浅析墨家的力学思想

浅析墨家的力学思想
作者：廖瑞庭
来源：《管理观察》2010年第19期
摘要:墨子对力学有比较深入的研究,达到了当时世界最高水平。

本文通过分析原文和整理相关资料,具体分析了墨家关于力的基本概念,合力与作用力和反作用力,浮力和弹力等力学思想。

关键词:墨家力学思想
通过墨家对于力学的成就突出体现在“力的定义”上,“力,形之所以奋也”,墨家关于力的定义比牛顿第二定律早了两千年。

一、力的基本概念
目前我们的物理教材关于力的阐述普遍是从阿基米德对立的研究开始,比如阿基米德对力的基本论断及其杠杆原理等,其实,我国古代对力就有很深入的研究,其中,墨子最具有代表性,墨子从力的基本定义出发研究静力学、动力学和运动学等。

《经上》:“力,形之所以奋也。

”
《经上》这一条是对力的定义:力是改变物体运动状态的原因。

现代物理学对力的定义:力是物体对物体的作用。

力的作用效果包括两方面:(1)可使物体的运动状态发生改变;(2)可使物体的形状与大小发生改变。

由此可见,2000多年前的墨子对力的定义已初步具备了现代物理学力的含义。

墨子通过对生活中力的现象观察得出的对力的定义与牛顿第一定律意义基本相符。

牛顿通过实验得出的第一定律:任何物体都保持静止的或匀速直线运动的状态,直到其它物体的作用迫使它改变这种状态为止。

这与墨子认为历史改变物体运动状态的原因有异曲同工之妙。

《经说》做了更进一步的说明
《经说上》:“力,重之谓下,举重奋也。

”
孙治让认为:“凡重者,必就下,有力则能举重以奋也。

”“重之谓下”指的是重力的本质属性,可见当时墨子已经意识到了重力的存在,只是不能找到这种力的根源,即“引无力”,当时的科技水平
很难证明这是万有引力的作用。

通常人们将重力视为力的代表,物体自由下落是由于就重力的作用。

二、合力与作用力和反作用力
墨子之所以成为公认的机械制造大师,其主要原因就是其对合力、作用力和反作用有比较深入的研究,比如:
《经下》:“合与一,或复,否。

说在拒。

”
这句话按谭戒甫先生的理解是:合力对一力,或见回力,或不见回力,其原因在于抵挡的形式不同。

“合”指数力并施,即合力,一则是单一力,现代物理学合力的定义是: 一个力,如果它产生的效果与几个力共同作用时产生效果相同,那么这个力就叫做几个力的合力。

“复”是反作用,即力学之反作用力。

“据”是抵御和阻挡。

《经下》说:对一物体数力并施或一力相加,有时反映明显,有时反映不明显,其原因是抗拒形式不同之故。

牛顿第三定律说:“对于任一作用力,必有一力与其等值、反向、共线的反作用力”。

《经下》:施力于物体,必有其反力的说法与牛顿第三定律基本相同。

更进一步发现有时有反力的存在,而这是人不易察觉的情形。

则用“否”字表示。

这就看“拒”的情况了。

另据《墨子校注》,认为这一条并不是关于力的词条,而是描述矛盾关系的词条。

合与一,相对立而存在。

三、浮力
中国古代的造船业相当之发达,领先西方将近一千多年,从另一个角度来看,证明中国古代对浮力有比较深入的研究,战国时期的墨子就探讨了物体在水中受力与平衡的情况。

荆之大,其沈(沉)浅也,说在具。

这一条谈的是浮力问题。

楚的木材大,但在水中沉没得比较浅,因水对木材有浮力。

木材大,指的是木材的体积大,根据浮力的计算公式:
F浮=G排=m排g=ρ液gV排 G排:排开液体的重力
m排:排开液体的质量
ρ液:液体的密度
V排:排开液体的体积 (即浸入液体中的体积)
可知:木材因体积大,而排开的液体体积也比较大,浮力也比较大。

木材在水中沉没比较浅,正是受到了浮力的表现,现代物理学对浮力的定义是:浸在液体或气体中的物体受到竖直向上的力,叫浮力。

可见,当时墨子已从实际生活中的现象观察到了树木在水中受到浮力的情况,并且在实际生活中应用了这种原理。

墨子不仅定性了浮力与平衡的关系,而且有了定量的概念,如:
荆:沈,荆之具也,则沈浅非荆浅也。

若易五之一。

这句话的大概的意思就是:楚的木头沉下去,却只沉下一部分,比较浅,如五分之一。

“若易五之一”,徐希燕设计了一个精巧的计算,“木块没入水部分为总体积的4/5,所以露出水面的体积为总体积的1/5。

”据此认为“易五为一”“真可谓是不差分毫”,1实际上,物体放到水中被水淹没的多少是由其两者的密度大小决定的。

物体密度比水小,就会受到向上的浮力,这个力等于与该物体同体积的水重超过该物体重量的部分。

一般说来,物体的密度比水的密度小,物体都会浮在水面上;如果物体的密度和水的密度一样,物体会悬浮在水中;如果物体的密度比水的密度大,水的浮力就无法承载物体的重量,物体将沉入水底。

