GALILEI NÓI VỀ SỰ RƠI TỰ DO
Đối với Galilei, nguyên nhân sự rơi tự do vẫn còn là điều bí ẩn. Ông chưa biết về sức hút của vạn vật. Mặc dù ông cũng sử dụng khái niệm “trọng lực” nhưng ông không biết nguyên nhân nào và lực nào khiến vật nặng chuyển động xuống phía dưới...
''Chúng ta không biết gì về điều này... ngoại trừ cái tên là ''sự rơi''. ''Tôi nghĩ rằng - Galilei viết - hiện nay chưa phải là lúc thích hợp để tìm hiểu về các nguyên nhân tăng tốc trong chuyển động tự nhiên của vạn vật''.
Do không lý giải được nguyên nhân sự rơi của các vật, nên ông vẫn tiếp tục gọi đó là ''chuyển động tự nhiên'' như trước đây vẫn gọi. Mặc dù vậy bản thân cách đặt câu hỏi của ông đã bộc lộ một bước đột phá quan trọng vào thành luỹ của động lực học Aristotle.
Thay vì tìm hiểu nguyên nhân sự rơi Galilei đề nghị khảo sát quy luật chi phối sự rơi. Ông đưa ra giả thuyết sự roi tự do là một chuyển động nhanh dần đều nghĩa là chuyển động trong đó vận tốc gia tăng những phần bằng nhau sau khoảng thời gian như nhau. Galilei không thể đo trực tiếp vận tốc để kiểm nghiệm giả thuyết trên nên ông phải làm theo cách sau. Đầu tiên Galilei đã chứng minh bằng lý thuyết rằng vật chuyển động nhanh dần đều từ trạng thái đứng yên có quãng đường đi được tỷ lệ với bình phương của thời gian đi hết quãng đường đó: s ~ t2. Ngược lại, chuyển động nào mà quãng đường đi được tuân theo quy luật tỷ lệ với bình phương thời gian thì cũng là chuyển động nhanh dần đều. Vì thế chỉ còn phải chứng minh rằng khi vật rơi tự do thì s ~ t2. Tuy nhiên Galilei không thể kiểm tra quy luật này trong các thí nghiệm khảo sát sự rơi tự do của vật vốn xảy ra khá nhanh. Galilei bèn chế ra máng trượt nghiêng với hòn bi, làm chậm diễn biến ấy lại. Kết quả khảo sát cho thấy rõ ràng mối quan hệ tỷ lệ giữa quãng đường hòn bi đi được với bình phương thời gian đi, không phụ thuộc độ nghiêng của máng rãnh. Sự rơi tự do thực sự chỉ là trường hợp giới hạn của sự rơi trên mặt phẳng nghiêng khi góc nghiêng bằng 900. Ông kết luận sự rơi thuộc chuyển động nhanh dần đều.
Aristotle cho rằng vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ. Galilei thì bác bỏ điều ấy. Bằng những lý lẽ sắc sảo và thực nghiệm Galilei đã đi đến kết luận, trong chân không (khi sức cản không khí là không đáng kể) mọi vật thể rơi tự do nhanh như nhau. Thí nghiệm thả các vật rơi nặng nhẹ khác nhau nhưng hình dáng như nhau từ đỉnh tháp nghiêng Pisa đã trở nên biểu tượng hùng hồn cho quan điểm của Galilei. Ông viết: Hai hòn bi cùng kích thước nhưng nặng gấp mươi lần nhau (như quả bi chì và quả bi gỗ sồi) đã tiếp đất từ độ cao 150 - 200 khuỷu tay (60 - 90 m) với vận tốc và thời gian khác nhau không đáng kể.
VẬT NÀO RƠI NHANH HƠN
Galilei chống lại Aristotle)
Aristotle: Các vật thể có trọng lượng khác nhau chuyển động trong cùng một môi trường với vận tốc khác nhau. Vật càng nặng vận tốc càng lớn. Ví dụ, vật này nặng hơn vật kia mười lần, thì khi rơi vận tốc của vật này sẽ lớn hơn vật kia mười lần.
Galilei: Trước hết tôi rất nghi ngờ Aristotle đã có điều kiện bằng thực nghiệm kiểm chứng được điều ông nói. Tức là hai hòn đá, hòn này nặng hơn hòn kia 10 lần, cùng bắt đầu rơi, cứ cho là từ cùng độ cao 100 khuỷu tay, lại có vận tốc khác nhau đến thế: vật nặng hơn đã tiếp đất thì vật nhẹ mới rơi có 10 khuỷu tay...
Bây giờ chúng ta chẳng cần làm thí nghiệm, mà chỉ lập luận ngắn gọn đủ bác bỏ lập luận vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ. Giả sử ta có hai vật mà khi rơi chúng có vận tốc khác nhau. Ta buộc hai vật vào nhau. Vậy thì nếu vật nặng hơn rơi nhanh, nó sẽ bị giảm chậm lại một chút do phải kéo vật nhẹ kia. Còn vật nhẹ, rơi chậm hơn, nay sẽ phải rơi nhanh hơn một chút. Giả sử hòn nặng rơi vận tốc 8 ''độ'', còn vật nhẹ là 4 ''độ'', thì vật hợp thành phải rơi với vận tốc nào đó trong khoảng 4 - 8 ''độ''. Mặt khác vật hợp thành từ hai vật ban đầu lại là nặng hơn, bằng hai vật kia cộng lại, nay lại chuyển động chậm hơn vật thứ nhất. Thật là vô lý!
Hiển nhiên là giả thuyết ban đầu về sự rơi với khác nhau của hai vật nặng nhẹ là sai. Tất cả các vật dù nặng hay nhẹ, phải rơi với cùng vận tốc, giống như nhau.
(Trích từ ''Đối thoại và chứng minh toán học liên quan đến hai môn khoa học mới:
Cơ học và dịch chuyển vị trí” năm 1638 của Galilei)
