物理学发展札记 - 力学部分

物理学发展札记——力学部分

【我国古代力学知识】

对时间、空间的认识

《管子》的“宙合”篇中，指出：“宙合之意上通于天之上，下泉于地之下，外出于四海之外，合络天地以为一裹。”明确表示天“上”、地“下”和海“外”，还有广阔的世界、天地、万物，无不处于“宙合”之中（“宙”即指时间，“合”即指空间）。

《墨经》中指出，“宇，弥异所也。”“久，弥异时也。”（久同“宙”）《经说上》解释是：“宇，蒙东、南、西、北。”“久，合古、今、旦、莫。”（莫就是“暮”。）

《墨经》中指出：“宇或（域）徙，说在长宇久。”《经说下》解释是：“长：宇徙而有（又）处，宇：宇南北在旦有（又）在莫。宇徙久。”表明事物的运动（徙）必定经历一定的空间和时间（宇和久），而时间的流逝和空间的变迁是结合在一起的，故称“宇徙久”。

战国时期惠施（公元前约370—前约310）曾说：“至大无外，谓之大一；至小无内，谓之小一。”“大一”正是无限宇宙的朴素观念。唐代柳宗元（773—819）在《天对》中写道：“无中无旁，乌际乎天则？”意思是说，天没有中心也没有边沿，哪儿是天的边际呢？战国庆子在《逍遥游》中指出时间是无限的。东汉张衡（78—139）也曾明确指出：“宇之表无极，宙之端无穷。”表示作为时间的起点和终点正如空间一样是没有穷尽的。

对运动的认识

《墨经》定义“动，或（域）徙也。”“止，或（域）久也。”表明运动是位置的变化，静止是物体在一位置上处有一段时间。东汉《尚书纬·考灵曜》中精彩记载着：“地恒动不止而人不知，譬如人在大舟中，闭牖而坐，舟行而不觉也。”说明运动的相对性，这比伽利略的思想要早1500年左右。东汉王充（27—约97）《论衡》中的《说日篇》指出：“天行已疾，去人高远，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。”表明物体真实运动与视运动的快慢有很大的差别。并提出了类似于“速率”的概念，当时用“舒疾”表示。《论衡》中的“状留篇”中记载了：“是故湍濑之流，沙石转而大石不移。何者？大石重而沙石轻也。”“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，其取进疾速，难矣！”表明物体运动快慢与物体本身重量的关系。

《考工记》中记载了：“马力已竭，■（zhōu，指车辕）犹能一取焉。”意思说，马拉车时，马已停下来，不再对车施拉力，但车辕还能继续前进一段路。表明当时对惯性已有认识。

对力的认识

墨家最早指出，“力，刑之所以奋也。”“刑”同形，表示物体；“奋”在古籍中可表为由静到动、动之愈烈、由下上升等等，表示了力对物体运动的影响。

王充在《论衡》中也记载了力的作用问题。经观察，他提出，外来的力能使物体产生运动，但内力不能使物体运动，认为“力重不能自称”，并举例说，古代传说中的大力士，手能断牛角，能拉直铜钩，力气很大，但就不能把自己举起来离开地面（“使之自举，不能离地”），表明内力与外力的差别。

对简单机械的认识

墨家通过简单机械的利用，对力的平衡问题作了较详尽的观察和分析，借用桔槔和秤论述杠杆平衡的知识，提出了“重”（重物）、“权”（秤锤或砝码）、“本”（杠杆支点靠“重”一边的杠长）、“标”（杠杆支点靠“权”一边的杠长）四个概念，并用它来解释。在《经说》中写道：“衡，加重于其一旁，必捶。权、重相若也相衡，则本短标长。两加焉，重相若，则标必下。标得权也。”除此以外，墨家还研究杠杆平衡的用途，如用杠杆制成鼓风箱等。

墨家还研究了斜面，并利用斜面来提重物。他们设计了一种装有滑轮的前低后高的斜面车，称为“车梯”。这样随着车梯的前进，重物不断地升高，节省了人力。

尖劈也是一种简单机械，我国周口店第13地点发现的石器，有60°～70°的刃角。到了春秋时期，由于冶铁手工业的发展，采用铁制的尖劈，并在生产、生活中加以应用。

公元132年，张衡创制了候风地动仪，它装有8个曲杠杆，对地震有预测作用。公元138年3月1日，地动仪朝西边的那个铜球突然下落到铜蛤蟆的嘴中，但当时洛阳城并没有地震的感觉。过了好几天，送信人到当时洛阳城并没有地震的感觉。过了好几天，送信人到洛阳，报告了甘肃发生了大地震，证明了地动仪的科学价值。类似的仪器，在欧洲到公元1703年才试制成功。

其他力学知识

春秋时期以前，人们已认识了物体的重心及其应用。中华人民共和国成立后，在西安半坡村出土的属于仰韶文化期的尖底提水陶壶结构就说明了这一点。这种提水壶，底尖、腹大、口小，系绳的耳环设在壶腹靠下的部位。当空壶悬挂时，壶身略有倾斜；当壶中注入约60～70%的水时，水壶的重心下降至耳环这一支点以下，壶就正立；继续注水，当水壶的重心高至支点以上时，壶就自动倾倒。这样的安排，何等巧妙。到先秦时期，这种提水壶经过修饰，变成一种宫廷玩物——“欹器”，它也是一种利用重心来调节平衡的器物。

春秋末年，人们利用水的浮力来测定箭杆材料和木制轮子的均匀性，提出“平沈必均”的见解，表示浮沉程度一样（“平沈”），各处的质量必然均匀（“必均”）。广为流传的曹冲称象的故事，也是一例。相传蒲州附近，潼关以北黄河上曾架有一浮桥，用8只铁牛系住，这些铁牛各重数万斤，立于两岸。1064年因洪水暴涨，浮桥冲坏，铁牛也沉没在河中。僧怀丙知道后，便用两只大船装满泥土，同时派人潜入水中用铁索把水底的铁牛系在大船上，然后卸去大船中的泥土，结果“舟浮水出”。

