中國古代的力學(xué)成就

中國古代的力學(xué)成就中國古代物理學(xué)雖一直沒有從哲學(xué)和自然科學(xué)中分化出來成為一門獨(dú)立的學(xué)科，但通過含有物理知識(shí)的著作不斷地在社會(huì)上傳播而得到了一定的發(fā)展，并在其運(yùn)用中還有許多舉世聞名的發(fā)明創(chuàng)造，以致今天人們?cè)谧穼ぶ袊糯锢韺W(xué)的歷史淵源時(shí)，看到它們?cè)谥袊狞S土地上已有最早的萌芽。中國古代力學(xué)的研究范圍雖然廣泛，但對(duì)力的認(rèn)識(shí)主要停留在主觀方面；中國古人在生產(chǎn)、生活實(shí)踐中卻廣泛地運(yùn)用了力學(xué)原理，力學(xué)知識(shí)的應(yīng)用已達(dá)到了很高的水平。從精密的“度量衡”的測量工具，到大型復(fù)雜的機(jī)械；除了要解決大量的技術(shù)問題，也對(duì)一般的理論問題做了一些思考。1、簡單機(jī)械中國至遲在西周（公元前770以前）時(shí)，能制作比較復(fù)雜的車船，以及桔槔等一類簡單機(jī)械。公元前770以前，就以壺漏測時(shí)，以圭表測影，以定方向、定節(jié)氣和定時(shí)刻。另一個(gè)偉大發(fā)明是蘇頌和韓公廉在1092年制造了一架大型的水運(yùn)儀象臺(tái)。其中有一套稱為“天衡”的杠桿裝置，相當(dāng)于現(xiàn)在鐘表裝置中擒縱器，以保證計(jì)時(shí)裝置的齒輪等時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。宋、元時(shí)期之前，已有指南車和記里鼓車，但是關(guān)于它們的結(jié)構(gòu)直到宋代才留下較詳細(xì)記載。根據(jù)這些記載，指南車是以車輪、平輪、立軸等各種齒輪的復(fù)合運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的，只要在車子開始運(yùn)動(dòng)時(shí)把車上木人手指向南方，以后不管車向那個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，車上木人將一直指南。記里鼓車是利用車輪帶動(dòng)大小不同的一套齒輪，使車輪走滿一里時(shí)，有一個(gè)齒輪剛好轉(zhuǎn)一圈，并撥動(dòng)車上木人打鼓一次。這些復(fù)雜機(jī)械的制造，說明中國古代人嫻熟地掌握了有關(guān)齒輪系傳動(dòng)的知識(shí)。早在秦漢到五代（公元前221?公元960）時(shí)期，簡單機(jī)械的聯(lián)合使用就有了大發(fā)展。張衡制造了水運(yùn)渾天儀，他采用齒輪系把渾象和表示時(shí)間的壺漏結(jié)合在一起，以流水下落的力量帶動(dòng)齒輪，齒輪帶動(dòng)渾象旋轉(zhuǎn)。公元132年，他還制造了世界上第一個(gè)地動(dòng)儀，用以測定地震的震源方向。公元2世紀(jì)畢嵐發(fā)明了“渴烏”，即虹吸管，逐漸廣為應(yīng)用；后來唐代杜佑《通典》卷一百五十七中有“渴烏隔山取水”條：“以大竹筩雌雄相接，勿令泄漏，以麻漆封裹，推過山外，就水置筩，入水五尺，即于筩尾取松樺干草，當(dāng)筩放火，火氣潛通水所，即應(yīng)而上?！痹跂|漢時(shí)期，對(duì)流體的一般性質(zhì)有所記述、探討，并實(shí)測了一些物體的比重，知道刻漏的流水速度會(huì)隨溫度變化。由于虹吸管在生產(chǎn)上的應(yīng)用，又引起人們?nèi)ヌ接懰牡览怼！蛾P(guān)尹子》寫道：“瓶存二竅，以水實(shí)之，倒瀉；閉一則水不下，蓋（氣）不升則（水）不降。井雖千仞，汲之水上，蓋（氣）不降則（水）不升?！碧拼醣凇秲?nèi)經(jīng)素問注》中寫道：“虛管溉滿，捻上懸之，水固不泄，為無升氣而（水）不能降也；空瓶小口，頓溉不入，為氣不出而（水）不能入也?！睆埡?、三國時(shí)馬鈞和南朝宋祖沖之都曾制造過指南車，這是一種指示方向的機(jī)械裝置。漢代劉歆《西京雜記》記載，長安巧工丁緩造被中香爐，“為機(jī)環(huán)轉(zhuǎn)四周，而爐體常平”；這或許是世界上最早的常平支架。