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## 中国古代力学中的文物和工程技术反映出的力学知识

从一些出土文物和从现存的工程建筑或者从有关文字记载，都能看到不同历史时期在实际应用中所具备的丰富的力学知识。从考古发掘的实物看，在旧石器时代和新石器时代，已开始应用尖劈、杠杆（撬动或抬举重物的木棒）、弓箭一类简单机械。春秋战国时期在生产中普遍应用杠杆、桔槔、辘轳、滑轮、斜面、轴承（古代名为釭锏）和动物油润滑剂，至少在汉初发明了齿轮。公元前200多年前，对这一类简单机械的评价是“舟车机械之利，用力少致功大”(《韩非子·难二》)。在西安半坡村仰韶文化（前5000～前3000）遗址中，发现了一种用于提水的尖底壶，腹大口小。尖底壶放到水面，会自动平卧入水；水满时，壶又能自动恢复垂直。这反映出掌握了关于重心变化的知识。西周时期有一种欹器，它依盛水多少而“虚则欹，中则正，满则覆”（《荀子·宥坐》），也是因为加水后重心位置上升。战国时期铸成的曾侯乙墓编钟（1978年湖北随县出土）共65枚，总音域五个半八度（相当于频率比1∶45）。每一枚均有两个基音，相差三度（频率比约5∶4）。从现代弹性振动理论的观点来看，同一物体的两个最低固有频率如此接近而又维持确定的比例，其设计和制造是十分巧妙而精致的。汉代张衡、三国马钧、南北朝祖冲之、宋代燕肃等人，都曾利用齿轮传动制造指南车。据推测，指南车是以车轮、平轮、立轴和各种齿轮的复合运动为基础，在车子开始转动时使车上木人手指南方，以后不管车向哪个方向运动，木人将一直指南。从汉到宋，不少人造过记里鼓车，它是利用原动齿轮带动大小不同的一套从动齿轮，使车轮走满一里时，有一个从动齿轮刚好转一圈，并拨动车上木人击鼓一次。这些机械表明，制造者已经充分掌握各种齿轮的组合、匹配等知识。东汉张衡于132年发明候风地动仪。主要部件是一根倒立的柱子，称为“都柱”，重心高于支承点。当某一方向地动时，“都柱”因惯性力作用而倾倒，带动机构使龙头口中含的铜丸掉下，落入下面蟾蜍口中，由此可判断震源的方向。磨在中国古代的发展可看作力学史的一个缩影。早在新石器时代，就已用两块石头的相对平动，或用一根圆石柱在另一块石板上滚动碾压谷物，或用杵捣碎放进臼内的谷物。《桓子新论》写道：“宓牺之制杵舂，万民以济，及后人加巧，因延力借身重以践碓，而利十倍。杵舂又复设机关，用驴骡牛马及役水而舂，其利乃且百倍。”这记载表明了从最古老的杵舂，到脚踏舂、畜力舂和水力舂的发展。而水力舂至迟在西汉时期已很普遍。东汉初，杜诗制造了水力鼓风设备，即水排，它以水作动力，利用水轮、立轴、连杆、曲柄等构件将水轮的圆周运动转变成风箱拉手的往复直线运动。估计水磨当与水舂或水排同时出现。早期的磨只在磨盘上加一根直柄，推磨者必须围绕磨石旋转。后来在直柄上又加上一曲柄，将手的往复直线运动转变成磨的旋转运动。水舂导致制造水磨，通过传动带就可将水轮的动力传给磨。据记载，三国时韩暨曾制作马排、水排，杜预曾制作连机碓，祖冲之曾制作水磨。各种各样的磨在宋元时代达到了高度的发展。类似水磨、水排一类机械的出现，说明力学原理在实践中开始得到了真正的应用。元代，人们用水力带动纺纱机，这是18世纪蒸汽机带动纺纱机之前的重大技术成就。元代《王祯农书》中有关农器图谱的描画，为中国古代应用力学史保留下珍贵的资料。水磨、水排一类机械改变了力的方向并使自然力做功，而钟表一类机械，却需要研究等速运动，它们都为近代力学的兴起做出了贡献。北宋苏颂和韩公廉制造了水运仪象台，把机械计时器、浑仪和浑象三者统一在一个装置中。其中的一套天衡机构，可通过控制匀速流动的水来调节枢轮向某一个方向的等时转动。它类似于现代钟表的擒纵器或卡子。16世纪初期，明代詹希元造五轮沙漏，以沙的重量为动力，五个轮子（初轮和四个从动轮）的布局已同近代早期的时钟结构类似。中国的建筑具有独特的结构。几千年来，建筑物大都采用木结构形式，整个屋顶的重量由一系列木柱和横梁承载，并由一系列斗栱维持力的平衡，而墙不起承重作用。这种木结构各个接头的内摩擦具有阻尼作用，斗栱和横撑能制止水平运动，因此建筑物能抵御地震一类的灾害。斗栱结构又能均匀地分配屋顶重量，使各层承载木料之间接触面增大，从而缩短横梁跨度，减小挤压应力和弯曲应力。因此，古代中国的许多建筑物，如1056年建造的山西应县木塔等，至今保存完好。桥梁一类建筑中，中国人最早采用浅拱桥。隋朝工匠李春在开皇（581～600）中期设计和建造的赵州桥，应用浅拱结构，长50.82米，跨径达37.4米，宽10米，至今完好无损。这种浅拱形式的结构，即使从现代结构优化理论来要求，也是合理的。武器制造方面，弓箭是从石器时代起出现的，至迟在西周初期已制成弩机。宋代发明了火药武器。这种武器包括：原始的“火炮”，用抛石机、弓弩将火药抛射出去；“突火枪”，以燃烧的火药将铁石发射出去；“火箭”，从初期的带燃烧药料的箭到13世纪初发明以火药喷射推进的真正的火箭。火药武器在实践中为抛射体力学的理论发展积累了资料。古代中国不仅制造了单机弩，还制造了能连续发射几支箭的连机弩。沈括还设想在弩机的“望山”上标出刻度，以提高射箭的准确性。1621年明代茅元仪在所著《武备志》中描述了一种类似二级火箭的所谓“火龙出水”。有些玩器也有深刻的力学意义。据《酉阳杂俎》载，汉高祖刘邦在公元前206年进入咸阳宫中，宫中有一种灯，“高七尺五寸，下作蟠螭，以口衔灯，灯燃则鳞甲皆动，炳焕若列星”。这是利用燃烧加热空气，造成气流，使轻小物体（如鳞甲）发生运动。后来宋代发明走马灯，它的燃烧热空气流，使轻小物体（如纸马）旋转，可说是近代燃气轮机的始祖。以上各种文物、器具、技术和工程中的事例反映出中国古代不同时期对力学的感性认识和实践经验。它们只有上升、提高成为理性认识和科学理论，才能更好为解决实际工程技术问题服务，终因中国几千年的封建专制和缺乏思辨的传统而未能做到这一步。
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