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《自然哲学的数学原理》命题XL 问题IX

 循天园 2023-10-02 发布于广西

一个球,在一极易流动的、压缩的介质中前进,通过现象求它的阻力。

设A为在真空中球的重量,B为它在阻力介质中的重量,D为球的直径,F为一个空间,它比D如同球的密度比介质的密度,亦即,如同A比A-B,G为时间,在此期间球以重量B无阻力地下落,画出空间F,且H为速度,它被这个球在其下落中获得。由命题XXXVIII系理2,H是最大的速度,以它球由其重量B能在介质中下降;由命题XXXVIII系理1,球以那个速度H所遇到的阻力,等于它的重量B;球以其他任意速度所遇到的阻力,比重量B按照它的速度比那个最大的速度H的二次比。

这是起源于流体物质的惰性的阻力。起源于它的部分的弹性,黏性和摩擦的阻力,可如此研究。

放下球使它以自身的重量B在流体中下降;且P为下落的时间,且它以秒计,如果G以秒计。找到绝对数(39)(numerus absolutus)N,它对应于对数,且设L为数(N+1)/N的对数,则在下落中获得的速度为H,且画出的高度为[(2PF)/G]-1.3862943611F+4.605170186LF。如果流体足够深,可忽略项4.605170186LF;画出的高度很接近[(2PF)/G]-1.3862943611F。这些由第二卷命题九及其系理是显然的,由假设,球不受其他的阻力,除非它来源于物质的惰性。如果它确定受到其他的阻力,下降将会变慢,且由迟滞可以知道这个阻力的量。

如是物体在流体中下落的速度和下降能更容易地知道,我编制了下表,其第一列指示下降的时间,第二列显示在下落中获得的速度,最大的速度为100000000,第三列显示在那些时间下落画出的空间,2F为空间,它由物体以最大的速度在时间G画出,且第四列显示以最大的速度在相同的时间画出的空间。在第四列中的数为(2P)/G,并通过减去数1.3862944-4.6051702L,发现在第三列中的数,且为了得到下落画出的空间,这此数必须乘以空间F。此外加上第五列,其中包含一个物体在真空中下落,由其自身的相对重力B画出的空间。

解释

为了通过实验研究流体的阻力,我得到了一个正方形的木头容器,内部的长和宽各为一伦敦呎的九吋,深九又二分之一吋,且我用雨水注满容器;并由蜡包着铅制成球,我记录球下降的时间,球下降的高度为112吋,1立方伦敦呎的立体包含76罗马磅(40)(libra Romana)的雨水,这种呎的一吋的立体包含这种磅的盎司或者格令;以一吋的直径画出的水球在空气介质中包含132.645格令雨水,或者在真空中包含132.8格令雨水;且任意其它球如同它在真空中的重量对它在水中的重量的超出。

实验1 一个球,在空气中它的重量为格令,且在水中为77格令,在四秒钟的时间画出的总高度为112吋。且当实验被重复,球在四秒钟的时间下落相同的路程。

此球在真空中的重量是格令,且其重量对在水中球的重量的超出是格令。因此得出球的直径为0.84224吋。但那个超出比在真空中球的重量,如同水的密度比球的密度,于是如同球的直径的三分之八(即2.24597吋)比空间2F,因此它[2F]为4.4256吋。在1秒钟的时间,球由其自身的总重量格令下落,在真空中画出吋;且由77格令的重量下落,在相同的时间,在没有阻力的水中画出95.219吋;则在时间G,它比一秒按

照空间F或者2.2128吋比95.219吋的二分之一次比,球画出2.218吋,并能获得在水中下降时的最大的速度H。所以时间G为0″.15244。且在这个时间G,球以最大的速度H画出4.4256吋的一个空间2F;因此在四秒的时间画于116.1245吋的一个空间。减去空间1.3862944F或者3.0676吋,则保留113.0569吋的一个空间,它由球在一个很宽的容器中下落,在四秒钟画出。这个空间,由于上述木头容器的狭窄,应按照来自容器的开口比这个开口对球的最大的半圆的超出的二分之一次比和相同的开口比其对球的最大圆的超出的简单比的复合比减小,亦即按照1比0.9914之比减小。这样做之后,得到112.08吋的一个空间,理论上,球在这个木头容器中下落,在四秒的时间应近似地画出这个空间。且由实验它画出112吋。

