中國(guó)古代對(duì)力學(xué)的研究

葛芳 秦中奎

【摘 要】力學(xué)在物理學(xué)史上具有極為重要的地位，雖然我國(guó)古代并沒有“力學(xué)”這一詞，但是并不影響古代人積累其技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和力學(xué)知識(shí)。只是古代中國(guó)人缺乏邏輯推理和應(yīng)用數(shù)學(xué)解決物理問題的基本訓(xùn)練和傳統(tǒng)，沒有形成一個(gè)系統(tǒng)的理論體系罷了，并不是“中國(guó)古代無力學(xué)，因此亦無力學(xué)史”。本文以力學(xué)的不同領(lǐng)域?yàn)闄M坐標(biāo)，以古人的生產(chǎn)技術(shù)、生活用具、房屋構(gòu)造以及詩詞歌賦等為縱坐標(biāo)，在力學(xué)的不同領(lǐng)域中又以各個(gè)朝代為線，對(duì)我國(guó)古代的力學(xué)發(fā)展進(jìn)行整體的論述。

【關(guān)鍵詞】力學(xué) 簡(jiǎn)單機(jī)械 杠桿 滑輪

一、緒論

1.“力學(xué)”的古代詞義演變

物理學(xué)中的“力學(xué)”一詞，在中國(guó)古代并不具有現(xiàn)在科學(xué)上的含義。宋代周密的筆記《齊東野語》和元代的《金史·張行簡(jiǎn)傳》的典籍中都有“力學(xué)”一詞，但是它們是“努力學(xué)習(xí)”的意思。在明清時(shí)期留下的地名中，有個(gè)“力學(xué)胡同”。每逢科舉歲月，這里住著來自全國(guó)各地的儒生，他們中大多數(shù)在此用功念書，以待進(jìn)士考課，此胡同因此得名。

在鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)之后，不僅有《重學(xué)》專書出版，而且將重學(xué)分為靜重學(xué)、動(dòng)重學(xué)、水重學(xué)、氣重學(xué)、流質(zhì)重學(xué)、天重學(xué)，也就是現(xiàn)在所謂的靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、水力學(xué)、氣體力學(xué)、流體力學(xué)、天體力學(xué)各分支。直到1866年，美國(guó)教士北京京師同文館教習(xí)丁韙良在《格物入門》中才將Mechanics翻譯成力學(xué)。但是，在京師同文館刊刻《格物入門》之后，力學(xué)一詞并未被普遍接受。直到1900年，當(dāng)日本教材大量地傳播到我國(guó)并被譯成中文出版時(shí)，“力學(xué)”一詞才被中國(guó)人所接受。

2.中國(guó)古代力學(xué)發(fā)展

從北京周口店挖掘出來的石器表明，50萬年前的北京猿人，已經(jīng)會(huì)打擊石塊，人們已領(lǐng)悟到鋒刃和尖劈的作用，制造了各種尖狀器和刮削器，如斧、鑿、鏟、針、鉆等。某些這類器物還裝有柄，表明杠桿已被使用。在距今約10萬年前尚無弓箭的時(shí)代，人們發(fā)明了“拋石索”，以將石球拋射。后來，人們創(chuàng)造了弓箭、箭鏃，利用天然纖維加工成繩索，人類從狩獵生活逐漸過渡到畜牧業(yè)。在距今約7000年的浙江河姆渡文化中已經(jīng)有了大批的木構(gòu)建筑和榫卯接合的經(jīng)驗(yàn)，這些表明了靜力學(xué)的初步知識(shí)已經(jīng)開始指導(dǎo)當(dāng)時(shí)的建筑師。距今五六千年的仰韶文化中，有以草泥為主的混合材料建筑，有一種符合重心原理的提水陶罐。正是因?yàn)閬碓从谇遑氄咧校医佑|更多的是民眾的生活。力學(xué)，本身就是產(chǎn)生于社會(huì)大眾的一種學(xué)問。在先秦之前就有了原始的木質(zhì)尖狀耕作器，即耒耜。[5]人們“斷木為杵，掘地為臼”，制造簡(jiǎn)單的石磨、石棍，從而杠桿、沖撞及磨壓的力學(xué)應(yīng)用在生活和生產(chǎn)中開始擴(kuò)大。從陶器的制作中，人們初步知道了某些有關(guān)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的知識(shí)。

漢代從漢武帝時(shí)起，社會(huì)經(jīng)濟(jì)有了很大的恢復(fù)和發(fā)展：普遍使用牛耕、推廣鐵質(zhì)農(nóng)具、改進(jìn)耕作技術(shù)、興修水利，使農(nóng)業(yè)有了較大的發(fā)展。在手工業(yè)方面，首先是冶鑄鐵的技術(shù)有了極大提高，燃料煤的使用、鼓風(fēng)設(shè)備的改進(jìn)，使當(dāng)時(shí)能大量生產(chǎn)鐵質(zhì)農(nóng)具、兵器和生活用具。從漢迄唐，雖政體時(shí)分時(shí)合，有興有衰，但科學(xué)技術(shù)總在緩慢發(fā)展之中。