2、時(shí)間和空間的觀念時(shí)間、空間是物理學(xué)中兩個(gè)帶有根本性的普遍概念，自古以來就是哲學(xué)家十分關(guān)注的問題。最早的與空間有關(guān)的概念是春秋時(shí)期的老子，他在《道德經(jīng)》中說：“天地之間，其猶橐瀹乎？虛而不屈，動(dòng)而愈出。”墨家學(xué)派的代表作《墨經(jīng)》中對(duì)時(shí)間和空間概念分別作了正確的定義；如“久，彌異時(shí)也”?！坝?，彌異所也”。就是說，時(shí)間是不同時(shí)候的通稱。空間是包括各個(gè)方面的一切地點(diǎn)。并區(qū)分了時(shí)間和時(shí)刻的概念，如“始，當(dāng)時(shí)也?！薄皶r(shí)，

或有久，或無久。始，當(dāng)無久。”就是說，時(shí)間可分為“持續(xù)（有久）的”和“非持續(xù)（無久）的”，即瞬時(shí)的兩種，“開始”則屬于“無久”的瞬時(shí)的那一種。《墨經(jīng)》認(rèn)為“運(yùn)動(dòng)”（“動(dòng)”）就是物體位置的遷移，“靜止”（“止”）就是物體在某處停留有一定的時(shí)間。由于有了類似于“瞬時(shí)”（“無久”）的觀念，因此對(duì)運(yùn)動(dòng)的分析比較深刻；《墨經(jīng)》還闡明了物體運(yùn)動(dòng)必定在時(shí)空之中進(jìn)行，運(yùn)動(dòng)、時(shí)間、空間三者之間有密切聯(lián)系?！赌?jīng)》中還寫道：“宇域徙，說在長宇久”，即“宇徙而又處宇，宇南北，在旦又在暮”。這是說，物體在空間的移動(dòng)，是空間隨著時(shí)間的持續(xù)自近而遠(yuǎn)的變化。墨家的解釋是，物體在空間不斷移動(dòng)，須離開原來的空間而占據(jù)別的空間，如一物體從南向北運(yùn)動(dòng)，所經(jīng)歷的時(shí)間是從早到晚。因此，時(shí)間和空間的聯(lián)系就統(tǒng)一在物體運(yùn)動(dòng)中了，空間與時(shí)間的聯(lián)系也是很自然的事情了。魏國雜家尸佼（前390?前330）所著的《尸子》首先使用“宇宙”這個(gè)詞，并最先給出宇宙的明確定義：“天地四方曰宇，往古來今曰宙?！蹦覍W(xué)派的代表人物墨翟所著的《墨經(jīng)》曰：“宇，蒙東西南北，久，合古今旦莫?！蹦纤沃祆湓唬骸八姆缴舷略挥?，古往今來曰宙，無一物似宇一樣大，無一物似宙一樣長，四方去無極，上下去無極，是多大?亙古亙今，往來無窮?！标P(guān)于時(shí)與空的聯(lián)系《管子》中也說得很明確：“天地，萬物之橐；宙合有橐天地。”意思是，天地包裹著萬物，天地又包裹在宙合之內(nèi)。明朝方以智《物理小識(shí)》卷“：宙輪于宇，則宇中有宙，宙中有宇?！边@是很深刻的，從直觀觀察中看到時(shí)空的統(tǒng)一，看到時(shí)空與運(yùn)動(dòng)的緊密聯(lián)系。圖1-4為浮箭法二級(jí)蓮花漏圖1-4為浮箭法二級(jí)蓮花漏“挈壺”，壺中水滴入有箭桿浮子標(biāo)記的受水壺中?！啊吨芏Y》挈壺氏，其法總以百刻，分以晝夜；冬至?xí)兟┧氖?，夜漏六十刻；夏至?xí)兟┝蹋孤┧氖?；春秋二分；晝夜各五十刻”。根?jù)史料的記載，漏壺的發(fā)展大約經(jīng)歷了淹箭法一一沉箭法一一浮箭法這樣一個(gè)過程。后來人們又發(fā)明了二級(jí)漏壺（如圖3-1），就是在漏壺之上再加一把漏壺，這樣下面那把壺流出去的水可以隨時(shí)得到上面那把壺里流下的水的補(bǔ)充，這比起人工添加水更能自然地保持水面穩(wěn)定。二級(jí)漏壺的出現(xiàn)不晚于東漢，因?yàn)閺埡獾穆┧D(zhuǎn)渾天儀里，使用的就是二級(jí)漏壺；晉代的記載中有三級(jí)漏壺，唐代已制造出四級(jí)漏壺。3、運(yùn)動(dòng)學(xué)墨家最早對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)做了定義，“動(dòng)，或（域）徙也”。意思是說，運(yùn)動(dòng)乃是物體空間位置的變動(dòng)。他們還寫道：“宇域徙，說在長宇久”，即“宇徙而又處宇，宇南北，在旦又在暮”。