中国古代的力学成就

中国古代的力学成就中国古代物理学虽一直没有从哲学和自然科学中分化出来成为一门独立的学科，但通过含有物理知识的著作不断地在社会上传播而得到了一定的发展，并在其运用中还有许多举世闻名的发明创造，以致今天人们在追寻中国古代物理学的历史渊源时，看到它们在中国的黄土地上已有最早的萌芽。中国古代力学的研究范围虽然广泛，但对力的认识主要停留在主观方面；中国古人在生产、生活实践中却广泛地运用了力学原理，力学知识的应用已达到了很高的水平。从精密的“度量衡”的测量工具，到大型复杂的机械；除了要解决大量的技术问题，也对一般的理论问题做了一些思考。1、简单机械中国至迟在西周（公元前770以前）时，能制作比较复杂的车船，以及桔槔等一类简单机械。公元前770以前，就以壶漏测时，以圭表测影，以定方向、定节气和定时刻。另一个伟大发明是苏颂和韩公廉在1092年制造了一架大型的水运仪象台。其中有一套称为“天衡”的杠杆装置，相当于现在钟表装置中擒纵器，以保证计时装置的齿轮等时转动。宋、元时期之前，已有指南车和记里鼓车，但是关于它们的结构直到宋代才留下较详细记载。根据这些记载，指南车是以车轮、平轮、立轴等各种齿轮的复合运动为基础的，只要在车子开始运动时把车上木人手指向南方，以后不管车向那个方向转动，车上木人将一直指南。记里鼓车是利用车轮带动大小不同的一套齿轮，使车轮走满一里时，有一个齿轮刚好转一圈，并拨动车上木人打鼓一次。这些复杂机械的制造，说明中国古代人娴熟地掌握了有关齿轮系传动的知识。早在秦汉到五代（公元前221～公元960）时期，简单机械的联合使用就有了大发展。张衡制造了水运浑天仪，他采用齿轮系把浑象和表示时间的壶漏结合在一起，以流水下落的力量带动齿轮，齿轮带动浑象旋转。公元132年，他还制造了世界上第一个地动仪，用以测定地震的震源方向。公元2世纪毕岚发明了“渴乌”，即虹吸管，逐渐广为应用；后来唐代杜佑《通典》卷一百五十七中有“渴乌隔山取水”条：“以大竹筩雌雄相接，勿令泄漏，以麻漆封裹，推过山外，就水置筩，入水五尺，即于筩尾取松桦干草，当筩放火，火气潜通水所，即应而上。”在东汉时期，对流体的一般性质有所记述、探讨，并实测了一些物体的比重，知道刻漏的流水速度会随温度变化。由于虹吸管在生产上的应用，又引起人们去探讨它的道理。《关尹子》写道：“瓶存二窍，以水实之，倒泻；闭一则水不下，盖（气）不升则（水）不降。井虽千仞，汲之水上，盖（气）不降则（水）不升。”唐代王冰在《内经素问注》中写道：“虚管溉满，捻上悬之，水固不泄，为无升气而（水）不能降也；空瓶小口，顿溉不入，为气不出而（水）不能入也。”张衡、三国时马钧和南朝宋祖冲之都曾制造过指南车，这是一种指示方向的机械装置。汉代刘歆《西京杂记》记载，长安巧工丁缓造被中香炉，“为机环转四周，而炉体常平”；这或许是世界上最早的常平支架。2、时间和空间的观念时间、空间是物理学中两个带有根本性的普遍概念，自古以来就是哲学家十分关注的问题。最早的与空间有关的概念是春秋时期的老子，他在《道德经》中说：“天地之间，其犹橐瀹乎？虚而不屈，动而愈出。”墨家学派的代表作《墨经》中对时间和空间概念分别作了正确的定义；如“久，弥异时也”。“宇，弥异所也”。就是说，时间是不同时候的通称。空间是包括各个方面的一切地点。并区分了时间和时刻的概念，如“始，当时也。”“时，或有久，或无久。始，当无久。”就是说，时间可分为“持续（有久）的”和“非持续（无久）的”，即瞬时的两种，“开始”则属于“无久”的瞬时的那一种。《墨经》认为“运动”（“动”）就是物体位置的迁移，“静止”(“止”)就是物体在某处停留有一定的时间。由于有了类似于“瞬时”（“无久”）的观念，因此对运动的分析比较深刻；《墨经》还阐明了物体运动必定在时空之中进行，运动、时间、空间三者之间有密切联系。《墨经》中还写道：“宇域徙，说在长宇久”，即“宇徙而又处宇，宇南北，在旦又在暮”。这是说，物体在空间的移动，是空间随着时间的持续自近而远的变化。