关于中国古代的力学

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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。

杠杆与平衡

战国时期大思想家庄周 (369－286BC) 在《庄子·外篇·天地》中有一则故事：“子贡南游于楚，反于晋。过汉阴，见一丈人方将为圃畦，凿隧而入井，抱瓮而出灌，搰搰呼用力甚多而见功寡。子贡曰：‘有械于此，一日浸百畦，用力甚寡而见功多，夫子不欲呼？’为圃者仰而视之曰：‘奈何？’曰：‘凿木为机，后重前轻，掣水若抽，数如泆汤，其名为槔’”在《庄子·天运篇》中又说：“颜渊问师金曰：‘子独不见夫桔槔呼？引之则俯，舍之则仰。’”从这些描述，可见到庄子时代已普遍用一种类似杠杆的提水工具桔槔了。

大约在同一时期大思想家墨翟在他的著作《墨经》中记载了杠杆平衡的定量原理。他的理论简述如下：在《经下》一章中说：“天（衡）而必正，说在得。”在《经说下》一章中说：“衡，加重于其旁，必捶。权、重，相若也相衡。则本短标长，两加焉，重相若，则标必下，标得权也。”在这几句话中，“衡”是秤杆；“权”是秤锤；“捶”字通“垂”字；“标”即“末”，亦即秤杆细小的一端。

做功的应用

滑轮，古代人称它“滑车”。应用一个定滑轮，可改变力的方向；应用一组适当配合的滑轮，可以省力。滑轮的另一种形式是辘轳。把一根短圆木固定于井旁木架上，圆木上缠绕绳索，索的一端固定在圆木上，另一端悬吊水桶，转动圆木就可提水。只要绳子缠绕得当，绳索两端都可悬吊木桶，一桶提水上升，另一桶往下降落，这就可以使辘轳总是在做功。

惯性原理

在春秋末年的著作《考工记》有“马力既竭，輈犹能取也”的描述。意思是说，在马拉车时，马不走了，即马对车不施力了，车子还有前进的趋势，或即车子还可以前进一小段路。这是关于惯性最早的阐述。

张恒地动仪原理，据学者们考证，张衡在当时已经利用了力学上的惯性原理，“都柱”实际上起到的正是惯性摆的作用。都柱就是倒立于仪体中央的一根铜柱，八道围绕都柱架设。都柱竖直站立，重心高，一有地动，就失去平衡，倒入八道中的一道。八道中装有杠杆，叫做牙机。杠杆穿过仪体，连接龙头上颌。都柱倾入道中以后，推动杠杆，使龙头上颌抬起，将铜丸吐出，起到报警作用。

运动、相对性原理

我国近代的大思想家严复在他翻译的《天演论》自序中说：“奈端动之例三，其一曰，静者不自动，动者不自止，动路必直，速率必均。此所谓旷古之虑，自其例出，而后天学明、人事利者也。而《易》则曰，乾，其静也专，其动也直。”严复这段话的大意是，牛顿三定律的第一定律说，不受外力时，静者恒静，动者恒动，且走匀速直线运动。牛顿定律一提出，天文清楚了，在人间也有许多应用。但是《易经》上早就说过“乾，其静也专，其动也直。”据他看，牛顿第一定律，在春秋时期便已经提得很清楚了。不管怎样，说明古代中国对惯性定律已有朴素的认识。

在宋朝修的大型类书《太平御览》，摘录了已失传的汉代刘安的著作《淮南万毕术》中的一段事：“艾火令鸡子飞。”并注解说：“取鸡子去其汁，燃艾火（于）内空卵中，疾风高举自飞去。”英国学者李约瑟曾解释说：17世纪的欧洲人，欢度复活节时，曾作过蛋壳升空的游戏。其法极简单，但要有点诀窍。先将蛋黄、蛋清由小孔吸尽，将壳烘干。然后由小孔注入少许水，并以蜡封小孔。这样的蛋壳在炎日下逐渐呈不稳状态，逐渐变轻而终于浮漂起来。这是因为水蒸发，壳内气体膨胀，空气先通过壳上微细小孔排出。待小孔蜡经日晒而溶化，小孔成了排气孔，蛋壳内蒸汽适足使壳升空一个极短时间，待蒸汽排尽，空气再渗入后，壳即行落下。

这段故事中蛋壳起飞的原理是壳中水加热到沸点后，水蒸汽从小孔喷出，水蒸汽的反作用力使蛋壳起飞。利用同样的原理，中国人在宋代发明了焰火、火龙出水、爆杖以及后来的火箭。这实际上是现代喷气推进原理的早期萌芽。

张力的应用

抛石机在古代是一种攻守城池的有力武器，用它可抛掷大块石头，砸坏敌方城墙和兵器；而越过城墙进入城内的石弹，可杀伤守城的敌兵，具有相当的威力。这种抛石机除了抛掷石块外，还可以抛掷圆木、金属等其它重物，或用绳、棉线等蘸上油料裹在石头上，点燃后发向敌营，烧杀敌人。抛石机的原理非常简单，它实际上是一种依靠物体张力（如竹、木板弯曲时产生的力）抛射弹丸的大型投射器。

明代宋应星在《天工开物》一书中描述了测量引力的方法：“以足踏弦就地,秤钧搭挂弓腰，弦满之时,推移秤锤所压，则知多少。”书中还记述了风帆与船横面的比例对风力的影响，风帆高度与受力大小的关系；详细分析了“抢风”（风从横面来）的风向、航向和张帆方向之间的关系；论述了舵的长短对航力大小、舵的方向对船的运动方向的影响。

磨在中国古代的发展可以看作力学史的一个缩影。早在新石器时代，人们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辗压谷物，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,用驴驘牛马及役水而舂,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 (?～38) 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。水排包括动力机械、传动机械和工作机械三个组成部分，在机械结构上水排比水磨更复杂，而原理相同。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。

桥梁、水利与土木建筑

河北赵州安济桥，位于河北赵县城南5里，为隋匠人李春所建，成于隋开皇大业年间 (594－605年)，是现存世界上最古老、跨度最大的敞肩拱桥。桥的主孔净跨37.02米，净矢高7.23米，栱腹线的半径为27.31米，栱中心夹角。桥形很扁，桥总长50.83米，宽9米。大栱之上两侧各有二小拱。

佛宫寺释迦塔，俗称应县木塔，山西省应县城内佛宫寺内。塔为八角形，外观五层，内有暗层四级，所以实际为九层。塔高67.13米，塔底直径30米。建于1056年（辽代清宁2年），是世界上现存最古老的木结构塔式建筑。塔建在4米高的两层石砌台基上，内外两排立柱构成双层套筒式结构，柱与柱之间还有大量水平构件，暗层内又有大量斜撑，使双层套筒内外层紧密结合连成一体。其柱不是直接插入地中而是搁置于石础之上。在连接上采用了传统的斗栱结构，为不同部分的特殊需要分别设计了50余种不同形式的斗栱。由于结构上的合理性，近千年间经历了12次6级以上的大地震，迄今安然无恙。

来源：人民教育出版社网站