中国科学技术史中的力学曹聪曹聪（（096150020）摘要我国著名科学家傅鹰说：“一门科学的历史是那门科学最宝贵的一部分，因为科学只给我们知识，而历史却能给我们智慧。

”我国是世界上五大文明古国之一，早在五千年前就有文字，在春秋战国后更有大量文献留存至今。

在世界力学发展史上独居特色。

从单位计量到时空观，从流体力学到材料力学，从力学应用到力学见解，无不透露出古人的智慧和力学成就。

尤其是力学在建筑，日常用具等应用中更是比比皆是。

但是总的来说，力学知识一直停留在应用上，宋元以前的理 论较多，但也多为说理，没有数学证明且少有实验支撑理论，宋元以后理论也一直落后于西方。

然而古代人在力学上所做的努力是不可磨灭的。

一、 基本的物理计量力学，作为一门研究空间与时间中物体运动和变化的实验科学，离不开计量及其单位。

在古代的贸易交换、天文历法、机械制作和工程兴建中，也离不开具有某种度量制度的测量计算。

中国古代把对长度、容量与重量的测量概括为“度量衡”。

现代力学计量包括时间、长度、质量三个基本物理量。

1、时间的计量时间的计量古代常用的计时单位是年、月、日、时、刻，其中日和时为最基本的时间单位。

是为时辰，刻为时以下的时间分度。

早在上古时代我们的祖先就创造了干支记日的方法。

以春秋时期鲁隐公三年（前722）二月已巳日直到宣统三年（1911），我国已有二千六百多年的干支记日历史，是世界上最长的连续记日法，保存了世界上最长也最完整的记日资料。