墨家的解释是，物体在空间不断移动，须离开原来的空间而占据别的空间，如一物体从南向北运动，所经历的时间是从早到晚。因此，时间和空间的联系就统一在物体运动中了，空间与时间的联系也是很自然的事情了。魏国杂家尸佼（前390～前330）所著的《尸子》首先使用“宇宙”这个词，并最先给出宇宙的明确定义：“天地四方曰宇，往古来今曰宙。”墨家学派的代表人物墨翟所著的《墨经》曰：“宇，蒙东西南北，久，合古今旦莫。”南宋朱熹曰：“四方上下曰宇，古往今来曰宙，无一物似宇一样大，无一物似宙一样长，四方去无极，上下去无极，是多大?亘古亘今，往来无穷。”关于时与空的联系《管子》中也说得很明确：“天地，万物之橐；宙合有橐天地。”意思是，天地包裹着万物，天地又包裹在宙合之内。明朝方以智《物理小识》卷：“宙轮于宇，则宇中有宙，宙中有宇。”这是很深刻的，从直观观察中看到时空的统一，看到时空与运动的紧密联系。早在秦汉时代，我国就测量时间的标准器具；开始用等分一昼夜为百刻的办法来计时，漏刻也就随之诞生了。大约在公元前四、五千年的母系氏族公社期间，我国先人就能够制造精美的陶器了，一些陶器有了裂缝，陶器中的水就会慢慢漏光，天长日久，人们就会把水的流失同时间的概念联系起来，并专门制造一种有孔的壶用来计量时间——漏刻。漏刻也叫作铜壶滴漏。漏，就是漏壶；刻，就是刻箭；史书上关于漏壶的最早记载见于《周礼·夏官司马》，上面有挚壶氏条，记载了当时漏壶在军事行动中的重要作用；“凡军事，悬壶以序聚拆。”也就是说，每当遇到军事行动，就要用漏壶来定敲梆子的时间，从而对部队发号施令。《隋志》中记载最古老的计时装置是“挈壶”，壶中水滴入有箭杆浮子标记的受水壶中。“《周礼》挈壶氏，其法总以百刻，分以昼夜；冬至昼漏四十刻，夜漏六十刻；夏至昼漏六十刻，夜漏四十刻；春秋二分；昼夜各五十刻”。根据史料的记载，漏壶的发展大约经历了淹箭法——沉箭法——浮箭法这样一个过程。后来人们又发明了二级漏壶（如图3-1），就是在漏壶之上再加一把漏壶，这样下面那把壶流出去的水可以随时得到上面那把壶里流下的水的补充，这比起人工添加水更能自然地保持水面稳定。二级漏壶的出现不晚于东汉，因为张衡的漏水转浑天仪里，使用的就是二级漏壶；晋代的记载中有三级漏壶，唐代已制造出四级漏壶。3、运动学墨家最早对机械运动做了定义，“动，或（域）徙也”。意思是说，运动乃是物体空间位置的变动。他们还写道：“宇域徙，说在长宇久”，即“宇徙而又处宇，宇南北，在旦又在暮”。这是说，物体在空间的移动，是空间随着时间的持续自近而远的变化。墨家的解释是，物体在空间不断移动，须离开原来的空间而占据别的空间，如一物体从南向北运动，所经历的时间是从早到晚。因此，时间和空间的联系就统一在物体运动中了，空间与时间的联系也是很图1-4为浮箭法二级莲花漏自然的事情了。对相对运动的最早认识是《吕氏春秋》中“刻舟求剑”的故事：“楚人有涉江者，其剑自舟中坠于水，速契其舟，曰：‘是吾剑之所从坠’。舟止，从其所契者入水求之。舟已行矣，而剑不行。求剑若此，不亦惑乎？”要挤出水中的剑，凭一般的经验来看，应把剑丢在水中的位置确定下来，可是这个人却在船上刻上记号。作者笑话他，“不亦惑乎”。王充《论衡》曰：“盖望远物者，动若不动，行若不行，何以验之?乘船江海之中，顺风而驱。近岸则行疾，远岸则行迟，船行一实也，或疾或迟，迟近之视，使之然也。”它含相对运动和角速度的概念。晋代葛洪在《抱朴子》中记述相对运动的现象：“游云西行，而谓月之东驰。”《关尹子》中还论述了关于舟和水是谁在运动的古老争论；晋代束皙《隋书·天文志》中认为，“乘船以涉水，水去而船不徙矣”；这里都已包含了参照系选择问题的争论。在中国古籍中关于运动相对性原理的叙述还有《尚书纬·考灵曜》载：“地有四游，冬至地上行北而西三万里，夏至地下行南而东三万里，春秋二分是其中矣。地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。”该书又写道：“春则星辰西游，夏则星辰北游，秋则星辰东游，冬则星辰南游。”