二、伽利略提出惯性原理

伽利略早在比萨大学读书时就指出：亚里士多德生活在近二千年前， 现在世界已发生了很大的变化．亚里士多德没有离开过地中海领域，而现在人们已完成了环球旅行．亚里士多德只了解世界上的一个小角落，他不可能永远正确而不犯错误．伽利略十分重视运动学的研究，并努力建立一门新科学．他写道：“在自然中，最古老的课题莫过于运动．尽管哲学家们对此写出了内容庞杂的著作，我却发现运动的某些性质仍是值得探讨的．”伽利略在批评亚里士多德运动观念的同时，提出了自己的力学观点．他在研究自由落体运动时，设计了一个著名的斜面实验：他在一个板条上刻出一条直槽，贴上羊皮纸使之平滑，让一个光滑的黄铜小球沿直槽下滚，并用水钟测定下落时间，伽利略在斜面成不同的倾斜角和铜球滚动不同距离的情况下作了上百次测定，从而证明了落体“所经过的各种距离

总是同所用时间的平方成正比”的自由落体定律．在此基础上，伽利略进一步提出了“等末速度假设”即静止物体不论是沿竖直方向还是沿不同斜面从同一高度下落，到达末端时具有相同的速度．伽利略进一步用单摆摆球的等高性实验作了检验．如图：拉至 AB 放开的摆球会升到对面同一水平高度上，如果在 E 或 F 处钉上小钉子，摆球仍然沿不同的圆弧上升到同一水平高度的各点．反过来，如果让摆球从这些点下落，它同样会升到原水平高度的 B 点．这说明，沿不同倾斜度的斜面（不同弧线）下落，其末速度是相等的．根据这个假设，伽利略推出了自由落体运动是作匀加速直线运动的结论．

“等末速度假设”和单摆摆球的等高性实验，把伽利略引向理想斜面实验，如图让小球从第一个光滑斜面 AB 滚下，再爬上第二个光滑斜面 BC， 则当小球在第二个斜面上爬到一定高度，就停止上爬再度滚下．上爬到的这个高度（C 点）刚好等于小球在第一个斜面上开始滚下的出发点（A 点） 的高度．如果从 AB 斜面滚下的小球沿 BD、BE 等斜面上爬，会得到相同的结果．而这一切都同两个斜面的夹角无关．于是伽利略推想，如果第二个斜面的倾角等于零，也就是说它是一个光滑的平面 BF，如果不考虑摩擦与空气阻力的作用，那么小球从第一个斜面滚下以后，它在第二个斜面（平面）上就永远达不到它原来出发时的高度，那它将永远滚动下去．在《关于两门新科学的对话》中，伽利略写到：“我们可进而指出，任何速度一旦施加给一个运动着的物体，只要除去加速或减速的外因，此速度可保持不变，不过，这是只能在水平面上发生的一种情形．因为在向下倾斜的平面上已经存在一加速因素；而在向上倾斜的平面上则有一减速因素．由此可见，在水平面上的运动是永久的．因为，如果速度是匀速的，它就不能减小或缓慢下来，更不会停止．”伽利略在这里基本上明确地提出了惯性原理．但伽利略在惯性原理中，所考虑的平面仅是地球表面上的“水平面”，伽利略本人也认识到，他的惯性原理只在极限意义下才正确，因为一真正的水平面必然与地表面相切，因而如果延伸得足够远，一定看得出它是向高处走而沿着它向外运动的物体最终会慢下来．而且伽利略的惯性原理仅限于地球上，并没有把它用于宇宙间使之成为普遍适用的定律．所以，伽利略的惯性原理存在着很大的局限性．

针对伽利略惯性原理的局限性，笛卡儿作了补充．笛卡儿克服了伽利略所认为的绕地球的圆周运动也是惯性运动的结论．明确指出，作惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动．他总结出两条规则：第一，物体将一直保持它的速度，除非有别的物体制止它或者减慢它的运动速度；第二，物体始终趋向于维持直线运动．至此，惯性定律已基本被发现．