二、中國(guó)古代對(duì)簡(jiǎn)單機(jī)械的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用

1.杠桿

第一，中國(guó)古代人類使用杠桿的事實(shí)依據(jù)。杠桿是人類最先使用的簡(jiǎn)單機(jī)械，最早可以追朔到舊石器時(shí)代。當(dāng)原始人拾起一根棍棒，并以此企圖撬動(dòng)一塊石料時(shí)，他們實(shí)際上就是在使用杠桿。在距今約7000年左右的浙江余姚河姆渡文化遺址中，發(fā)現(xiàn)有石鏟、骨耜；在新石器時(shí)代，許多石制工具裝上了木柄；在甘肅永昌鴛鴦池遺址中發(fā)掘的新石器時(shí)代的石刃、骨刃，美觀、鋒利而有鑿柄孔，這已經(jīng)不是將木柄和石具用天然纖維捆束在一起，而是將木柄裝入鑿孔之中。這些考古發(fā)現(xiàn)表明，新石器時(shí)代的人們已在實(shí)踐中懂得了杠桿的經(jīng)驗(yàn)法則：裝上木柄，延長(zhǎng)力臂，儉省力氣。杠桿原理表現(xiàn)在被人們廣泛應(yīng)用的桔槔、踏和衡器等上。

第二，簡(jiǎn)單介紹桔槔的結(jié)構(gòu)和記載桔槔的書籍。桔槔是一種取水機(jī)械，是不等臂杠桿，古籍上又稱之為頡槔。據(jù)說，商湯時(shí)賢臣“伊尹始作桔槔”。將一長(zhǎng)木支撐于一根立柱上，使其支點(diǎn)的兩端長(zhǎng)度不等，就造成了簡(jiǎn)單的桔槔。桔槔的一端系有繩索、吊桶，另一端常捆扎一石塊，以助人拉舉重物。據(jù)西漢劉向的《說苑·反質(zhì)》記載：春秋末年，鄭國(guó)大夫鄧析出游，曾下車教農(nóng)夫使用桔槔灌溉農(nóng)田。在《莊子·外篇·天地》中也記載了一種汲水工具，戽斗。由兩個(gè)人拉住兩邊的繩子擺動(dòng)著斗，把低處的水送到高處的天地里去，它運(yùn)用的是力的分解和平衡原理。因此，桔槔不僅被古人用來提水，墨家還將它改造成戰(zhàn)斗機(jī)械。公元前五世紀(jì)的春秋時(shí)，輔佐越王勾踐的范蠡，在兵書中寫有：“飛石重十二斤，為機(jī)發(fā)行三百步。”這種“機(jī)”就是利用杠桿原理所制的拋石機(jī)。

2.滑輪

滑輪，古代稱為“滑車”。外國(guó)傳說，滑車出現(xiàn)在阿基米德之前（公元前300年）。然而，據(jù)史料記載，在此之前我國(guó)早就有了這類簡(jiǎn)單機(jī)械。如《物原》記載：“史佚始做轆轱”（史佚是公元前1100年周代初年的史官）。據(jù)《左轉(zhuǎn)·成公十六年》（公元前575年）載：“楚子登巢車以望晉軍”。又據(jù)《通典》記載：“以八輪車上樹高桿，桿上安轆轱……亦謂之巢車，如鳥之巢。”（《通典》為唐朝杜佑撰，成書于公元766-801年）

轆轱是滑輪的另一種形式，可能產(chǎn)生于商末周初。它常被用作井中提水的工具，其主要部件是一根短圓木，其一端有曲柄。圓木上繞繩索，可繞其固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轆轱用于提水時(shí)，繞在其上的繩子的兩端均可系吊水桶，只要兩股繩逆順交轉(zhuǎn)于轱筒。這樣，達(dá)到轆轱總是做有用功的目的。這樣的轆轱稱之為雙轆轱、花轆轱或復(fù)式轆轱。方以智就轆轱起重省力一事寫到：“凡引重，用一轆轱省力倍，以筒筒圓木，入滑汁其中，以繩卷筒上。其力更省。”在轆轱轉(zhuǎn)筒和軸之間加入潤(rùn)滑油，方以智稱之為“入滑汁其中”。

根據(jù)史籍和實(shí)物，我們可以知道：早在春秋期之前，我國(guó)勞動(dòng)人民已經(jīng)使用了桔槔、滑車和轆轱，后來記入文獻(xiàn)，并科學(xué)地歸并入一類。[7]其中“巢車”就是將滑輪和轆轱等機(jī)械歸為一體的總稱。《辭海》中繪有巢車圖，巢車是一種專門用來觀察敵情瞭望車，車底部裝有輪子，可以推動(dòng)，在雙支架桿上裝定滑輪，跨繞繩索，一端吊筐籃，另一端繞與絞車上，攻城時(shí)可用于觀察城內(nèi)敵兵的情況。在歷史上就有好多這些事例：公元前575年鄢陵之戰(zhàn)時(shí)，楚共王曾經(jīng)在太宰伯州犁的陪同下，親自登上巢車察看敵情。