中國古代力學

中國古代力學中國古代力學力學知識起源于古代人對自然現象的觀察和生產勞動中的實踐經驗，并逐步發(fā)展為生產技術和初步的自然哲理。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》中記載了杠桿平衡的定量原理。他的理論簡述如下：在《經下》一章中說：“天(衡)而必正，說在得?！痹凇督浾f下》一章中說：“衡，加重于其旁，必捶。權、重，相若也相衡。則本短標長，兩加焉，重相若，則標必下，標得權也?！痹谶@幾句話中，“衡”是秤桿；“權”是秤錘；“捶”字通“垂”字；“標”即“末”，亦即秤桿細小的一端。二、做功的應用滑輪，古代人稱它“滑車”。應用一個定滑輪，可改變力的方向；應用一組適當配合的滑輪，可以省力。滑輪的另一種形式是轆靜。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，轉動圓木就可提水。只要繩子纏繞得當，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。這是關于慣性最早的闡述。張恒地動儀原理，據學者們考證，張衡在當時已經利用了力學上的慣性原理，“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。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，而后天學明、人事利者也。而《易》則凡乾，其靜也專，其動也直?！眹缽瓦@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，在人間也有許多應用。但是《易經》上早就說過“乾，其靜也專，其動也直。“據他看，牛頓第一定律，在春秋時期便已經提得很清楚了。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》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）內空卵中，疾風高舉自飛去?！庇鴮W者李約瑟曾解釋說：17世紀的歐洲人，歡度復活節(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)，殼內氣體膨脹，空氣先通過殼上微細小孔排出。待小孔蠟經日曬而溶化，小孔成了排氣孔，蛋殼內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。這實際上是現代噴氣推進原理的早期萌芽。五、張力的應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的石彈,可殺傷守城的敵兵，具有相當的威力。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、木板彎曲時產生的力）拋射彈丸的大型投射器。明代宋應星在《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?！睍羞€記述了風帆與船橫面的比例對風力的影響，風帆高度與受力大小的關系；詳細分析了“搶風”（風從橫面來）的風向、航向和張帆方向之間的關系；論述了舵的長短對航力大小、舵的方向對船的運動方向的影響。磨在中國古代的發(fā)展可以看作力學史的一個縮影。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的谷物?！痘缸有抡摗穼懙溃骸板禒拗畦启f民以濟，及后人加巧，因延力借身重以踐碓，而利十倍。杵舂又復設機關,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）制造了水力鼓風設備，即水排，它以水作動力，利用水輪、立軸、連桿、曲柄等構件將水輪的圓周運動轉變成風箱拉手的往復直線運動。水排包括動力機械、傳動機械和工作機械三個組成部分，在機械結構上水排比水磨更復雜，而原理相同。估計水磨當與水舂或水排同時出現。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。后來在直柄上又加上一曲柄，將手的往復直線運動轉變成磨的旋轉運動。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。大樵之上兩側各有二小拱。佛宮寺釋迦塔，俗稱應縣木塔，山西省應縣城內佛宮寺內。塔為八角形，外觀五層，內有暗層四級，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），是世界上現存最古老的木結構塔式建筑。塔建在4米高的兩層石砌臺基上，內外兩排立柱構成雙層套筒式結構，柱與柱之間還有大量水平構件，暗層內又有大量斜撐，使雙層套筒內外層緊密結合連成一體。其柱不是直接插入地中而是擱置于石礎之上。在連接上采用了傳統(tǒng)的斗樵結構，為不同部分的特殊需要分別設計了50余種不同形式的斗樵。由于結構上的合理性，近千年間經歷了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