中國古代力學(xué)

中國古代力學(xué)中國古代力學(xué)力學(xué)知識起源于古代人對自然現(xiàn)象的觀察和生產(chǎn)勞動中的實踐經(jīng)驗，并逐步發(fā)展為生產(chǎn)技術(shù)和初步的自然哲理。一、杠桿與平衡戰(zhàn)國時期大思想家莊周(369-286BC)在《莊子·外篇·天地》中有一則故事：“子貢南游于楚，反于晉。過漢陰，見一丈人方將為圃畦，鑿隧而入井，抱甕而出灌，揖猾呼用力甚多而見功寡。子貢日：‘有械于此，一日浸百畦，用力甚寡而見功多，夫子不欲呼?’為圃者仰而視之日：‘奈何?’H:‘鑿木為機，后重前輕，掣水若抽，數(shù)如洗湯，其名為槔’”在《莊子·天運篇》中又說：“顏淵問師金曰：‘子獨不見夫桔槔呼？引之則俯，舍之則仰。’”從這些描述，可見到莊子時代已普遍用一種類似杠桿的提水工具桔槔了。大約在同一時期大思想家墨翟在他的著作《墨經(jīng)》中記載了杠桿平衡的定量原理。他的理論簡述如下：在《經(jīng)下》一章中說：“天(衡)而必正，說在得?！痹凇督?jīng)說下》一章中說：“衡，加重于其旁，必捶。權(quán)、重，相若也相衡。則本短標長，兩加焉，重相若，則標必下，標得權(quán)也?！痹谶@幾句話中，“衡”是秤桿；“權(quán)”是秤錘；“捶”字通“垂”字；“標”即“末”，亦即秤桿細小的一端。二、做功的應(yīng)用滑輪，古代人稱它“滑車”。應(yīng)用一個定滑輪，可改變力的方向；應(yīng)用一組適當(dāng)配合的滑輪，可以省力?；喌牧硪环N形式是轆靜。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(zhuǎn)動圓木就可提水。只要繩子纏繞得當(dāng)，繩索兩端都可懸吊木桶，一桶提水上升，另一桶往下降落，這就可以使轆靜總是在做功。三、慣性原理在春秋末年的著作《考工記》有“馬力既竭,精猶能取也”的描述。意思是說，在馬拉車時，馬不走了，即馬對車不施力了，車子還有前進的趨勢，或即車子還可以前進一小段路。這是關(guān)于慣性最早的闡述。張恒地動儀原理，據(jù)學(xué)者們考證，張衡在當(dāng)時已經(jīng)利用了力學(xué)上的慣性原理，“都柱”實際上起到的正是慣性擺的作用。都柱就是倒立于儀體中央的一根銅柱，八道圍繞都柱架設(shè)。都柱豎直站立，重心高，一有地動，就失去平衡，倒入八道中的一道。八道中裝有杠桿，叫做牙機。杠桿穿過儀體,連接龍頭上頜。都柱傾入道中以后，推動杠桿，使龍頭上頜抬起，將銅丸吐出，起到報警作用。四、運動、相對性原理我國近代的大思想家嚴復(fù)在他翻譯的《天演論》自序中說:“奈端動之例三，其一曰，靜者不自動，動者不自止，動路必直，速率必均。此所謂曠古之慮，自其例出，而后天學(xué)明、人事利者也。而《易》則凡乾，其靜也專，其動也直?！眹缽?fù)這段話的大意是，牛頓三定律的第一定律說，不受外力時，靜者恒靜，動者恒動，且走勻速直線運動。牛頓定律一提出，天文清楚了，在人間也有許多應(yīng)用。但是《易經(jīng)》上早就說過“乾，其靜也專，其動也直?！皳?jù)他看，牛頓第一定律，在春秋時期便已經(jīng)提得很清楚了。不管怎樣，說明古代中國對慣性定律已有樸素的認識。在宋朝修的大型類書《太平御覽》，摘錄了已失傳的漢代劉安的著作《淮南萬畢術(shù)》中的一段事：“艾火令雞子飛?！辈⒆⒔庹f：“取雞子去其汁，燃艾火（于）內(nèi)空卵中，疾風(fēng)高舉自飛去?！庇鴮W(xué)者李約瑟曾解釋說：17世紀的歐洲人，歡度復(fù)活節(jié)時，曾作過蛋殼升空的游戲。其法極簡單，但要有點訣竅。先將蛋黃、蛋清由小孔吸盡，將殼烘干。然后由小孔注入少許水，并以蠟封小孔。這樣的蛋殼在炎日下逐漸呈不穩(wěn)狀態(tài)，逐漸變輕而終于浮漂起來。這是因為水蒸發(fā)，殼內(nèi)氣體膨脹，空氣先通過殼上微細小孔排出。待小孔蠟經(jīng)日曬而溶化，小孔成了排氣孔，蛋殼內(nèi)蒸汽適足使殼升空一個極短時間，待蒸汽排盡，空氣再滲入后，殼即行落下。