实验2 三个相等的球,每个在空气中的重量是格令且在水中是格令,相继落下;每一个在水中下落,在十五秒的时间在各自的下落中画出112吋的一个高度。

由计算得出,在真空中一个球的重量是格令,这个重量对在水中球的重量的超出是格令,球的直径为0.81296吋,这个直径的三分之八是2.16789吋,空间2F为2.3217吋;一个空间,它由重格令的球无阻力地下落在1″的时间画出,是12.808吋;且时间G为0″.301056。所以,球以最大的速度,由这个速度球能以格令的力在水中下落,在0″.301056的时间画出2.3217吋的一个空间,且在15″的时间画出115.678吋的一个空间。减去1.3862944F或者1.609吋的一个空间,则保留114.069吋的一个空间,因此该球在很宽的容器中下落在相同的时间应画出它。由于我们的容器的狭窄,大约0.895吋的空间应被扣除。且因此保留113.174吋的一个空间,理论上,它由球在这个容器中下落,在15″的时间应很接近地画出。且由实验它画出112吋。差异是感觉不到的。

实验3 三个相等的球,每个在空气中的重量是121格令,且在水中是1格令,相继落下;且在水中下落,在46″,47″,和50″的时间,画出112吋的高度。

按照理论,这些球应在大约40″的时间下落。它们的下落得较缓慢是否归之于在缓慢运动中起源于惰性力的阻力比起源于其他原因的阻力的较小的比例;或者是宁可归之于附着于球上的一些小泡,或者蜡由于天气的或者使球落下时手上的热而变稀,或者甚至是在水中称量球时感觉不到的误差,我不能肯定。且因此球在水中的重量应大于一格令,则实验会确实且可信。

实验4 为了研究流体的阻力,我着手至此描述的实验,这早于我得知在最近的命题中阐述的理论。此后,为检验已发现的理论,我得到了一个内部宽吋,深十五又三分之一呎深的木头容器。然后我由蜡包着铅制成四个球,每个在空气中重格令且在水中重格令。再者,我让这些球落下,并用一架半秒的振动摆测量它们在水中的下落时间。球,当被称量时且在此后的下落中,是冰凉的且冰凉被保持一段时间;因为热使蜡变稀,且由于变稀减小在水中的球的重量,已变稀的蜡由于寒冷不立刻回归到原先的密度。在下落前,它们被完全地浸没在水中,使得它们的下落在开始时不被凸出水的部分的某些重量所加速。且当它们完全浸没并静止时,极细心地让它们下落,由释放它们的手不会接受某个冲击。它们相继下落,在振动,50和51次的时间,画出十五英呎又二吋的高度。但现在的天气比称量球时稍冷,因此在另一天我重复了实验,且球在振动49,,50和53次的时间下落,第三次做时,球在振动,50,51和53次的时间下落。多次重复实验,我得到球大多在振动和50次的时间下落。当下落较慢时,我怀疑由于它们碰到容器的壁而变缓慢。

现在按照理论进行计算,得出球在真空中球的重量是格令,这个重量对在水中球的重量的超出是格令。球的直径为0.99868吋。此直径的三分之八是2.66315吋。空间2F为2.8066吋。一个空间,它由球以格令的重量在一秒的时间无阻力地下落画出,是9.88164吋。且时间G为0″.376843。所以球,以最大的速度,由它球能以重格令的重力在水中下降,在0″.376843的时间画出2.8066吋的一个空间。且在1″的时间画出7.44766吋的一个空间,又在25″或者[摆]振动50次的时间画出186.1915吋的一个空间。减去1.386294F或者1.9454吋的一个空间,则保留184.2461吋的一个空间,它由球在一个很宽的容器中下落,在相同的时间画出。由于我们的容器的狭窄,这个空间按照来自容器的开口比这个开口对球的最大的半圆的超出的二分之一次比,和相同的开口比它对球的最大圆的超出的简单比的复合比减小;则得到181.86吋的一个空间,它很接近球在这个容器中在[摆]振动50次的时间由理论应画出的空间。由实验,球在[摆]振动或者50次的时间,画出182吋的一个空间。

