力学知识起源于古代人对自然现象的观察和生产劳动中的实践经验,并逐步发展为生产技术和初步的自然哲理。
一、杠杆与平衡
战国时期大思想家庄周(369-286BC)在《庄子·外篇·天地》中有一则故事:“子贡南游于楚,反于晋。过汉阴,见一丈人方将为圃畦,凿隧而入井,抱瓮而出灌,搰搰呼用力甚多而见功寡。子贡曰:‘有械于此,一日浸百畦,用力甚寡而见功多,夫子不欲呼?’为圃者仰而视之曰:‘奈何?’曰:‘凿木为机,后重前轻,掣水若抽,数如泆汤,其名为槔’”在《庄子·天运篇》中又说:“颜渊问师金曰:‘子独不见夫桔槔呼?引之则俯,舍之则仰。’”从这些描述,可见到庄子时代已普遍用一种类似杠杆的提水工具桔槔了。
大约在同一时期大思想家墨翟在他的著作《墨经》中记载了杠杆平衡的定量原理。他的理论简述如下:在《经下》一章中说:“天(衡)而必正,说在得。”在《经说下》一章中说:“衡,加重于其旁,必捶。权、重,相若也相衡。则本短标长,两加焉,重相若,则标必下,标得权也。”在这几句话中,“衡”是秤杆;“权”是秤锤;“捶”字通“垂”字;“标”即“末”,亦即秤杆细小的一端。
二、做功的应用
滑轮,古代人称它“滑车”。应用一个定滑轮,可改变力的方向;应用一组适当配合的滑轮,可以省力。滑轮的另一种形式是辘轳。把一根短圆木固定于井旁木架上,圆木上缠绕绳索,索的一端固定在圆木上,另一端悬吊水桶,转动圆木就可提水。只要绳子缠绕得当,绳索两端都可悬吊木桶,一桶提水上升,另一桶往下降落,这就可以使辘轳总是在做功。
三、惯性原理
在春秋末年的著作《考工记》有“马力既竭,輈犹能取也”的描述。意思是说,在马拉车时,马不走了,即马对车不施力了,车子还有前进的趋势,或即车子还可以前进一小段路。这是关于惯性最早的阐述。
张恒地动仪原理,据学者们考证,张衡在当时已经利用了力学上的惯性原理,“都柱”实际上起到的正是惯性摆的作用。都柱就是倒立于仪体中央的一根铜柱,八道围绕都柱架设。都柱竖直站立,重心高,一有地动,就失去平衡,倒入八道中的一道。八道中装有杠杆,叫做牙机。杠杆穿过仪体,连接龙头上颌。都柱倾入道中以后,推动杠杆,使龙头上颌抬起,将铜丸吐出,起到报警作用。
四、运动、相对性原理
我国近代的大思想家严复在他翻译的《天演论》自序中说:“奈端动之例三,其一曰,静者不自动,动者不自止,动路必直,速率必均。此所谓旷古之虑,自其例出,而后天学明、人事利者也。而《易》则曰,乾,其静也专,其动也直。”严复这段话的大意是,牛顿三定律的第一定律说,不受外力时,静者恒静,动者恒动,且走匀速直线运动。牛顿定律一提出,天文清楚了,在人间也有许多应用。但是《易经》上早就说过“乾,其静也专,其动也直。”据他看,牛顿第一定律,在春秋时期便已经提得很清楚了。不管怎样,说明古代中国对惯性定律已有朴素的认识。
在宋朝修的大型类书《太平御览》,摘录了已失传的汉代刘安的著作《淮南万毕术》中的一段事:“艾火令鸡子飞。”并注解说:“取鸡子去其汁,燃艾火(于)内空卵中,疾风高举自飞去。”英国学者李约瑟曾解释说:17世纪的欧洲人,欢度复活节时,曾作过蛋壳升空的游戏。其法极简单,但要有点诀窍。先将蛋黄、蛋清由小孔吸尽,将壳烘干。然后由小孔注入少许水,并以蜡封小孔。这样的蛋壳在炎日下逐渐呈不稳状态,逐渐变轻而终于浮漂起来。这是因为水蒸发,壳内气体膨胀,空气先通过壳上微细小孔排出。待小孔蜡经日晒而溶化,小孔成了排气孔,蛋壳内蒸汽适足使壳升空一个极短时间,待蒸汽排尽,空气再渗入后,壳即行落下。
这段故事中蛋壳起飞的原理是壳中水加热到沸点后,水蒸汽从小孔喷出,水蒸汽的反作用力使蛋壳起飞。利用同样的原理,中国人在宋代发明了焰火、火龙出水、爆杖以及后来的火箭。这实际上是现代喷气推进原理的早期萌芽。