這是說，物體在空間的移動(dòng)，是空間隨著時(shí)間的持續(xù)自近而遠(yuǎn)的變化。墨家的解釋是，物體在空間不斷移動(dòng)，須離開原來的空間而占據(jù)別的空間，如一物體從南向北運(yùn)動(dòng)，所經(jīng)歷的時(shí)間是從早到晚。因此，時(shí)間和空間的聯(lián)系就統(tǒng)一在物體運(yùn)動(dòng)中了，空間與時(shí)間的聯(lián)系也是很自然的事情了。對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的最早認(rèn)識(shí)是《呂氏春秋》中“刻舟求劍”的故事：“楚人有涉江者，其劍自舟中墜于水，速契其舟，曰：‘是吾劍之所從墜'。舟止，從其所契者入水求之。舟已行矣，而劍不行。求劍若此，不亦惑乎？”要擠出水中的劍，憑一般的經(jīng)驗(yàn)來看，應(yīng)把劍丟在水中的位置確定下來，可是這個(gè)人卻在船上刻上記號(hào)。作者笑話他，“不亦惑乎”。王充《論衡》曰：“蓋望遠(yuǎn)物者，動(dòng)若不動(dòng)，行若不行，何以驗(yàn)之?乘船江海之中，順風(fēng)而驅(qū)。近岸則行疾，遠(yuǎn)岸則行遲，船行一實(shí)也，或疾或遲，遲近之視，使之然也。”它含相對(duì)運(yùn)動(dòng)和角速度的概念。晉代葛洪在《抱樸子》中記述相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象：“游云西行，而謂月之東馳?！薄蛾P(guān)尹子》中還論述了關(guān)于舟和水是誰在運(yùn)動(dòng)的古老爭論；晉代束皙《隋書?天文志》中認(rèn)為，“乘船以涉水，水去而船不徙矣”；這里都已包含了參照系選擇問題的爭論。在中國古籍中關(guān)于運(yùn)動(dòng)相對(duì)性原理的敘述還有《尚書緯?考靈曜》載：“地有四游，冬至地上行北而西三萬里，夏至地下行南而東三萬里，春秋二分是其中矣。地恒動(dòng)而人不知，譬如閉舟而行不覺舟之運(yùn)也。”該書又寫道：“春則星辰西游，夏則星辰北游，秋則星辰東游，冬則星辰南游?！保鲗O瑴輯《古微書》卷一《尚書緯》）。經(jīng)典物理學(xué)指出，在封閉船艙中的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不可能發(fā)現(xiàn)該船是靜止的或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，換句話說，也就是“閉舟而行不覺舟之運(yùn)也”。根據(jù)伽利略的說法：不能以任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)來判斷舟行還是舟止，從而證明地球是在運(yùn)動(dòng)的，而人也不能對(duì)此有所覺察。在伽利略以后，經(jīng)過了將近3個(gè)世紀(jì)的努力，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，提出在封閉船艙中舟行而人不覺這一說法的重要意義。最后愛因斯坦推廣了這一伽利略相對(duì)性原理；他認(rèn)為慣性系統(tǒng)中觀察光學(xué)和電磁現(xiàn)象的規(guī)律也不變，并把它作為狹義相對(duì)論兩大基礎(chǔ)之一。4、動(dòng)力學(xué)對(duì)于外力、內(nèi)力、重力、重心和浮力等古人也進(jìn)行了思考，并給出了適宜的定義；《墨經(jīng)》中對(duì)力的概念提出了初步的論述。“力，刑（形）之所以奮也?！奔词钦f，力是使物體開始運(yùn)動(dòng)或加快運(yùn)動(dòng)的原因，這一結(jié)論比伽利略的想法早1800年之久。王充《論衡》曰：“古之受力者，身能負(fù)荷千鈞，手能決角伸鈞，使之自舉不能離地?！币庵竷?nèi)力不能改變系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?！赌?jīng)》中還進(jìn)一步把重量與力聯(lián)系了起來，“力，重之謂。下與（舉），重，奮也”。