四、弹力
一根头发可以承受多重?这涉及到了目前断裂学与弹性力学等高端物理研究,而在两千五百多年前的墨子也初步研究了这个问题,并且提出的假设和今天的研究成果有惊人的相似之处。

《经下》:“均之绝否。

说在所均。

”
《经说下》:“均,发均悬。

轻重而发绝,不均也。

均,其绝也,莫绝。

”
均衡的断绝于不断绝,以所均之物为转移故。

比如发,得其均衡是悬系而不断绝的。

又如轻重之不等之发,那是断绝而不均衡的。

所以均衡有断绝的和不断绝的。

这是关于弹力问题的论述,事物假如绝对均衡,则不会断裂,现代断裂力学指出:结构上的缺陷,甚至极其微小的缺陷,也会在一定应力条件下放大直至发生断裂,理想的没有缺陷的结构。

墨学专家杨向奎在他的《墨经数理研究中》对这句是这样疏解:(1)“经”文:“均之绝否,说在所均。

”这里面似乎少了一个主词“发”字,根据“经说”应当有“发”字,全句应当是:“发,均之绝否,说在所均。

”用现在的话说,是“头发的结构‘均’与绝与不绝,在‘经说’中是要看其中‘均’的情况。

(2)“经说”:“均:发均悬。

轻重而发绝,不均也。

均,其绝也,莫绝。

”用现在的话说,是“把发悬起来,或轻或重而发断绝,那是结构不均的原故”如果结构均,它就不会断绝了。

”2可见,此词条具体分析了发均与发不均时弹力的不同情况。

从经文上看,墨子似乎更主张,纤维是由强度不等或内聚力不等的基元所组成的,因此有些地方必然存在着断裂面,故纤维在张力下会断裂。

杨向奎教授还提出了几种验证的方法:“做这种实验的几个步骤,先取几种丝,如发丝、棉丝、麻丝、锦丝、蜘蛛网丝(最富弹性)等做下列实验”:
1.力学实验,观察上述几种丝的不同弹性。

2.化学分析,观察上述各种丝的化学成分。

3.分子物理实验,观察各种丝的分子结构。

4.量子力学分析,在四种相互作用中,主要观察电磁作用在原子间以及在分子间发生的束缚作用,没有这种作用力,不可能有丝的弹性存在。

虽然这几种方法最终的验证结果我们不得而知,但是两千五百多年前的墨子就通过自己的方法研究了弹力和物质均质问题,似乎佐证了杨向奎教授认为的中国古代墨家的科学成就,等于或超过了整个古代希腊。

在当时的科技水平下,墨子提出物体受力均衡则不断的结论实属不易,如颜道岸教授就指出,这一命题的提出,是以实验为基础的。

没有多次艰苦的实验,很难有这样的认识。

两千多年前的墨子通过观察生活中的现象,分析了力的内涵与外延,对合力和作用力与反作用力、浮力和弹力提出了自己的见解,而这些分析与见解与我们现代物理学的相关分析极其相似,似乎佐证了杨向奎教授认为的中国古代墨家的科学成就,等于或超过了整个古代希腊。

◆
参考文献:
[1]杨向奎.《墨经数理研究》[M] .济南:山东大学出版社,2000.
[2]任继愈.《墨子与墨家》[M] .北京:商务印书局,1998.
[3]方孝博.《墨经中的数学和物理学》[M].北京:中国社会科学出版社,1983.
[4]谭戒甫.《墨经分类译注》[M] . 北京:中华书局出版社,1984.
[5]詹剑峰.《墨子及墨家研究》[M].武汉:华中师范大学出版社,2007.
[6]孙中原.《墨学与现代文化》[M]. 北京:中国广播电视出版社,1998.
[7](美)李约瑟著陆学善等译. 《中国科学技术史第四卷,物理学及相关技术第一分册物理学》 [M]. 北京:科学出版社,2003
注释:
1.徐希燕,《墨学研究》,商务印书馆,P179一180
2.向奎.《墨经数理研究》,山东大学出社, P172-173。