五、张力的应用
抛石机在古代是一种攻守城池的有力武器,用它可抛掷大块石头,砸坏敌方城墙和兵器;而越过城墙进入城内的石弹,可杀伤守城的敌兵,具有相当的威力。这种抛石机除了抛掷石块外,还可以抛掷圆木、金属等其它重物,或用绳、棉线等蘸上油料裹在石头上,点燃后发向敌营,烧杀敌人。抛石机的原理非常简单,它实际上是一种依靠物体张力(如竹、木板弯曲时产生的力)抛射弹丸的大型投射器。
明代宋应星在《天工开物》一书中描述了测量引力的方法:“以足踏弦就地,秤钧搭挂弓腰,弦满之时,推移秤锤所压,则知多少。”书中还记述了风帆与船横面的比例对风力的影响,风帆高度与受力大小的关系;详细分析了“抢风”(风从横面来)的风向、航向和张帆方向之间的关系;论述了舵的长短对航力大小、舵的方向对船的运动方向的影响。
磨在中国古代的发展可以看作力学史的一个缩影。早在新石器时代,人们已用两块石头的相对平动,或用一根圆石柱在另一块石板上滚动辗压谷物,或用杵捣碎放进臼内的谷物。《桓子新论》写道:“宓牺之制杵舂,万民以济,及后人加巧,因延力借身重以践碓,而利十倍。杵舂又复设机关,用驴驘牛马及役水而舂,其利乃且百倍。”这记载表明了从最古老的杵舂,到脚踏舂、畜力舂和水力舂的发展。而水力舂至迟在西汉时期已很普遍。东汉初,杜诗(?~38)制造了水力鼓风设备,即水排,它以水作动力,利用水轮、立轴、连杆、曲柄等构件将水轮的圆周运动转变成风箱拉手的往复直线运动。水排包括动力机械、传动机械和工作机械三个组成部分,在机械结构上水排比水磨更复杂,而原理相同。估计水磨当与水舂或水排同时出现。早期的磨只在磨盘上加一根直柄,推磨者必须围绕磨石旋转。后来在直柄上又加上一曲柄,将手的往复直线运动转变成磨的旋转运动。
六、桥梁、水利与土木建筑的发展
河北赵州安济桥。桥位于河北赵县城南5里,为隋匠人李春所建,成于隋开皇大业年间(594-605年),是现存世界上最古老、跨度最大的敞肩拱桥。桥的主孔净跨37.02米,净矢高7.23米,栱腹线的半径为27.31米,栱中心夹角。桥形很扁,桥总长50.83米,宽9米。大栱之上两侧各有二小拱。
佛宫寺释迦塔,俗称应县木塔,山西省应县城内佛宫寺内。塔为八角形,外观五层,内有暗层四级,所以实际为九层。塔高67.13米,塔底直径30米。建于1056年(辽代清宁2年),是世界上现存最古老的木结构塔式建筑。塔建在4米高的两层石砌台基上,内外两排立柱构成双层套筒式结构,柱与柱之间还有大量水平构件,暗层内又有大量斜撑,使双层套筒内外层紧密结合连成一体。其柱不是直接插入地中而是搁置于石础之上。在连接上采用了传统的斗栱结构,为不同部分的特殊需要分别设计了50余种不同形式的斗栱。由于结构上的合理性,近千年间经历了12次6级以上的大地震,迄今安然无恙。
都江堰。都江堰位于四川灌县城西的岷江上,是我国战国秦昭王时(256BC)由蜀郡守李冰父子主持修建的。整个都江堰工程由鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道和宝瓶口引水口三大主体工程组成。鱼嘴分水堤把流出峡谷的岷江水一分为二;飞沙堰溢洪道有泄洪、排沙的功能;宝瓶口引水口是进水的咽喉、自流渠网的总开关;它们保证了成都平原两千多年来灌溉、防洪,成为富庶的天府之国。这项工程由于其设计的巧妙、施工的就地取材、和历史的悠久而闻名世界。
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