（1）除了干支记年外，为了避免发生混乱，日常生活中还同时使用着另一种数字计时方法。

目前发现最早的数字记日是1972年山东临沂银雀山出土的西汉竹简历谱。

（2）对一日之内时间的精确划分，古人采用十二时辰记时法。

一日分12辰，一辰相当于现代的2小时。

有的研究认为十二时辰是由太阳在天空中的十二个方向演化而来的。

（3）十二时个时辰与当今通用的二十四小时记时法有相应的地对应关系，子时对应23~1点，以此类推。

大约从东汉开始，将一个时辰中加入少、半、太三个时标。

（4）这样的记时法于今日的二十四小时记日法已经没有本质差别。

与十二时辰记时法并行使用的还有百刻时制。

百刻时制又称漏壶记时制，即采用日晷或漏壶将一昼夜划分为十时，一时分十刻，一昼夜共一百刻。

百刻制是我国独创的一种计时方法，它可能起源于殷商时期。

隋唐以后百刻制与十二时辰制配合使用，在这种时制中，“刻”平均相当于今天的14.4分钟。

（5）宋代又将一刻分为60等分，1/60刻即相当于今天的14.4秒。

根据不同的计时方法，测时仪器也有多种多样。

他们分别是圭表、日晷、漏刻、机械计时器。

最值得一提的是圭表，圭表实际上是用来测量子午线的。

古代中国人测量地球子午线的直接动机是为了验证历代传说的“日影一寸，地差千里”。

（6）对此提出质疑的隋代刘焯曾主张进行实地测量。

随后历代出现许多实地测量的案例。

最著名的是唐代的测量，其结果与今值有较大误差。

虽然如此，它却是世界上最早对地球子午线作出的实际测量，也是计量科学上第一次将人为规定的日常用尺和另一个自然地恒定数值作比较的尝试。

度量衡2、度量衡度量衡即是计量长短、容积、轻重的标准的统称。

度是计量长短，量是计量容积，衡是计量轻重。

多数观点认为早期度量单位的形成是选取某些自然物品，如人体、丝毛、农产品等为衡量基准。

因此，早期的度量单位显得杂乱无章。

纵观度量衡发展史，秦汉史一次重要转折。

春秋战国年间的度量衡十分混乱，秦始皇统一中国后，在商鞅变法的基础上推行统一度量衡的措施：“一法度量衡石丈尺，车同轨，书同文字。

（7）”显然，秦汉时期的度量衡已经制度化，标准器也趋于定型。

特别需要强调的是其长度与容量单位基本采用了十进制，还没有一个国家像中国一样就，早在公元前后就将先进的十进制进位数字方法引入度量衡的换算之中。

李约瑟对此曾给予高度评价。

他说：“在各个文明古国当中，中国人在这方面是独一无二的。

就其把十进制引进到度量衡中而言，他们尤其先进。

因此正如萨顿所说，欧洲一直到法国大革命的时候才开始这样做。

（8）”寻求自然常数的努力3、寻求自然常数的努力前面已经提到了古代中国人用圭表测定子午线长度这一寻求自然常数的努力。

另一件关于寻求自然常数的努力是以声波作为度量衡标准。

从汉代开始，有人提出，某种特制的律管可以作为度量衡的标准。

（9）律管，亦即管式音高标准器。

它一端为吹口，另一端为开口，中间无音孔。

在古人看来，聪耳人对于音高的感觉灵敏，律管一律定下，其度量衡也随之不易。

因此可以作为标准器。

用声音的高低来确定度量衡这一创举是非常先进的，直到近现代用一个物理量简单明了地测量表示另一个物理量才得以应用推广。

一、时空观和运动观时空观1、时空观时间，空间是物理学中两个带有根本性的普遍观念，自古以来就是哲学家和科学家十分关注和争论不休的的问题。

在中国古代，宇宙的含义就是时间和空间。

西汉成书的《尸子》中记载了战国时期的尸佼对空间和时间的定义：“四方上下曰宇，往古今来曰宙。

”（10）类似的表述在《墨经》中也可见。

中国古代认为时空是无限的，对时间的空间的有限性与无限性的统一关系也有精彩的论述。

庄子曰：“天与地无穷”，张衡说“宇之表无极，宙之端无穷。

”（11）中国的时空观，虽无近代物理学中的数学式，但是已经发展到了登峰造极的地步。

他远离牛顿的经典力学时空观，而接近相对论看法。

（12）运动观2、运动观对于机械运动，《墨经》有专门的记载，并对“运动”和“静止”观下了定义。

《经上》：“动，域徙也。

”《经上》：“止，以久也。

”（13）就是说，运动即是物体空间区域与位置的变动，静止是指物体在空间同一位置上处有一段时间。

对于平动，定义为“但（俱）止动。

”即物体上各处作同样运动。

而转动则是“偏祭（际）徙”即指边沿部分的转动。

（14）关于滚动，《考工记·轮人》及《墨经》上皆有记载意思是为环边上每一点相继与地面接触，也就是我们现在说的与地面相切。

对于自由落体运动，《墨经》中有所描述，虽没有数学验证，但它没有产生轻重不同的物体不同时落地的思想观念。

古人关于运动观最具特色的是关于运动相对性的研究，并得到了类似于后来伽利略的运动相对性原理。

在东汉时期成书的《尚书纬·考灵曜》中记述了：“地恒动而人不知，譬如人在舟中闭牖而坐，舟行而不觉也。

”（15）这里不仅明确的道出了大地在运动，而且揭示了这样一个原理：在一个惯性系统内，无法用任何力学实验来确定它处于静止或匀速运动。

这就是著名的伽利略运动相对性原理。

这种对运动相对性的观点，《考灵曜》比伽利略的对话至少早约1500年。

此观点说明我国古代物理思想达到过的高度。

古人对其他运动也有相关记载或应用，这些运动与应用有角速度概念的萌芽，回转运动：陀螺与平衡环，动量矩守恒原理在建筑中的应用，功和能德观念，箭矢飞行及其相关观念等。

对各种力得认识三、对各种力得认识力的定义1、力的定义我国古代人们对力的概念的认识最初是在人在推、拉、提、压、抛时的肌肉活动感到紧张，就认为肌肉对其他物体有力的作用。

