古代力学发展规律与启示

古代力学发展规律与启示

摘要：力学是自然科学的重要基础学科之一，力学的发展成就，某种意义上决定了一个国家的科技水平。自人类诞生以来，人们就不断有意识或者无意识地在认识、研究、运用、发展力学，取得了非凡的成果。该文就中国古代的各个历史时期具有代表性的力学发现与应用作了探究，剖析其中的原理，研究古人的自然科学思维，展现了中国古代力学波澜壮阔的发展历程,并且由此总结出中国古代力学显著的特点与规律。以时间轴作为探究的线索，在看到中国古人取得力学巨大成就与遥遥领先世界的辉煌背后，也阐述了它由盛转衰的历史悲剧，其造成了近代我国科学技术的严重落后，致使民族沦丧，给近代中国带来了深重的苦难。该文兼具人文分析的逻辑性，也具有对现代经典力学运用的科学指导性。

关键词：力学规律启示古代中国

在古代力学发展中，我们的祖先利用相关力学知识与经验创造了不少经典之作。战国时期，在力学的应用方面可以和古希腊相媲美，宋代时期，取得了中世纪欧洲望尘莫及的成就。1灿烂的五千年文明史中，我们的祖先利用力学原理来解决生活、生产、军事当中的问题。本文从杠杆、作功、惯性、特殊结构、张力等相关力学原理对古代一些器物进行力学分析，从而见证古代力学的精髓。

一杠杆原理的运用[1]：

石器时代人们用一根棍棒和野兽搏斗，或用它撬动一块巨石，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。通过改变支点的位置，可以达到省力和增力的目的，这是我们祖先在生产生活中经验积累得到的自然规律。到了战国时期，随着人们对杠杆原理知识的进一步掌握与定量总结，杆秤也就应运而生了，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，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》是战国时期以鲁国人墨翟为首的墨家著作。墨翟和他的弟子们以刻苦耐劳、参加生产、勇敢善战著称。因此，他们的著作中留下了许多自然科学知识。

《墨经》将秤的支点到重物一端的距离称为“本”(今称为重臂)，将支点到权一端的距离称为“标”(今称为力臂)。书中写道：(1)当重物与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；(2)如果因为加上重物而衡器平衡，那是本短标长的缘故；(3)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。墨家在这里将杠杆平衡的各种情形都讨论了。他们既考虑了“本”与“标”相等的平衡，也考虑了“本”与“标”不相等的平衡；既注意到杠杆两端的力，也注意到力与作用点之间的距离大小。虽然他们没有给我们留下定量的数字关系，但足以将杠杆的平衡条件叙述得十分全面了。这些文字记述肯定是墨家亲身实验的结果，它比阿基米德发现杠杆原理要早约200年。

《墨经》讨论杠杆原理

棍棒撬石头

迄今为止，考古发掘的最早的秤是在长沙附近左家公山上楚墓中的天平。它是公元前第四到第三世纪的物品，是个等臂秤。不等臂秤可能产生于春秋时期。古代中国人还发明了有二个支点的秤，俗称铢秤。使用这种秤，变动支点而不需要换秤杆就可以秤量较重的物体。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(公元前287—前212年)杠杆原理。

古代几种秤示意图

1.楚墓中的天平与砝码

2.不等臂秤

3.铢秤

二做功的应用：滑轮

古代人称滑轮为“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。

辘轳

三惯性原理的应用：张恒地动仪原理[3]

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。

地动仪（红棒为都柱）

四特殊结构应用：建筑

几千年来，中国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。

五张力的应用：抛石机、弓箭

抛石机与弓箭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。弓箭的应用亦是如此，也是采用弓与弦产生的张力做功，推动箭高速飞行达到杀伤破坏的目的。

[2]

抛石机

六重心和平衡：酒器、铜奔马[4]

从物理学观点看，通过物体的重心和桌面垂直的线（或面）要维持在这一物体的支持面里：否则，这一物体就很容易倒下。商代的酒器有三足，它的重心总是落在三足点形成的等边三角形里。西汉中山靖王刘胜墓出上的朱雀铜灯，体现了工匠关于重心的巧妙构思。东汉铜奔马，三足腾空，一足落地。但是它的重心刚好落在支撑足上，因此，即使支撑面很小，看来好像容易倾倒，其实是稳定平衡的。

东汉铜奔马

七运动学成就

力学与运动学是紧密联系不可分割的，在中国古代力学取得辉煌成就的时候，运动学也打开了自己的一片天地，其基本观点、基本理论，与现代经典运动学基本相同。在中国古籍中关于运动相对性原理的叙述有《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，