標題:
「轉貼」 中國古代的力學知識
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作者:
言峰
時間:
2009-7-22 01:31
標題:
「轉貼」 中國古代的力學知識
力學是研究力和機械運動的科學。一個物體在時間、空間中的位置發生變動，就叫機械運動。自然界中一切物體都在作機械運動，即使表面看來靜止的桌椅、不動的教室，也時刻在隨地球一起轉動。力是物質間的一種相互作用，機械運動狀態的變化就是這種相互作用引起的。靜止的或運動的狀態不變化，都意味著其中各種力的相互平衡。力學知識起源于對自然現象的觀察和生產勞動。在中國古代有豐富的力學知識。
簡單機械
杠桿、滑輪和斜面，物理學上稱作簡單機械。
原始社會時期的工具︰1.石鏟；2.骨耜，3.石鐮；4.石鋤；5.石斧。
杠桿的使用或許可以追溯到原始人時期。當原始人拾起一根棍棒和野獸搏斗，或用它撬動一塊巨石，他們實際上就是在使用杠桿。石器時代人們所用的石刃、石斧，都用天然繩索把它們和木柄捆束在一起；或者在石器上鑿孔，裝上木柄（如圖左）。這表明他們在實踐中懂得了杠桿的經驗法則︰延長力臂可以增大力量。
杠桿在中國的典型發展是秤的發明和它的廣泛應用。在一根杠桿上安裝吊繩作為支點，一端掛上重物，另一端掛上砝碼或秤錘，就可以稱量物體的重量。古代人稱它“權衡”或“衡器”。“權”就是砝碼或秤錘，“衡”是指秤桿。迄今為止，考古發掘的最早的秤是在長沙附近左家公山上戰國時期楚墓中的天平。它是公元前四到三世紀的制品，是個等臂秤。不等臂秤可能早在春秋時期就已經使用了。古代中國人還發明了有兩個支點的秤，俗稱銖秤。使用這種秤，變動支點而不需要換秤桿就可以稱量比較重的物體。這是中國人在衡器上的重大發明之一，也表明中國人在實踐中完全掌握了阿基米德杠桿原理。
《墨經》一書最早記述了秤的杠桿原理。《墨經》是戰國時期以魯國人墨翟（約前468—前376）為首的墨家著作。墨翟和他的弟子們以刻苦耐勞、參加生產、勇敢善戰著稱。因此，他們的著作中留下了許多自然科學知識。
《墨經》把秤的支點到重物一端的距離稱作“本”（今天通常稱“重臂”），把支點到權一端的距離稱作“標”（今天稱“力臂”）。《墨經•經下》中說︰第一，當重物和權相等而衡器平衡時，如果加重物在衡器的一端，重物端必定下垂，第二，如果因為加上重物而衡器平衡，那是本短標長的緣故︰第三，如果在本短標長的衡器兩端加上重量相等的物體，那麼標端必下垂。（“衡，加重于其一旁，必垂。權、重相若也相衡，則本短標長，兩加焉，重相若，則標必下。”）墨家在這里把杠桿平衡的各種情形都討論了。他們既考慮了“本”和“標”相等的平衡，也考慮了“本”和“標”不相等的平衡；既注意到杠桿兩端的力，也注意到力和作用點之間的距離大小。雖然他們沒有給我們留下定量的數字關系，但這些文字記述肯定是墨家親身實驗的結果，它比阿基米德發現杠桿原理要早約二百年。
桔槔也是杠桿的一種。它是古代的取水工具。作為取水工具，一般用它改變力的方向。為其他目的使用時，也可以改變力的大小，只要把桔槔的長臂端當作人施加力的一端就行。春秋戰國時期，桔槔已成為農田灌溉的普通工具。
滑輪，古代人稱它“滑車”。應用一個定滑輪，可改變力的方向；應用一組適當配合的滑輪，可以省力。至少從戰國時期開始，滑輪在作戰器械、井中。提水等生產勞動中被廣泛應用。傳說公元前四世紀，巧匠公輸般為季康子葬母下棺，創制了轉動機關（見《禮記正義》卷十），可能就是指的滑輪。漢代畫像磚和陶井模型都有滑輪裝置。