实验5 四个球在空气中重格令且在水中重格令,它们多次落下,在,29,和30次,且有时在31,32,或者33次振动的时间,画出十五呎又二吋的一个高度。

由理论它们应在很接近29次振动的时间下落。

实验6 五个球在空气中重格令,且在水中重格令,它们多次落下,在振动15,,16,17和18次的时间,画出十五呎又二吋的一个高度。

由理论它们应在很接近15次振动的时间下落。

实验7 四个球在空气中重格令,且在水中重格令,它们多次落下,在[摆]振动,30,,32和33次的时间,画出十五呎又一吋半的一个高度。

由理论它们应在很接近28次振动的时间下落。

在研究诸球,它们的重量和大小相同,在下落时为何有的迅速有的迟缓的原因时,我偶然想到,当初始球被放下并开始下落时,那一侧,它碰巧较重并先下降,产生一振动运动,振动围绕它们的中心。因为由于其自身的振动,一个球传递给水的运动比它下降而没有振动时大,且由此振动失去原有的运动的一部分,球应以此运动下降;且根据振动是较大或者较小,受到较大或者较小的迟滞。此外,球总从振动中正下降的那一侧退离,且由于退离靠近容器的壁,并在某些情况撞在壁上。且这种振动在球较重时强烈,且较大的球对水的推动较大。所以,为减小球的振动,我由蜡和铅新做了球,铅嵌在球中靠近其表面的一侧,且我这样放在球,使较重的一侧尽可能在开始下降时的最低点。于是振动变得比以前小很多,且球在不相等性较小的时间下落,正如在以下的实验中。

实验8 四个球,在空气中重139格令且在水中重格令,多次落下,在振动不多于52次,不少于50次,且大多在约51次振动的时间下落,画出182吋的一个高度。

由理论它们应在大约52次振动的时间下落。

实验9 四个球,在空气中重格令,且在水中重格令,多次落下,在振动不少于12次,不多于13次的时间,画出182吋的一个高度。

由理论这些球应在很接近次振动的时间下落。

实验10 四个球,在空气中重384格令且在水中重格令,多次落下,在,18,和19次振动的时间,画出吋的一个高度。且当它们在19次振动的时间下落时,我有时听到在到达底部之前它们撞击容器的壁。

由理论它们应在很接近次振动的时间下落。

实验11 三个相等的球,在空气中重48格令且在水中重,多次落下,在振动,44,,45和46次,且大多在44和45次的时间,画出很接近吋的一个高度。

由理论它们应在大约次振动的时间下落。

实验12 三个相等的球,在空气中重141格令且在水中格令,数次落下,在61,62,63,64和65次振动的时间,画出182吋的一个高度。

且由理论,它们应在很接近次振动的时间下落。

从这些实验,显然,当球缓慢下落,如在第二,第四,第五,第八,第十一和第十二个实验中,下落的时间由理论正确地显示;且当球迅速下落,如在第七,第九和第十个实验中,阻力稍大于按照速度的二次比的阻力。因为球在下落期间有些振动;且这个振动在较轻的球且较慢的下落中,由于运动微弱而迅速停止;但是在轻重且较大的球的下落中,由于运动强烈而持续较久,且不能通过包围着的水检验除非在多次振动之后。而且球,它们愈迅速,它们在后面所受水的压迫愈小;且如果速度持续增大,它们最后会在后面留下是真空的一个空间,除非流体的压力同时增大。但是流体的压力(由命题XXXII和XXXIII)应按照速度的二次比增大,使得阻力按照相同的二次比。因为这不会发生,快速的球后面所受的压迫稍小,且由于这个压力的减小,它们的阻力变得稍大于按照速度的二次比的阻力。

