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中國古代對力學有哪些應用?

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槓桿原理(圖片提供:Shutterstock)
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中國古代的力學以實踐為主,如槓桿、物體的相對運動、浮力與比重、建築力學、彈性定律、大氣壓等力學原理均是對生活實踐的歸納總結。

 

槓桿原理是力學之中最基本的原理,在中國秤的發明就是應用這一原理。在一根槓桿上安裝吊繩作為支點,其一端掛上重物,另一端掛上砝碼或秤錘,就可以秤量物體的重量。桔槔及各種與滑輪轆轤結合的機械工具都是槓桿原理的產物。滑輪,古稱「滑車」,一般用來改變力的方向,應用一組適當配合的滑輪,可以省力。從戰國開始,滑輪已成為其中一種作戰器具。滑輪的另一種形式是轆轤,大概起源於商末周初,多用來取水。

 

在相對運動中,選取不同的坐標就有不同的運動結論。中國古代有刻舟求劍的故事,深刻地闡釋了這一原理。在物理學上,決定空間位置或運動與否必須有一個參考坐標。古人在判斷「天」與「地」或日月星體的相對運動時,曾展開了一場長達二千餘年的爭論──天地左右旋轉爭論。

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石刻天文圖碑
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沉浸在液體中的物體都受到液體的浮力作用,曹沖以舟稱象正是古代利用浮力的一種實踐。除了以舟稱物,以舟起重也是中國人的發明。古代中國人創造了測定液體濃度或比重的方法,而利用浮子測定液體濃度的方法則可以追溯至宋代。到了元代,陳椿所記述的「蓮管」與近代浮子式比重計類似。

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曹沖

曹沖,字倉舒,是曹操和環夫人生的孩子,從小聰明乖巧,深得曹操喜愛。建安十三年(公元208年),曹沖病危不治,時年13歲。

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「蓮管」

「蓮管」測試法是將液體濃度分為四等,即四等鹹,分別是:最鹹為一等,濃度為l00%;三分鹹一分水為二等,濃度為75%;半鹹半水為三等,濃度為50%;一分鹹二分水為四等,濃度為33%。在這四種鹹中分別浸透各個蓮子,這是測定其他溶液濃度的「浮子」。將裝有這些浮子的竹筒注入待測溶液,看它們的浮沉狀態,溶液濃度就相應地被測定,這個竹筒被稱為「蓮管」。

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「蓮管」是古代浮子測定器
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矩形樑木的高與寬的比數是建築力學和材料力學中的一個重要數據。到了北宋晚期,建築師已經找到了高與寬比數的科學定量結論。將作監李誡在主持京城和皇宮建築的基礎上編著了《營造法式》一書,提出「廣三分」、「厚二分」的數據。

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李誡

李誡,字明仲,鄭州管城(今河南新鄭)人。從元佑七年(1092年)至其卒止,曾兩度入將作監任職。他所編著的《營造法式》一書始纂於1094—1098年間,成書於1103年,他死後三年才刻版印刷成書。全書共36卷,其中圖樣6卷。此書系統地總結了中國歷代的營建工程的經驗,為後世留下有關建築學和材料學方面的豐富史料。

許多固體材料在外力作用下會產生形狀變化,當外力撤銷時,它又恢復其原來形狀,這在物理學上稱為彈性變形。使用彈性變形的弓箭,不僅在中國有悠久歷史。宋應星在《天工開物》中將測量弓弩剛度的過程為「試弓定力」,並畫圖展示。在此基礎上,古人發現了彈性定律:在一定彈性限度內,彈性物體在外力作用下,其變形量的大小與作用其上的外力成正比。

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《天工開物》繪「試弓定力」圖
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古人的生產活動常常與利用大氣壓有關,古人創造的隔山取水灌溉法便是其中一例。大約從北魏開始,古代的一種計時器銅壺滴漏上開始使用「喝鳥」,以便將上壺水引至下壺。當時人們雖然以多種方式利用大氣壓的作用,但卻沒有對大氣壓的理性認識。直到明代,方以智的學生揭暄在註解《物理小識》時才初步表達了氣體有巨大壓力的概念。

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「喝鳥」

喝鳥是一根彎曲的空心竹筒,只要在開始時將該竹筒造成局部真空,插入水中,竹筒就能將池水引上岸,這是對大氣壓存在的證明之一。

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古代中國人很早便懂得應用大氣壓從事生產活動
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Last updated:
2019-11-19

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