這段故事中蛋殼起飛的原理是殼中水加熱到沸點后，水蒸汽從小孔噴出，水蒸汽的反作用力使蛋殼起飛。利用同樣的原理，中國人在宋代發(fā)明了焰火、火龍出水、爆杖以及后來的火箭。這實際上是現(xiàn)代噴氣推進原理的早期萌芽。五、張力的應(yīng)用拋石機在古代是一種攻守城池的有力武器，用它可拋擲大塊石頭，砸壞敵方城墻和兵器；而越過城墻進入城內(nèi)的石彈,可殺傷守城的敵兵，具有相當(dāng)?shù)耐?。這種拋石機除了拋擲石塊外，還可以拋擲圓木、金屬等其它重物，或用繩、棉線等蘸上油料裹在石頭上，點燃后發(fā)向敵營，燒殺敵人。拋石機的原理非常簡單，它實際上是一種依靠物體張力（如竹、木板彎曲時產(chǎn)生的力）拋射彈丸的大型投射器。明代宋應(yīng)星在《天工開物》一書中描述了測量引力的方法:“以足踏弦就地，秤鈞搭掛弓腰，弦滿之時，推移秤錘所壓，則知多少。”書中還記述了風(fēng)帆與船橫面的比例對風(fēng)力的影響，風(fēng)帆高度與受力大小的關(guān)系；詳細分析了“搶風(fēng)”（風(fēng)從橫面來）的風(fēng)向、航向和張帆方向之間的關(guān)系；論述了舵的長短對航力大小、舵的方向?qū)Υ倪\動方向的影響。磨在中國古代的發(fā)展可以看作力學(xué)史的一個縮影。早在新石器時代，人們已用兩塊石頭的相對平動，或用一根圓石柱在另一塊石板上滾動輾壓谷物，或用杵搗碎放進臼內(nèi)的谷物?！痘缸有抡摗穼懙溃骸板禒拗畦启?，萬民以濟，及后人加巧，因延力借身重以踐碓，而利十倍。杵舂又復(fù)設(shè)機關(guān),用驢贏牛馬及役水而舂，其利乃且百倍?！边@記載表明了從最古老的杵舂，到腳踏舂、畜力舂和水力舂的發(fā)展。而水力舂至遲在西漢時期已很普遍。東漢初，杜詩（?138）制造了水力鼓風(fēng)設(shè)備，即水排，它以水作動力，利用水輪、立軸、連桿、曲柄等構(gòu)件將水輪的圓周運動轉(zhuǎn)變成風(fēng)箱拉手的往復(fù)直線運動。水排包括動力機械、傳動機械和工作機械三個組成部分，在機械結(jié)構(gòu)上水排比水磨更復(fù)雜，而原理相同。估計水磨當(dāng)與水舂或水排同時出現(xiàn)。早期的磨只在磨盤上加一根直柄，推磨者必須圍繞磨石旋轉(zhuǎn)。后來在直柄上又加上一曲柄，將手的往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)變成磨的旋轉(zhuǎn)運動。六、橋梁、水利與土木建筑的發(fā)展河北趙州安濟橋。橋位于河北趙縣城南5里，為隋匠人李春所建，成于隋開皇大業(yè)年間（594-605年），是現(xiàn)存世界上最古老、跨度最大的敞肩拱橋。橋的主孔凈跨37.02米，凈矢高7.23米，樵腹線的半徑為27.31米，樵中心夾角。橋形很扁，橋總長50.83米，寬9米。大樵之上兩側(cè)各有二小拱。佛宮寺釋迦塔，俗稱應(yīng)縣木塔，山西省應(yīng)縣城內(nèi)佛宮寺內(nèi)。塔為八角形，外觀五層，內(nèi)有暗層四級，所以實際為九層。塔高67.13米，塔底直徑30米。建于1056年（遼代清寧2年），是世界上現(xiàn)存最古老的木結(jié)構(gòu)塔式建筑。塔建在4米高的兩層石砌臺基上，內(nèi)外兩排立柱構(gòu)成雙層套筒式結(jié)構(gòu)，柱與柱之間還有大量水平構(gòu)件，暗層內(nèi)又有大量斜撐，使雙層套筒內(nèi)外層緊密結(jié)合連成一體。其柱不是直接插入地中而是擱置于石礎(chǔ)之上。在連接上采用了傳統(tǒng)的斗樵結(jié)構(gòu)，為不同部分的特殊需要分別設(shè)計了50余種不同形式的斗樵。由于結(jié)構(gòu)上的合理性，近千年間經(jīng)歷了12次6級以上的大地震，迄今安然無恙。都江堰。都江堰位于四川灌縣城西的岷江上，是我國戰(zhàn)國秦昭王時(256BC)由蜀郡守李冰父子主持修建的。整個都江堰工程