所以理论与物体在水中的下落相符,剩下我们检验物体在空气中的下落现象。

实验13 1710年6月,从位于伦敦城的圣保罗教堂的屋顶,同时落下两个玻璃球,一个充满水银,另一个充满空气;且在下落中它们画出220伦敦呎的一个高度。一块木板,其一边被悬于铁铰链上,另一边由一个木栓支撑;放在这块板上的两个球同时落下,这通过延伸至地的铁丝拔去木栓,使得木板只倚靠在铁铰链上面而向下旋转,同时一个按秒的振动摆由那条铁丝牵引下落而开始振动。球的直径和重量以及下落的时间显示在下表中。


但是,观察到的时间应被修正。因为水银球(由伽利略的理论)在四秒钟画出257伦敦呎,故画出220呎仅需3″.42。所以木板,当木栓被拉下时,比它应当要旋转得要慢,且旋转的缓慢阻碍球在开始时的下降。因为球差不多位于木板的中心,且事实上离木板的[转]轴比离木栓更近。且因此下落的时间被延长大约一秒钟的六十分之十八,所以修正应扣除这些时间,特别对较大的球,因为它们的大小使它们在木板上的时间稍久。这样做了之后,时间,在此期间六个较大的球下落,成为8″.12,7″.42,7″.42,7″.57,8″.12,和7″.42。

所以,第五个充满空气的球,直径为五吋,重483格令,在8″.12的时间下落,画出220呎的一个高度。[体积]等于这个球的水的重量是16600格令;且[体积]等于它的空气的重量是格令,或者格令;且因此在真空中球的重量是格令,又这个重量比[体积]等于球的空气的重量,如同,且因此等于2F比球的直径的三分之八,亦即,比吋。由此得出2F为28呎11吋。球在真空中,以它自身的全部重量格令下落,在一秒钟的时间画出吋如上,则以483格令画出185.905吋,且相同的重量483格令也在真空中在57.58″″的时间画出空间F或者14呎吋,并获得它能在空气中下降的最大的速度。球以这个速度,在8″.12的时间,画出245呎又吋的一个空间。减去1.3863F或者20呎吋,则保留225呎5吋。所以,这个空间,由理论应该在8″.12的时间被球下落画出。在实验中它画出220呎的一个空间。误差是感觉不到的。

对其余充满空气的球应用类似的计算,我编制了下表。


实验14 1719年7月,德扎尔格先生重做此类实验,猪的一个膀胱通过凹的木球被制成球壳,湿的膀胱由于充入的空气而膨胀;且在它们干了之后被取出,并从同一座教堂的圆顶阁上的一个更高的位置,即从272呎的高度落下;且在同一时刻也下落一个铅球,它的重量约为二罗马磅。且在这期间,有人站在此教堂的最高处,在那里球落下,标记下落的整个时间,又有人站在地上标记铅球下落的和膀胱下落的时间之间的差。且时间由按半秒钟振动的摆测定。在那些站在地上的人中,某人有一只每秒振动四次的弹簧时钟;另一个人有另外一台由每秒振动四次的摆巧妙地制成的机械。站在教堂顶部的人中,也有人有一台类似的机械,且这些机械如此制造,使得它们可随意地开始或者停止。又铅球在约四又四分之一秒的时间下落。且上述的差加上这个时间,膀胱下落的整个时间被确定。时间,在此期间,五个膀胱在铅球落地后继续下落,在第一次为″,″,″,″,和″,且在第二次为″,″,14″,19″,和″。加上时间″,在此期间铅球下落,则总的时间,在此期间五个膀胱下落,在第一次为19″,17″,″,22″,和″,且在第二次为″,″,″,″,和21″。而在教堂顶部所标记的时间,在第一次为″,″,″,″,和″,且在第二次为19″,″,″,24″,和″。但膀胱并不总是一直下落,有时飘浮不定,且在下落中来回摆动。则下落时间被这些运动延长和增加,有时为半秒,有时为一整秒。此外,第二个和第四个膀胱在第一次直线下落;且第一个和第三个膀胱在第二次也如此。第五个膀胱是皱的且由于其皱它稍被迟滞。膀胱的直径我从很细的线环绕它们两次测得的周长导出。且在下表中我把理论与实验相比较,假定空气的密度比雨水的密度如同1比860,并计算空间,由理论球在下落中应画出它们。


