古代力学
力学知识源于对自然现象的观察和劳动。我国古代劳动人民在长期的生产实践中,积累了丰富的力学知识,取得了丰硕成果。
古代力学所取得的成就是多方面的。不仅掌握了基本的力学法则,对物体的动静状态及重心和平衡有着深刻的认识,还在简单机械运用方面涌现了许多关于斜面、杠杆、滑轮的发明创造,又在固体物理学方面发现了弹性定律和研究了晶体。
这些科技成果,拓宽了物理学研究领域,有力地推动了社会和科学技术的进步。
力是物理学中很重要、很基本的概念,它的形成在物理学史上经过了漫长的时间,后来物理学家才对它作出准确的定义。
我国古人通过对力的研究,掌握了基本的力学法则,还认识到浮力原理、水的表面张力、虹吸现象及大气压力等,并留下了丰富的史料。
曹冲是曹操的儿子,自小生性聪慧,五六岁的时候,智力就和成人相仿,深受曹操喜爱。
有一次,东吴的孙权送给曹操一头大象,曹操带领文武百官和小儿子曹冲,一同去看。曹操的人都没有见过大象。这大象又高又大,光说腿就有大殿的柱子那么粗,人走近比一比,还够不到它的肚子。
曹操对大家说:“这头大象真是大,可是到底有多重呢?你们哪个有办法称它一称?”这么大个家伙,可怎么称呢?大臣们纷纷议论开了。大臣们想了许多办法,一个个都行不通,真叫人为难了。这时,从人群里走出一个小孩,对曹操说:“父亲,儿有一法,可以称大象。”曹操一看,正是他最疼爱的儿子曹冲,就笑着说:“你小小年纪,有什么法子?”曹冲把办法说了。曹操一听连连叫好,吩咐左右立刻准备称象,然后对大臣们说:“走,咱们到河边看称象去!”众大臣跟随曹操来到河边。河里停着一艘大船,曹冲叫人把象牵到船上等船身稳定了,在船舷上齐水面的地方,刻了一条痕迹。
再叫人把象牵到岸上来,把大大小小的石头,一块一块地往船上装,船身就一点儿一点儿往下沉。等船身沉到刚才刻的那条痕迹和水面一样齐了,曹冲就叫人停止装石头。
大臣们睁大了眼睛,起先还摸不清是怎么回事,看到这里不由得连声称赞:“好办法!好办法!”现在谁都明白,只要把船里的石头都称一下,把重量加起来,就知道象有多重了。
曹操自然更加高兴了。他眯起眼睛看着儿子,又得意洋洋地望望大臣们,好像心里在说:你们还不如我的这个小儿子聪明呢!
曹冲称象的方法,正是浮力原理的具体运用。其实在浩瀚的我国史籍中记述了各种各样的力,其中不乏有趣的故事,古人对力的认识是值得称道的。
在甲骨文中,“力”字像一把尖状起土农具耒。用耒翻土,需要体力。这大概是当初造字的本意。
《墨经·经上》最早对力作出有物理意义的定义:力是指有形体的状态改变;如果保持某种状态就无需用力了。
墨家定义力,虽然没有明确把它和加速度联系在一起,但是他们从状态改变中寻找力的原因,实际上包含了加速度概念,它的意义是极其深刻的。
战国初期成书的《考工记·辀人》最早记述了惯性现象。它描述赶马车的经验:在驾驭马车过程中,即使马不再用力拉车了,车还能继续住前行一小段路。
对重力现象最早作出描写的是《墨经·经下》。它指出,当物体不受到任何人为作用时,它做垂直下落运动。这正是重力对物体作用的结果。
在力学中有一条法则:一个系统的内力没有作用效果。饶有趣味的是,我国古人发现和这有关的现象惊人地早。
《韩非子·观行篇》中最早提出了力不能自举的思想:“有乌获之劲,而不得人肋,不能自举。”据说是秦武王宠爱的大力士,能举千钧之重。但他却不能把自己举离地面。
