书城历史物理:物理研究状况
21119800000014

第14章 对斜面原理的运用

斜面是简单机械的一种,可用于克服垂直提升重物之困难。距离比和力比都取决于倾角。如摩擦力很小,则可达到很高的效率。

我国先民发现,通过斜面牵引重物到一定高度,可以比直接将该物举到同样高度要省力。因此,古人将这一原理运用到建筑、农具制造和农田整治等生产实践中。

在古代建筑中,常应用木楔或金属楔。楔子是尖劈的一种,人们常用它加固各种建筑物和器具。

据记载,在唐代苏州建造重元寺时,工匠疏忽,一柱未垫而使寺阁略有倾斜。若是请木工再把寺阁扶正,费工费事又费钱。寺主为此十分烦恼。一天,一位路经此地的外地僧人对寺主说:“不需费大劳力,请一木匠为我做几十个木楔,可以使寺阁正直。”寺主按照他的话,一面请木工砍木楔,一面摆酒盛宴外地僧人。饭毕,僧人怀揣楔子,手持斧头,攀梯上阁顶。只见他东一楔西一楔,几根柱子楔完之后,就告别而去。10多天后,寺阁果然正直了。小小几个尖劈,作用却这样巨大!尖劈是斜面的一种具体形式。原始社会时期,人们打制或磨制的各种石制或骨制工具中,都不自觉地利用了尖劈的原理。

尖劈能以小力发大力,以小力得到大功效。而且尖劈两面的夹角越小,以同样大的原动力就可收到更大的功效。因此,尖劈发展成为尖利的锋刃,如针、锥、铁钩等物。随着建筑材料的进步,各种尖劈也以青铜、铁或钢铁制成。

王充在《论衡·状留》篇中写道:

针锥所穿,无不畅达;使针锥末方,穿物无一分之深矣。

可见人们在理论上也知道尖劈原理。

尖劈在机械工程中应用普遍。古代榨油机被称为“尖劈压机”就是一例。在该机架上垒叠方木,在方木的间隙打入长楔,以挤压预先置于方木油槽中的油料。

尖劈原理的另一个重大历史应用是犁的发明。犁中的铧是翻土的主要部件。犁铧以铸铁为之,多为等边三角形,两边削薄成刃,其前端交为犁锋,也即尖劈。

铧多为拋物线形斜面,其功用在于将犁铧所起之土翻向一侧。在犁这一农耕工具中,尖劈与斜面都用上了。今天,虽然犁的外形、大小、质地、发动力等方面有所改进,而犁铧、犁的基本形状及机制却没有改变。

斜面的力学原理和尖劈相同。人们在推车行走于平地和上坡时,就会发现用力不同。

成书于春秋战国之际的《考工记·辀人》记载:推车上坡,要加倍费力气。用双手举重物到一定高度和用斜面把同样的重物升到同一高度,自然后者容易得多。

《荀子·宥坐》记载:人们不能把空车举上3尺高的垂直堤岸,却能把满载的车推上高山。这是为什么?因为高山的路面坡度斜缓。这正是斜面物理功用的最好总结。

古人对斜面原理的运用还体现在农田整治上。作为一个农业古国,我国古代劳动人民在治理坡耕地方面采取了很多有效措施,而修筑梯田就是山丘地的农民运用斜面原理的典型例子。

梯田最早出现在史前时期。起初人们清除森林或小山顶,以便种植一些粮食作物,或者作为防御工事。如广西龙脊梯田,始建于元代,完工于清代初期,在机械普及以前就很有规模了。