滑輪的另一種形式是轆轤。把一根短圓木固定于井旁木架上，圓木上纏繞繩索，索的一端固定在圓木上，另一端懸吊水桶，轉動圓木就可提水。只要繩子纏繞得當，繩索兩端都可懸吊木桶，一桶提水上升，另一桶往下降落，這就可以使轆轤總是在作功。轆轤大概起源于商末周初（公元前十一世紀）。據宋代曾公亮（998—1073）著《武經總要前集》卷十一《水攻•濟水府》，周武王時有人以轆轤架索橋穿越溝塹的記載。唐代劉禹錫（772—842）描寫了他親自所見的一種叫“機汲”的提水機械，它是把轆轤和架空索道聯合並用，以便把山下流水一桶桶地提上山頂，既澆出地又省力（《劉夢得文集》卷二十七《機汲記》）。
最早討論滑輪力學的還是《墨經》。《墨經•經下》把向上提舉重物的力稱作“挈”（q ），把自由往下降落稱作“收”，把整個滑輪機械稱作“繩制”。《墨經》中說︰以“繩制”舉重，“挈”的力和“收”的力方向相反，但同時作用在一個共同點上。提摯重物要用力，“收”不費力。若用“繩制”提舉重物，人們就可省力而輕松。（“挈與收反。”“挈，有力也；引，無力也。不必所摯之止于施也，繩制之也。”）又說︰在“繩制”一邊，繩比較長，物比較重，物體就越來越往下降︰在另一邊，繩比較短，物比較輕，物體就越來越被提舉向上。（“挈，長重者下，短輕者上。”）又說︰如果繩子垂直，繩兩端的重物相等，“繩制”就平衡不動。（“繩下直，權重相若則正矣。”）如果這時“繩制”不平衡，那麼所提舉的物體一定是在斜面上，而不是自由懸吊在空中。我們對于墨家的豐富的力學知識就不能不贊佩！
尖劈能以小力發大力。早在原始社會時期，人們所打磨的各種石器，如石斧、石刀、骨針、鏃等等，都不自覺地利用了尖劈的原理。墨家在討論滑輪的功用說到它省力時，就把它比喻作“錐刺”。漢代王充說︰“針錐所穿，無不暢達︰使針錐未方，穿物無一分之深矣。”（《論衡•狀留篇》）墨家和王充等人清楚地知道尖劈原理的經驗法則。
在日常生活中常應用的尖劈之一是楔子，木楔或金屬楔。人們常用它加固各種器具。唐代李肇講過這樣的故事︰
在甦州建造重元寺時，工匠疏忽，一柱未墊而使寺閣略有傾斜。若是請木工再把寺閣扶正，費工費事又費錢。寺主為此十分煩惱。一天，一外地僧人對寺主說︰不需費大勞力，請一木匠為我作幾十個木楔，可以使寺閣正直。寺主听他的話，一面請木工砍木楔，一面擺灑盛宴外地僧人。飯畢，僧人懷揣楔子，手持斧頭，攀梯上閣頂。只見他東一楔西一楔，幾根柱子楔完之後，就告別而去。十幾天後，寺閣果然正直了。（李肇︰《唐國史補》卷中）
小小幾個尖劈，作用卻這樣巨大！
斜面的力學原理和尖劈相同。人們在推車行平地和上坡時發現用力不同。成書于春秋戰國之際的《考工記•（zh u）人》中說︰“登者，倍任者也。”這就是說，推車上坡，要加倍費力氣。用雙手舉重物到一定高度和用斜面把同樣的重物升到同一高度，自然後者容易得多。《荀子•宥坐》中說︰“三尺之岸而虛車不能登也，百切之山任負車登焉。何則？陵遲故也。”人們不能把空車舉上三尺高的垂直堤岸，卻能把滿載的車推上百切高山。這是為什麼？因為高山的路面坡度斜緩（“陵遲”）。這正是斜面物理動用的最好總結。
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