对声学知识的认识

我们祖先对声学知识的认识，是从乐器制造开始的，在实践中初步掌握了多种发音原理、多种材料发声与传声的性能、乐器形状对发声的关系等等。如在春秋战国时期，已明确指出“薄厚之所震动，清浊之所由出”，表明薄钟和厚钟的振动是钟声清浊的来源。同时还记载着不同形状的钟体对声音的产生和传播会产生不同的影响。当时也知道了共振现象，如《庄子》一书中就记载了调瑟时发生的共振现象。与此同时，也能想办法来消除声音，如战国时期的空心砖就是一种隔音技术。东汉王充的《论衡》中第一次讲到人声是因喉舌鼓动空气而发生的，箫笙之声也是空气振动的结果。北宋的沈括（1031—1095）在《梦溪笔谈》一书中记载了关于乐律、古琴的制作和传声、古乐钟的发声、共鸣现象等声学知识，并记载了声的共振实验。我国古代还出现了不少具有声学特性的建筑，名扬天下，如明代建成的北京天坛，其中的回音壁、三音石和圜丘就具有良好的声学特性的建筑物。

【亚里士多德和他的运动原理】

亚里士多德（Aristotle，公元前384—前322）是古希腊时期在科学界、哲学界影响最大的人物，是一位伟大的思想家，也是一位最博学的人物。曾学过医，也当过教师，在雅典创办了自己的学院和学派。他也和当时的哲学家们一样，力求提出一个完整的世界体系来解释各种自然现象。同时他又是首先从经验出发来考察和研究具体问题的人。他对天文学、物理学、生物学等方面都有研究，并提出了自己的见解。他也是形式逻辑的创始人。

他著有《物理学》一书，这是一部关于自然哲学的著作。书中提出了比较系统的运动理论，认为运动是事物从潜能变为现实，运动与物体不可分，运动是永恒的，但是他又认为永恒的运动必定有永恒的原因，将“第一推动者”作为整个宇宙永恒运动的根源。他反对原子论，不承认存在真空，并提出了两条物体的运动原理。第一，他认为物体只有在一个外来的推动者不断作用下，才能保持运动。如果推动者停止作用，那么物体就会立刻停下来。这就是动者不断作用下，才能保持运动。如果推动者停止作用，那么物体就会立刻停下来。这就是我们后来所说的“力是产生运动的原因”。第二，他认为轻、重两个物体同时降落的话，

重的物体比轻的物体下坠得快。这两个错误观点流传达2000年之久，后被伽利略纠正。

【阿基米德和浮力原理】

阿基米德（Archimedes，公元前 287—前212）是古希腊数学家、物理学家、发明家。他提出了比重的概念，发现了后来命名的阿基米德定律，研究了杠杆原理，制造了很多机械。

关于阿基米德定律的发现，流传着一个有趣的故事。相传叙拉古国王亥厄洛用黄金请工匠做了一顶非常精致、漂亮的王冠，但是他怀疑工匠用银子偷换了部分黄金。于是要阿基米德在不损坏王冠的前提下，查验王冠是否是纯金制成的。阿基米德整天捧着王冠苦苦思索，总是不得要领。但是他并不气馁，继续研究。一次，阿基米德洗澡，他跨入盛满着水的浴桶，随着身子浸入浴桶，一方面感到水对身子有一股向上的托力，另一方面一部分水从桶边溢出。阿基米德发现这个现象，立刻领悟到可以用测定固体在水中排水量的办法来测定该固体的比重。这时，阿基米德异常兴奋，忘了自己是裸露着身子，从浴桶中一跃而起，奔了出去，狂呼“攸勒加，攸勒加”（意思是我找到了）。阿基米德继续做实验，拿一块黄金和一块重量与之相等的白银，由于比重不同，两者体积就不同。如把两者分别放入盛满水的容器中，则银块排出的水比金块多得多。于是阿基米德来到王宫，把王冠和同等重量的纯金块放进盛满水的容器里，分别测出它们排出的水量，一比较，问题就解决了。根据各种历史记载，我们不必花精力去追究工匠是否偷盗了黄金，但是从这个实验中却得出了一个重要的物理定律，即阿基米德定律。阿基米德在《论浮体》中表述了这一定律的重要内容：放在水中的物体所失去的重量，等于其排开的水的重量。

【奥托·格里克和马德堡半球实验】

奥托·格里克（Otto von Guericke，1602．11．20—1686．5．11）是德国物理学家、工程师。他最享盛名的是发明了抽气机，并用抽气机获得真空，做了著名的马德堡半球实验，证明了大气压的存在。

格里克首先用酒桶或啤酒桶装满水，并把桶上所有空隙堵塞，以阻止桶外空气的流入。桶的下方装上一个金属管，利用水本身重量下沉，借以抽去桶内的水，使桶内留下一个没有空气的空间。但是实验并未能成功。第二次，用铜球代替酒桶或啤酒桶，除了底下装有一个抽水和抽气的抽机以外，顶端还装有一个龙头。最初，抽机的活塞容易移动，但很快就越来越难移动了。当大家认为球内空气快要抽空时，突然一声巨响，铜球瘪了下去，经研究，认为是铜球不圆，致使较平坦的部分无力承受周围的压力。当尽力把铜球做成十分圆的时候，试验成功了，获得了真空。当开启顶端的龙头时，空气立即涌入铜球，其力大得几乎要把站在它前面的人拉进铜球。在这样的基础上，于 1654年做了马德堡半球实验。马德堡半球实