所以,我们的理论正确地显示了球在空气中以及在水中运动时几乎所有的阻力,且对等速且等大的球,它与流体的密度成比例。

在一个解释中,它附属于第六部分,由摆的实验我们证明,相等且等速的球在空气,水,和水银中运动,阻力如同流体的密度。在这里由物体在空气和水中下落的实验,我们更精确地证明了同一事情。因为摆在每次振动中,引起流体的一个运动,它总与摆返回时的运动相反,且由起源于这个运动的阻力,以及线的阻力,摆由线悬挂,使得摆的总的阻力大于由物体下落的实验发现的阻力。因为在那个解释中由摆的实验说明,密度与水相同的一个球,在空气中画出自身半直径的一个长度,应失去其自身运动的。但由在这个第七部分中阐述且由物体下落的实验证实的理论,假定水的密度比空气的密度如同860比1,相同的球画出同样的长度,仅应失去其自身运动的。所以,由摆的实验发现的阻力大于(因刚才所描述的原因)由球下落的实验发现的阻力,且约按照4比3之比。但是,由于在空气,水,和水银中振动的摆的阻力由于类似的原因而被类似地增大,在这些介质中阻力的比例,不但能由摆的实验,而且能由物体下落的实验足够正确地显示。且因此可以断定,物体在静止且极易流动的流体中运动时的阻力,其他情况相同,如同流体的密度。

由这些如此被确立的,现在有可能很接近地指出在任意流体中被抛射的任意一个球,在一段给定的时间其运动失去的部分。设D为球的直径,且V为运动开始时它的速度,T为时间,在此期间球以速度V在真空中画出一个空间,它比D的一个空间如同球的密度比流体的密度;又球在那一流体中被抛射,在任意时间t,其速度失去(tV)/(T+t)份,留下(TV)/(T+t)份;且由命题XXXV系理VII,它画出一个空间,这空间比在相同的时间以均匀的速度V在真空中画出的空间,如同数(T+t)/T的对数乘以2.302585093比数t/T。在缓慢的运动中阻力稍小,因为球的形状较以相同的直径画出的一个圆柱的形状稍微更适于运动。在快速的运动中阻力稍大,因为流体的弹性力和压缩力不按照速度的二次比增大。但这里我没有思考此类细节。

且即使空气,水,水银,和类似的流体,它们的部分通过无限分解,被细化而成为流动性无限的介质;它们对被抛射的球的阻碍并不减小。因为阻力,关于它产生了上述命题,起源于物质的惰性;而物质的惰性是物体的本质且总与物质的量成比例。通过流体的部分的分解,阻力,它起源于部分的黏性和摩擦,确能被减小,但由它的部分的分解,物质的量没有被减小;且物质的量被保持,其惰性力被保持,这里讨论的阻力,总与惰性力成比例。因为这个阻力被减小,在一个空间中的物质的量必须被减小,物体在此空间中运动。且所以天体空间,通过它行星的和彗星的球体在各个方向极自由地持续运动,且所有运动没有可察觉到的减小,全然没有物质性的流体,也许非常稀薄的水汽和穿过那些空间的光束是例外。

无疑当抛射体在流体中前进时,它们在流体中激起一个运动,且这个运动起源于抛射体前部的流体的压力对其后部的压力的超出,再者按照每种物质的密度的比,它在流动性无限的介质中不能小于它在空气,水和水银中。且压力的这个超出,与自身的量成比例,不仅在流体中激起运动,而且作用于流体上以迟滞其运动;且所以在所有流体中的阻力如同由抛射体在流体中激起的运动,又它在最精致的以太中,按照以太的密度的比,也不能小于它在空气,水和水银中按照这些流体的密度的比。(英.牛顿)

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