最早对力作出定义的是《墨经》。

它写道：《经上》：“力，刑之所以奋也。

”《经说上》：“力重之谓下。

举重，奋也。

”（16）许多研究者都认为，这条文字是对力所作的定义。

但是，对它物理含义的深浅各家看法看法不一。

这时的“刑”同“形”，指的是人体、物体，“奋”在古汉语中的意思是多方面的，如由静到动、由慢到快，自下而上都可以用“奋”字。

由此可见，墨家已经将力与运动的原因联系起来了，并初步认识到力是使物体运动状态变化的原因，这是一个力的很正确的定义。

各种力与现象2、各种力与现象东汉王充认识到力有外力、内力之分，并将这种区分与物体运动状态改变的原因联系起来。

这一观点在《论衡·效力篇》可见。

东汉王充在《论衡》中指出：“力重不能自称，须人乃举”，“古之多力者，身能负荷千钧，手能决角伸钩，使之自举不能离地。

”这说明在我国的东汉时期或者更早就已经认识到内力不能改变物体的运动状态这样一个事实，对力的概念的认识又加深了一步。

关于力的作用点，合力，滚动摩擦力，惯性现象和惯性力在古籍中皆有记载。

在《淮南子》中，有相关力的作用点的结论，只要力的作用点处在关键位置或要害之处，即使支撑物很小，也可以支撑住很大的东西。

《墨经》中有类似有关合力和分力的描述，但相对较模糊。

在《考工记·轮人》中指出轮子的大小适中才能使滚动疾速。

惯性现象的最早记载也可见于《考工记》。

《考工记》写到惯性现象的一个典型例子：“劝登马力，马力既竭，辀犹能一取焉。

”（17）后代有更多的记载和说明，但没有得出相应的规律。

流体力学四、流体力学探讨浮力的规律1、探讨浮力的规律《庄子·逍遥游》写到：“且夫水之积也不厚，则其负大舟也无力。

覆杯水于坳堂之上，且芥为之舟；置杯焉则胶，水浅而舟大也”（18）这段文字表明，人们知道液体要有一定的深度，才能使相应的物体浮在它上面。

古人以自己的理论解释物体浮在水面的原因。

物体浮于水面，是因为“有势”或“自然之势”。

但是“势”的概念仍然是含混不清的。

东汉末年曹冲称象的故事告诉我们当时人们的确清楚地知道浮体所排开的水的重量等于浮体的重量。

浮力的应用2、浮力的应用沉浸在液体中的物体都受到浮力作用，这个现象在中国古代得到了充分运用。

古代中国人制造各种各样、用途不一、大小不同的船舶，还知道利用浮于水面的物体渡江。

公元3世纪末，秦始皇为收复岭南，修灵渠，联系长江与珠江两大水系。

灵渠的斗门为船闸先导，也是世界上最早的船闸通航工程。

（19）在工艺技术上人们用水浮法检验竹、木器物的结构是否均匀。

在农业生产中浮力被用来选种。

借助浮力起重是古代力学中的一大成就。

古代人利用浮力极为巧妙地将如此巨大的石头装置于桥墩上。

宋僧怀丙打捞牛，是浮力起重的典型事件。

关于水的比重，古代的描述主要是体积与重的关系，以及南北水重不同。

明代方以智在其著作《物理小识》中记载了异重液体的分层叠置现象。

（20）五、材料力学1、材料性质的认识材料力学时工匠们总结应用经验中发展起来的。

古代工匠们比较不同材料的性质，选择材料，他们还利用复合材料。

约公元前3000年，西安半坡人用草泥盖房。

（21）《考工记·弓人》描述了利用六种材料制作弓的过程。

古代人在运用材料，制造器物中获得了某些材料力学的基本概念，或发现了与这些概念密切的现象。

古代人还非常重视构件的断裂问题，同时，他们还利用断裂现象，先烧石后凿石使得凿石更为轻松。

2、弹性变形和弹簧定律众所周知，古代中国人发明了“锁簧”一类的片状弹簧。

在制造弓时测量弓的弹力是不可或缺的生产环节。

宋应星将此过程称为“施弓定力”，并图画示之。

他在《天工开物》卷十五《佳兵篇》中记述了测试弓弦弹力大小的方法：“凡试弓力，以足踏弦就地，秤钩搭挂弓腰，弦满之时，推移秤锤所压，则知多少”，方法十分巧妙。