weixin 发表于 2018-2-8 16:10

中国古代对力学的研究

  力学知识起源于古代人对自然现象的观察和生产劳动中的实践经验,并逐步发展为生产技术和初步的自然哲理,这在东西方古代都是如此。

  在我国古代,手工工艺技术成果远比经验性的理论总结突出得多,这是中国古代对力学研究的主要特点。从时间来看,大体可分为春秋战国、两汉、宋明三个高潮。

  春秋战国时期  公元前770~前221年  公元前316年,蜀守李冰修建都江堰,“正面取水,侧面排沙”,其飞沙堰工程巧妙地利用了弯道环流,说明当时测河水流量、了解泥沙规律等水力学知识及水利工程已有相当的水平,成都平原二千多年来始终受益。

  传为齐人著的《考工记》,是记录我国古代农具、兵器、乐器、炊具、酒具、水利、建筑等古代手工艺规范的专著,现存版本中如《裘氏》、《筐氏》、《雕氏》等篇内容已散佚。其中惯性现象的记述“马力既竭,輈(zhōu,指车辕)犹能一取焉”,车轮大小与拉力的关系(轮太低,马总是像上坡一样费劲),箭羽影响箭飞行速度的关系(“后弱则翔,中强则扬,羽丰则迟”),检验木料强度的经验方法,如“置而摇之,以视其蜎(yuān,蠕动程度),“横两墙间,以视其桡之均”,“横而摇之,以视其劲”),以及堤坝设计的经验尺寸等,都反映了我国当时的生产技术水平和经验知识水平。

  与《考工记》几乎同时的《墨经》,则进一步得出一些初步的力学哲理(如“奋”、“衡”、“本”、“标”、“重”、“权”等),给力下了比较科学的定义:“力,刑(形)之所以奋也。”可惜这一形成科学的抽象思维进程在后世没有顺利继续下去。

  这一时期是以记录与积累生产经验为主,也形成了初步哲理。

  两汉到五代时期  公元前206~960年  简单机械逐渐发展为精巧的或大型的联合机械,如张衡的水运浑天仪、候风地动仪,西汉未巧工丁缓(公元1世纪)的“被中香炉”是世界上已知最早的常平支架,祖冲之(429~500年)的水磨等等。

  隋代造船业已很发达,如隋炀帝的龙舟已高40尺,宽50尺,长200尺。李春主持建造的河北洨河赵县安济桥(公元595~605年),跨度最大(37.02米),弧度最浅(拱矢高7.23米),至今1300多年,下沉水平差只有5厘米,说明实用结构力学发展的水平。浮力的利用甚多,如:浮桥的建造[唐李吉甫:“以船为脚,竹篾亘(gèn,横贯。)之”,“架黄河为之”];东晋僧人惠远在庐山造莲花漏作为记时工具:“取铜叶制器,状如莲花,置盆水之上,孔底漏水,半之则沉”,即莲花漏由孔底进水到一半时就逐渐下沉,“每一昼夜十二沉”,非常巧妙。还有著名的曹冲称象故事,在陈寿著《三国志》卷二十及《江表传》中均有记载。

  上述种种成就,集之于书的不多,北齐信都芳曾“集浑天、地动、攲器、漏刻诸巧事并画图名曰器准”,但已散失。

  这一时期带有直觉经验型的物理哲理性著作是王充的《论衡》,在他的著作中对于运动的疾舒(快慢)、力与运动、物与运动、内力与外力的关系等作了叙述。

  其次是运动的相对性概念,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。

  这一时期在机械、水力等技术发展基础上物理思想活跃,但时物理现象很少作定量叙述。

  宋元明时期  公元960~1644年  我国古代技术成就极为丰富,但往往著述不详或流散失传,只知其名而不知其详,因而许多“巧器”历代都有人重新“创制”。

  如由仰韶文化时期尖底陶罐发展而成的攲器,“虚则攲,中则正,满则覆”(《苟子·宥坐》),是由于重心由高变低而又变高而致的,晋人杜预、南北朝祖冲之,魏、隋、唐、宋都有多人试制,指南车也有东汉张衡、三国马钧、祖冲之、宋燕肃、吴德仁等多人多次制成或未成。后魏时有郭善明与马岳同时研造,郭未成但妒嫉,见马岳垂成,便用毒酒杀之。而燕肃造这种凭靠齿轮传动使木人手指方向不变的指南车遇困难时,出门“见车驰门动而得其法”(宋陈师道《后山丛谈卷一》),这也是从机械原理中悟出的。

  可惜的是往往因古代人悟而未述或述而失传。记里鼓车也是利用传动,使车轮走满一里时有一齿轮转满圈并拨动小人打鼓一次。这说明我国手工制造中齿轮构造等工艺相当娴熟,但直到宋代才记载较详。

  苏颂(1020~1101)和韩公廉1092年建成了我国古代最大型的先进天文钟楼“水运仪象台”,其结构详细载于苏颂《新仪象法要》中,它涉及天文、力学、机械制造,其中有相当于钟表擒纵器的“天衡”,是保证等时性的杠杆装置。元代郭守敬(1231~1316)在天文仪器制造的种类(简仪、仰仪、定时仪、日月食仪等十几种)、结构和精度方面达到很高水平。

  宋代曾公亮(997~1087)在《武经总要》这一军事著作中除记载兵工机械、枪炮、军用油泵(“猛火油柜”)等外,还在《寻水泉法》中详载了虹吸管(“渴乌”),它在《后汉书·张让传》及唐代《通典》中都有记载,包括“取大竹去节”,“油灰黄蜡固封”竹首插入水中五尺”,烧火使“火气潜通”入水,“则水自中逆上”等。

  河北石家庄隆兴寺的转轮藏建于北宋,人在台上绕轴走动时轮藏会缓慢地反向转动,这实际上是动量矩原理的应用。

  宋应星(1587~1644(另说1661年、1663年))的《天工开物》是明代农业和手工业生产技术的百科全书,在卷十五《佳兵篇》中记述了测试弓弦弹力大小的方法:“凡试弓力,以足踏弦就地,秤钩搭挂弓腰,弦满之时,推移秤锤所压,则知多少”,方法十分巧妙。该书在我国失传300年,于1926年才由日本找回翻印本。

  总的来说,我国古代力学知识与古代精湛的工艺技术往往密不可分,但各时期对技术知识的整理汇集、研究提高、保存流传都未受到重视,致使技术特别是科技理论不能代替人力形成明显的生产力,科举八股把教育与知识分子的注意力引到文字游戏或仕途官场上。一方面是大量生产知识与技术积累而又散失,缺乏系统整理,一方面是经验性的定性的力学概念始终带有思辨色彩(如“气”、“道”、“理”),缺乏数学的定量引用和系统实验的基础,因此经典力学理论只能等待西方传入。

  本文根据百度文库刘远辉老师于2016年4月11日分享的《中国古代对力学的研究》一文编辑而成,原文未标注原始出处和作者。

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