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中国古代的力学成就

2015-12-17 17:12  作者:济南新东方学校  来源:济南新东方优能1对1理综组  字号:T|T

  《考工记·轮人篇》在论述车轮制造时,以受力、运动和不同接触地面的影响等因素出发,在讲到轮子的形状与运动快慢之间的关系时说:“凡察车之道……不微至,无以为速也”。“微至”是指轮和地面的接触面积少。就是说,车轮与地面接触少,就容易转得快。那么,怎样才能达到“微至”呢?它接着指出:“欲其微至也,无所取之,取之圜(圆)。”即要尽量把轮子做成理想圆。这是在实践中对滚动物体的滚动速度与滚动物体的接触面积大小有关的经验总结,是符合近代摩擦理论的。在论述如何检验轮子各部分是否做得均匀时,它说:“楺辐必齐,平沈(沉)必均。”“水之以视(视)其平沈之均也。”这里水之,即浸入水中,如果“平沈”即浮沉相同,则轮子各部分必定是均匀的,就符合制作轮子的要求了。这是浮力原理在制造轮子中的应用。在论述到轮子大小对拉力(牛或马)的影响时,它说:轮太矮,马就老在上坡一样。从现在力学知识看,当轮太低时,辕与地面成一角度,马除了要克服运动阻力外,要承受部分重力,因此马总象上坡一样费劲。这是实践中对斜面受力的一种极好的分析。
  《考工记》还分析了与弹道有关的技术。它在《矢人篇》中说:“水之以辩其阴阳,以设其比,夹其比以设其羽,参分其羽,以设其刃,则虽有疾风,亦弗之能惮矣。”这就是说,为了要使箭在飞行中保持稳定,采取了把箭上的羽毛按一定比例对称地安排,然后加上箭头,则在飞行中就不怕风的影响了。接着又说:“前弱则俛(俯),后弱则翔(仰),中弱则纡(纡絗旋转之意),中强则扬。”“羽丰则迟,羽杀则。”这说明了箭杆如果前轻后重,或前重后轻,都会影响飞行的高度;中间轻重配置不当,会影响飞行的稳定性;羽毛太多,则飞行速度慢。而羽毛太少,则箭容易落向旁侧,射不到目的物。
  《考工记》最早作出了关于物体惯性的论述。在《辀人篇》中说:“劝登马力,马力既竭,辀尤能一取焉”。意思是说,马拉车的时候,马已停止用力了,但车还能前进一段路程,这里指出了物体的一种基本属性——惯性,这也是世界上对惯性现象的最早论述。
  东汉王充在对物体的运动进行了仔细观察的基础上,在《论衡》中指出了人的视觉,在观察物体的运动快慢时会造成错觉的原因和如何量度物体运动的快慢。他在《论衡》中说:“天行已疾,人去高远,视之若迟。盖望远物者,动若不动,行若不行;何以验之?乘船江海之中,顺风而驱,近岸则行疾,远岸则行迟,船行一实也,或疾或迟,远近之视使之然也。”说明是由于观察者离运动物体远近不同,因而感到它的快慢也就不同了的道理。这也说明王充已知道了视角差对于观察物体运动快慢的影响。在关于运动的快慢上,又说“日昼行千里,夜行千里,麒麟昼日亦行千里,然则日行舒疾与麒麟之步相类似也。”意思是太阳和麒麟在日间运动的快慢相比是一样的,说明已有了现代物理学中“速率”概念之萌芽。

  关于力和运动的关系,王充说:“是故车行于陆,船行于沟,其满而重者行迟,空而轻者行疾,”“任重,其进取疾速,难矣。”又说“古之多力者,身能负荷千钧。乎能决角伸钩,使之自举。不能离地。”显然已不仅知道在外力的作用下,若外力大小一定,则物体越重,要它开始运动,或使之运动状态发生变化就越难。这显然是现在称之为牛顿第二运动定律的萌芽,而且还认识到内力不能改变物体运动状态这一事实。


漏水运转浑天仪和候风地动仪
  是东汉张衡(公元78—139年)根据物理的力学原理先后制成的。它们分别在天象和地震观察上发挥了作用。漏水运转浑天仪是一台自动测示天象的仪器,它以一空心铜球表示天球,天球画有星座和黄道、赤道,紧附在天球外的有地平环和子午环等,天球可以支架在子午环上绕天轴转动。另外把计量时间的漏壶与浑象联系起来,即利用漏壶的等时性,以漏壶漏出的水为原动力,再通过浑象内部装置的齿轮等使传动和控制设备,以使浑象每日均匀地绕天轴旋一周从而达到自动地、近似正确地演示天象的目的。候风地动仪以精钢制成,形似酒尊,里面均匀排列八根“都柱”——上粗下细的立柱。由于都柱重心高,当地面一有震动,就极容易向震动方向倒下。尊外相应地设置八条口含小铜球的龙,每个龙头下面都有一只蟾蜍,昂首张口(见插页图5)。当某一都柱倒下时,就带动了连接的龙,使龙口张开,所含的铜球落下到其下面的蟾蜍口中。因此观察落下的铜球的方位,就可判断地震发生的方向。

  在运动的相对性概念方面,晋天文学家束皙(261~303年)说过:“乘船以涉水,水去而船不徙矣”(《隋书·天文志》);晋葛洪(283~363年),号抱朴子,在其著作《抱朴子·内篇·塞难》中说:“游云西行,而谓月之东驰。”《晋书卷十一天文志》更将这一相对运动的思想用于解释天体运行:“天旁转如推磨而左行,日月右行,随天左转,故日月实东行,而天牵之以西没。譬之蚁行磨石之上,磨左旋而蚁右去,磨疾而蚁迟,故不得不随磨以左回焉。”有极大价值的是至少成书于东汉时代的《尚书纬·考灵曜》(著者不详,收入明代孙毅编纂的《古微书》卷一《尚书纬》),该书在提出“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”的同时,提出了著名论断:“地恒动而人不知,譬如闭舟而行,不觉舟之运也。”这种对运动相对性的观点,《考灵曜》比伽利略的《对话》至少早约1500年。此观点说明我国古代物理思想达到过的高度。

责任编辑:孔翼鹏