（明孙瑴辑《古微书》卷一《尚书纬》）。经典物理学指出，在封闭船舱中的任何力学实验都不可能发现该船是静止的或匀速直线运动状态，换句话说，也就是“闭舟而行不觉舟之运也”。根据伽利略的说法：不能以任何力学实验来判断舟行还是舟止，从而证明地球是在运动的，而人也不能对此有所觉察。在伽利略以后，经过了将近3个世纪的努力，人们逐渐认识到，提出在封闭船舱中舟行而人不觉这一说法的重要意义。最后爱因斯坦推广了这一伽利略相对性原理；他认为惯性系统中观察光学和电磁现象的规律也不变，并把它作为狭义相对论两大基础之一。4、动力学对于外力、内力、重力、重心和浮力等古人也进行了思考，并给出了适宜的定义；《墨经》中对力的概念提出了初步的论述。“力，刑（形）之所以奋也。”即是说，力是使物体开始运动或加快运动的原因，这一结论比伽利略的想法早1800年之久。王充《论衡》曰：“古之受力者，身能负荷千钧，手能决角伸钧，使之自举不能离地。”意指内力不能改变系统的运动状态。《墨经》中还进一步把重量与力联系了起来，“力，重之谓。下与（举），重，奋也”。显然它指出了物体的重量也是一种力，并说明物体下落或向上举时，都有力的作用。王充在《论衡·状留篇》中，对物重和运动的关系作了粗略的描述：“是故车行于陆，船行于沟，其满而重者行迟，空而轻者行疾。”“任重，其进取疾速，难矣。”这段话指出，在一定的外力条件下，重量越大的物体改变开始运动状态越难。中国至迟在西周时，就有一种欹器，“虚则欹，中则正，满则覆”（《荀子·峟坐》）或许是加水后重心发生变化造成的，也可能是仰韶文化时期尖底陶罐的发展。在西安半坡曾出土了一些尖底瓶是对重心的一个很好的应用。它的外形呈流线型，像鱼形，小口、短颈、鼓腹、尖底，腹侧有双耳；最独特的是它的稳定性质，对此通常有两种解释。一种解释是，将两耳系绳放在水面上，由于水的浮力和尖底瓶的重心作用，瓶上部会自动倾斜，下半部离水面并上翘起；随着瓶内水量增多，瓶下半部也逐渐下沉，直至瓶内水满而直立；在运输时将瓶背在肩背上。另一种解释说瓶水常用手提着运输，这就要求水量要适宜。当壶腹空空或满满时，重心较高，手提时很难保持竖直状态。只有壶水注入一半漏上时，壶才可以保持竖直的状态。宋僧怀丙曾于宋治平三年（1066）左右用浮船打捞沉落江中的万斤铁牛，“以两大舟实土、夹牛维之，用大木为权衡状，钩牛，徐去其土，舟浮牛出”（《宋史·僧怀丙传》）。这是现代起重浮艇原理的最早应用。这时期有两项有关流体力学的重要发明；一是用莲子、鸡蛋或桃仁测量盐水浓度。宋代姚宽在其所著《西溪丛语》中指出：当盐水浓度不同时，它们会在水中呈现不同浮沉状态；元代陈椿在《熬波图咏》中记述的方法是:先把莲子分浸于已知浓度的四等盐水中，然后将这四种莲子浸于未知浓度的盐水中，根据这些莲子各自的浮沉状态，即可定盐水浓淡程度。二是相当于现在的“表面张力演示仪”的发明：宋代张世南在《游宦纪闻》中讲到：用细竹篾一条，一头弯成圆圈，蘸上桐油即可试桐油好坏：若上好桐油，竹圈上有一薄层油面；若桐油内有杂质，则油膜不附着在圈上。宋应星的《天工开物》一书，是世界上最早诞生的有关农业和手工业生产技术的百科全书。它在17世纪世界科学技术中也是一部非常重要的著作。在卷九《舟车篇》中记述了风帆与舟身比例的关系：“凡风篷尺寸，其则一视全舟横身，过则有患，不及则力软。”还论述了风帆高度与受力大小的关系；详细地分析了“抢风”（风从横来）时的风向、航向以及张帆方向之间的关系；论述了舵的长短对舵力大小、舵的方向对船运动方向的影响。5、杠杆的平衡墨家以桔槔和秤的工作原理为例，总结了杠杆的工作原理，提出了“本（重臂）”、“标（力臂）”、“权”、“重”等概念，论述了等臂杠杆和不等臂杠杆的平衡条件，并指出“挈，长重者下，轻短者上。”即杠杆的平衡，不但取决于两物的重量，还与“本”、“标”的长短有关。可见墨家已知道了可以用两种方法来调节杠杆的平衡，并已进行了杠杆原理的探讨。墨家还叙述了斜面上的物体失去平衡的道理，以及利用斜面来提升重物的方