东汉时期王充也说,一个身能负千钧重载,手能折断牛角,拉直铁钩的大力士,却不能把自己举离地面。然而,这正是真理所在。
力气再大的人,也不能违背上述那条力学法则。因为当自身成为一个系统时,他对自己的作用力属于内力。系统本身的内力对本系统的作用效果等于零。
在我国关于浮力原理的最早记述见于《墨经·经下》,大意说:形体大的物体,在水中沉下的部分很浅,这是平衡的缘故。这一物体浸入水中的部分,即使浸入很浅,也是和这一物体平衡的。表明墨家已懂得这种关系。他们是阿基米德之前约200年表达这一原理的。
浮力原理在我国古代得到广泛应用,史书上也留下了许多生动的故事。据记载,战国时燕国国君燕昭王有一头大猪,他命人用杆秤称它的重量。结果,折断10把杆秤,猪的重量还没有称出来。他又命水官用浮舟量,才知道了猪的重量。
除了用舟称物之外,用舟起重是我国人的发明。这方面的例子也有很多。对于液体的表面张力现象古人也有认识。表面张力是发生在液体表面的各部分互相作用的力,它是液体所具有的性质之一。表面薄膜、肥皂泡、球形液滴等都是由于表面张力而形成的。据记载,明熹宗朱由校玩过肥皂泡,当时人称它“水圈戏”。方以智说:“浓碱水入松香末,蘸小蔑圈挥之,大小成球飞去。”水的表面张力虽然不算大,但是如果把像绣花针那样的比较轻的物体小心地投放水面,针也能由于水的表面张力而不下沉。我国古代的妇女们就利用这种现象于每年农历七月初七进行“丢针”的娱乐活动。
明代学者刘侗的《帝京景物略·春场》中在记述“丢针”时写道,由于“水膜生面,绣针投之则浮”。这些话表明当时的人们已经提出了表面张力的物理效应的问题。
古人对大气压力也有认识。虹吸管一类的虹吸现象,就是由于大气压力而产生的。虹吸管,在古代叫“注子”、“偏提”、“渴乌”或“过山龙”。
东汉末年出现了灌溉用的渴乌。西南地区的少数民族用一根去节弯曲的长竹管饮酒,也是应用了虹吸的物理现象。宋代曾公亮在《武经总要》中也有用竹筒制作虹吸管把被峻山阻隔的泉水引下山的记载。在生产和生活的实践中,我国古代还应用了唧筒。宋代苏轼的《东坡志林》中,曾经记载四川盐井中用唧筒来把盐水吸到地面。
正是由于广泛使用了虹吸管和唧筒一类器具,有关它们吸水的道理也就引起了古代人的探讨。比如南北朝时期成书的《关尹子·九药篇》中说:有两个小孔的瓶子能倒出水,闭住一个小孔就倒不出水。
这个现象完全是真实的。因为两个小孔一个出水,一个可以同时进空气,如果闭住一个小孔,另一个小孔外面的空气压力就会比瓶里水的压力大,水就出不来了。
唐代医学家王冰曾经用增加一个小口的空瓶灌不进水的事例,说明是因为瓶里气体出不来的缘故,这也是符合实际的。
宋末元初道教学者俞琰在《席上腐谈》卷上中又补充了前人的发现。他说在空瓶里烧纸,立即盖在人腹上,就能吸住。
这就是现在大家熟知的拔火罐,由于纸火把瓶里的一部分空气赶出瓶外,火熄灭后瓶里就形成负压,也就是说造成一定的真空,瓶外的空气压力就把瓶紧紧地压在人腹上。如果把这种造成一定真空的瓶放进水里,水就立即涌入瓶里。
明代学者庄元臣在《叔苴子·内篇》又补充了一个例子,他说把空葫芦口朝下压入水中,就会发现水并没有进入葫芦里,这是因为葫芦里有空气的缘故。