【物理学史】伽利略是怎样研究吊灯的摆动的？

在比萨大学读书期间，伽利略做出了他的第一个重要的科学发现。

1583年的一个星期日，19岁的伽利略穿戴整齐，越过大卵石铺成的广场，随着做礼拜的人群走进比萨大教堂正面的大铜门。

比萨大教堂建于11至12世纪，是整个大教堂建筑群的主建筑。比萨斜塔是这座建筑群的钟楼，大教堂从空中俯视呈拉丁十字，造型厚重巍峨，颇为壮观。

也许是命运的安排，这个礼拜天主持做弥撒的，是一位来访的神父。他站在神坛上，枯燥地念叨着神的教义。没有多久，伽利略就听得乏味了。周围的信徒发觉，这个长袜绑腿，身披漂亮外套的年轻人似乎有些心不在焉。只见他仰起头，两眼朝半圆形的殿堂四周转悠着。

伽利略在观察摆动的吊灯

微弱的光线透过雕成小圆圈的门窗洞，教堂内高大的空间笼罩着一种庄严神秘的感觉。

伽利略打量着金碧辉煌的祭坛，古色古香的木雕，以及那些出自名家之手的壁画。这时，他的目光停在穹顶中央的一只吊灯上。这是一只精致的大吊灯，在橄榄状的穹顶上轻轻地摆动着。灯坠划出一道漂亮的弧线。

伽利略被吊灯摆动的节奏吸引住了。忽然，他的脑海里闪过一个念头。以前他曾经见过许多摆动的物体，但都没有注意到这个惊人的事实。

伽利略发现，大吊灯随着风吹而摆动，摆动的弧线时长时短，但不管摆幅是多长，吊灯往返的时间好像是一样的。

当时还没有精确的计时手段，伽利略想起上医学课时学的方法，于是用自己的脉搏来测量时间。他把右手指按在左手腕上，两眼盯着吊灯，心中默默数着：“一、二、三……”。这是一幅很动人的场面。耳畔涌动着教徒们喃喃的祈祷声，众人都虔诚地埋着头，只有年轻的伽利略扬着脑袋，目不转睛地盯着吊灯出神。

他反复地测了好多次，在布道结束之前，伽利略的结论已经得出来了：不管吊灯摆动的距离是长是短，它往返所需的时间总是一样的！即便是吊灯摇摆得很缓慢，它在短弧线上来回一次，仍然需要那样长的时间。

这个发现使伽利略很惊奇。因为按照习惯思维，摆幅短所需时间也应该短。

伽利略不禁陷于了沉思：吊灯往返的时间怎么会与摆幅无关哦？

那究竟是什么因素决定摆动时间呢？是摆的重量？体积？还是吊绳的长度呢？

从大教堂出来，伽利略兴奋不已。他怀着跃跃欲试的心情赶回大学宿舍，找来绳子、挂钩，以及一些重量不同的物体，立即进行试验。他认为感觉是不可靠的，只有通过实验才能找到真理。伽利略当时并没有意识到，他的这个研究方法竟开了近代实验科学研究的先河。

伽利略用不同重量的物体作摆锤，然后通过改变绳子的长度，改变摆锤的体积大小，制作了很多种“钟摆”。他反复测定这些“钟摆”摆动的时间。而自己的脉搏就是他的表。他还找来鹅管笔和纸张，仔细地记下实验的结果。然后从这些记录中寻找规律。

渐渐地，摆的运动规律清晰地显现出来。

首先，伽利略发现摆的周期——即往返一次的时间，与摆锤的重量无关。如果绳子的长度一样，只是改变摆锤的重量，摆的周期不变。实验还表明了，摆的周期与摆锤的体积、形状也没有关系。

然后，伽利略使用相同的摆锤，但依次改变绳子的长度，进行实验。结果他发现，绳子的长度是个关键因素。摆锤的绳子越长，摆的周期也越长；相反，摆锤的绳子越短，摆的周期也越短。归根结底，摆动一次所需的时间，仅仅取决于摆绳的长度！

这就是著名的摆的周期定律。