顯然它指出了物體的重量也是一種力，并說明物體下落或向上舉時(shí)，都有力的作用。王充在《論衡?狀留篇》中，對(duì)物重和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系作了粗略的描述：“是故車行于陸，船行于溝，其滿而重者行遲，空而輕者行疾。”“任重，其進(jìn)取疾速，難矣?！边@段話指出，在一定的外力條件下，重量越大的物體改變開始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難。中國至遲在西周時(shí)，就有一種欹器，“虛則欹，中則正，滿則覆”（《荀子?峟坐》）或許是加水后重心發(fā)生變化造成的，也可能是仰韶文化時(shí)期尖底陶罐的發(fā)展。在西安半坡曾出土了一些尖底瓶是對(duì)重心的一個(gè)很好的應(yīng)用。它的外形呈流線型，像魚形，小口、短頸、鼓腹、尖底，腹側(cè)有雙耳；最獨(dú)特的是它的穩(wěn)定性質(zhì)，對(duì)此通常有兩種解釋。一種解釋是，將兩耳系繩放在水面上，由于水的浮力和尖底瓶的重心作用，瓶上部會(huì)自動(dòng)傾斜，下半部離水面并上翹起；隨著瓶內(nèi)水量增多，瓶下半部也逐漸下沉，直至瓶內(nèi)水滿而直立；在運(yùn)輸時(shí)將瓶背在肩背上。另一種解釋說瓶水常用手提著運(yùn)輸，這就要求水量要適宜。當(dāng)壺腹空空或滿滿時(shí)，重心較高，手提時(shí)很難保持豎直狀態(tài)。只有壺水注入一半漏上時(shí)，壺才可以保持豎直的狀態(tài)。宋僧懷丙曾于宋治平三年（1066）左右用浮船打撈沉落江中的萬斤鐵牛，“以兩大舟實(shí)土、夾牛維之，用大木為權(quán)衡狀，鉤牛，徐去其土，舟浮牛出”（《宋史?僧懷丙傳》）。這是現(xiàn)代起重浮艇原理的最早應(yīng)用。這時(shí)期有兩項(xiàng)有關(guān)流體力學(xué)的重要發(fā)明；一是用蓮子、雞蛋或桃仁測量鹽水濃度。宋代姚寬在其所著《西溪叢語》中指出：當(dāng)鹽水濃度不同時(shí)，它們會(huì)在水中呈現(xiàn)不同浮沉狀態(tài)；元代陳椿在《熬波圖詠》中記述的方法是:先把蓮子分浸于已知濃度的四等鹽水中，然后將這四種蓮子浸于未知濃度的鹽水中，根據(jù)這些蓮子各自的浮沉狀態(tài)，即可定鹽水濃淡程度。二是相當(dāng)于現(xiàn)在的“表面張力演示儀”的發(fā)明：宋代張世南在《游宦紀(jì)聞》中講到：用細(xì)竹篾一條，一頭彎成圓圈，蘸上桐油即可試桐油好壞：若上好桐油，竹圈上有一薄層油面；若桐油內(nèi)有雜質(zhì)，則油膜不附著在圈上。宋應(yīng)星的《天工開物》一書，是世界上最早誕生的有關(guān)農(nóng)業(yè)和手工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的百科全書。它在17世紀(jì)世界科學(xué)技術(shù)中也是一部非常重要的著作。在卷九《舟車篇》中記述了風(fēng)帆與舟身比例的關(guān)系：“凡風(fēng)篷尺寸，其則一視全舟橫身，過則有患，不及則力軟?！边€論述了風(fēng)帆高度與受力大小的關(guān)系；詳細(xì)地分析了“搶風(fēng)”（風(fēng)從橫來）時(shí)的風(fēng)向、航向以及張帆方向之間的關(guān)系；論述了舵的長短對(duì)舵力大小、舵的方向?qū)Υ\(yùn)動(dòng)方向的影響。5、杠桿的平衡墨家以桔槔和秤的工作原理為例，總結(jié)了杠桿的工作原理，提出了“本（重臂）”、“標(biāo)（力臂）”、“權(quán)”、“重”等概念，論述了等臂杠桿和不等臂杠桿的平衡條件，并指出“挈，長重者下，輕短者上。”即杠桿的平衡，不但取決于兩物的重量，還與“本”、“標(biāo)”的長短有關(guān)?？梢娔乙阎懒丝梢杂脙煞N方法來調(diào)節(jié)杠桿的平衡，并已進(jìn)行了杠桿原理的探討。墨家還敘述了斜面上的物體失去平衡的道理，以及利用斜面來提升重物的方法。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種裝著滑輪的前低后高的斜面車，稱為“車梯”，用