中国古代力学

中国古代力学

摘要：在古代中古，我们的祖先就已经利用力学原理来解决生活军事当中的问题。本文阐述了古代书籍、诗歌、谚语，以及古代的杠杆原理，火炮、磨、地动仪建筑等方面对力学的应用。

关键词：杠杆原理引力作功惯性张力

杠杆原理应用

杠杆的使用或许可以追溯到原始人时期。当原始人拾起一根棍棒和野兽搏斗，或用它撬动一块巨石，他们实际上就是在使用杠杆。石器时代人们所用的石刃、石斧，都用天然绳索把它们和木柄捆束在一起；或者在石器上凿孔，装上木柄。这表明他们在实践中懂得了杠杆的经验法则：延长力臂可以增大力量。

杠杆在中国的典型发展是秤的发明和它的广泛应用。在一根杠杆上安装吊绳作为支点，一端挂上重物，另一端挂上砝码或秤锤，就可以称量物体的重量。古代人称它“权衡”或“衡器”。“权”就是砝码或秤锤，“衡”是指秤杆。迄今为止，考古发掘的最早的秤是在长沙附近左家公山上战国时期楚墓中的天平。它是公元前四到三世纪的制品，是个等臂秤。不等臂秤可能早在春秋时期就已经使用了。古代中国人还发明了有两个支点的秤，俗称铢秤。使用这种秤，变动支点而不需要换秤杆就可以称量比较重的物体。这是中国人在衡器上的重大发明之一，也表明中国人在实践中完全掌握了阿基米德杠杆原理。

《墨经》一书最早记述了秤的杠杆原理。《墨经》把秤的支点到重物一端的距离称作“本”（今天通常称“重臂”），把支点到权一端的距离称作“标”（今天称“力臂”）。《墨经·经下》中说：第一，当重物和权相等而衡器平衡时，如果加重物在衡器的一端，重物端必定下垂，第二，如果因为加上重物而衡器平衡，那是本短标长的缘故：第三，如果在本短标长的衡器两端加上重量相等的物体，那么标端必下垂。

引力的应用

中国人早在汉代就注意到月亮运行同潮汐的关系。宋代燕肃指出，当月在子时或午时经过子午线，潮最高；当月在卯时或酉时经过子午线，潮最低。余靖指出,春夏日潮大,秋冬夜潮大。沈括提出潮汐时间与具体观察地点有关，指明“去海远，即须据地理增添时刻”。

作功的应用

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作功。

惯性原理

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。

古代建筑

中国的建筑具有独特的结构。几千年来，建筑物大都采用木结构形式，整个屋顶的重量由一系列木柱和横梁承载，并由一系列斗拱维持力的平衡，而墙不起承重作用。这种木结构各个

接头的内摩擦具有阻尼作用，斗拱和横撑能制止水平运动，因此建筑物能抵御地震一类的灾害。斗拱结构又能均匀地分配屋顶重量，使各层承载木料之间接触面增大，从而缩短横梁跨度，减小挤压应力和弯曲应力。

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》一书中描述了测量弓力的方法：“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。

1．水平不流，人平不言。

连通器的原理。

2．软也是水，硬也是水。

因为水具有流动性，所以水是软的。又因为分子之间存在着斥力，难以压缩，所以水是硬的。

3．绳锯木断，水滴石穿。

因为细绳与木块，水与石头接触时受力面积极小，产生的压强极大，所以绳可以把木块锯断，水可以把石头滴透。

4．墙角数枝梅，凌寒独自开。遥知不是雪，为有暗香来。

物体内的分子都在永不停息的作无规则的运动。这是气体分子的扩散现象。

5．苹果离树，不会落在远处。

因为重力方向是竖直向下的，所以苹果离树，不会落在远处。

6．爬得高，跌得重。

因为被举高的物体都具有重力势能，并且举得越高，重力势能越大，所以爬得高，跌得重。

7．船到江心抛锚迟，悬崖勒马早已晚。

一切物体都有惯性，即保持原有运动状态不变的性质。所以说船到江心很难停下。

8．小小竹排江中游，巍巍青山两岸走。

物体运动的相对性，物体是运动还是静止取决于所选的参照物。

9．小小称砣压千斤

根据杠杆平衡原理，如果动力臂是阻力臂的几分之一，则动力就是阻力的几倍。如果秤砣的力臂很大，那么“一两拨千斤”是完全可能的。

10．人心齐，泰山移。

如果各个分力的方向一致，则合力的大小等于各个分力的大小之和。

11．麻绳提豆腐──提不起来。

在压力一定时，如果受力面积小，则压强就大。

12．坐地日行八万里

由于地球的半径为6370千米，地球每转一圈，其表面上的物体“走”的路程约为40003．6千米，约8万里。这是毛泽东吟出的诗词，它还科学的揭示了运动和静止关系──运动是绝对的，静止总是相对参照物而言的。

13．如坐针毡

由压强公式可知，当压力一定时，如果受力面积越小，则压强越大。人坐在这样的毡子上就会感觉极不舒服。

14．人往高处走，水往低处流。

水往低处流是自然界中的一条客观规律，原因是水受重力影响由高处流向低处。

15．鸡蛋碰石头──自不量力。

鸡蛋碰石头，虽然力的大小相同，但每个物体所能承受的压强一定，超过这个限度，物体就可能被损坏。鸡蛋能承受的压强小，所以鸡蛋将破裂。

16．洞中方一日，世上已千年。