种方法计算可能得到的结果。他采用的是地理学家和海员通常采用的数据：地球表面的纬度为60英里。他的计算与理论不太相符，这让他产生了一个想法：如果月球是由旋涡带动的话，除了重力外，月球同时还拥有力的混合物。
牛顿在比较月球的离心力与重力时，脑子里总闪现出某种想法，正是落下的苹果诱发了他的这种想法。于是，他发现了万有引力，但是牛顿却把《原理》一书揣在怀里达20年之久，直到哈雷发现了，才使它公开。
牛顿在力学上的研究有了很大进步，并在此基础上，他实现了天上力学和地上力学的结合，形成了统一的力学体系。
牛顿力学三定律构成了近代力学的基础，也是近代物理学的重要支柱。
牛顿的力学三定律和万有引力定律把天体运动定律与地上物体运动定律统一起来，构建了经典力学的理论大厦。并把力学理论应用到太阳系中，使天体力学中的一系列问题得以解决。他给出了计算太阳质量和行星质量的方法，并证明了地球是一个赤道凸出的扁球，说明了潮汐的涨落，解释了岁差现象，分析了彗星运动的轨迹和天体摄动现象等。
在18世纪及以后的一系列事实，证实了牛顿力学的真理性，从而得到了广泛的承认。
哈雷彗星的发现，地球形状的证实，关于行星摄动现象的证实，这些对牛顿万有引力定律的证实具有重要意义。
此外，如关于引力常数G的测定等，也都证实了万有引力定律。1781年，英国天文学家赫舍尔发现了天王星，首次发现了行星的摄动。1799年，法国著名科学家拉普拉斯出版了《天体力学》一书，建立了行星运动的摄动理论和行星的形状理论，进一步证实了万有引力定律的正确性。
在这之后，人们运用万有引力定律对天王星摄动现象进行了复杂的计算，预言了海王星的存在。1845年发现了海王星，这是对万有引力定律的有力证明。
牛顿运用归纳与演绎、综合与分析的方法使得力学体系更加完善，被后人称为科学上的模板，显示出物理学家在研究物理时，都倾向于选择和谐的体系，追求一种简明、理想的形式。
经典力学的建立促进了自然科学和科技的发展，促进了社会的进步。一是科学的研究方法推广应用到物理学的各个分支学科上，对经典物理学地建立起着推动作用。二是经典力学与其他科学相结合从而产生了交叉学科，使得自然科学得到了更进一步的发展。三是经典力学在科学技术上有广泛的应用，促进了社会文明的发展。
牛顿作为一个科学家，在力学上作出了巨大贡献，并在众多领域取得了伟大成果。正如恩格斯所说：“牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学。”
§§第六章 回首人生
