中國(guó)古代對(duì)力學(xué)的研究

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力學(xué)知識(shí)起源于古代人對(duì)自然現(xiàn)象的觀察和生產(chǎn)勞動(dòng)中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),并逐步發(fā)展為生產(chǎn)技術(shù)和初步的自然哲理,這在東西方古代都是如此。
    在我國(guó)古代,手工工藝技術(shù)成果遠(yuǎn)比經(jīng)驗(yàn)性的理論總結(jié)突出得多,這是中國(guó)古代對(duì)力學(xué)研究的主要特點(diǎn)。從時(shí)間來看,大體可分為春秋戰(zhàn)國(guó)、兩漢、宋明三個(gè)高潮。
    (1)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期(公元前770~前221年)
    公元前316年,蜀守李冰修建都江堰,“正面取水,側(cè)面排沙”,其飛沙堰工程巧妙地利用了彎道環(huán)流,說明當(dāng)時(shí)測(cè)河水流量、了解泥沙規(guī)律等水力學(xué)知識(shí)及水利工程已有相當(dāng)?shù)乃?,成都平原二千多年來始終受益。
    傳為齊人著的《考工記》,是記錄我國(guó)古代農(nóng)具、兵器、樂器、炊具、酒具、水利、建筑等古代手工藝規(guī)范的專著,現(xiàn)存版本中如《裘氏》、《筐氏》、《雕氏》等篇內(nèi)容已散佚。其中慣性現(xiàn)象的記述[“馬力既竭,輈(zhōu,指車轅)猶能一取焉”],車輪大小與拉力的關(guān)系(輪太低,馬總是像上坡一樣費(fèi)勁),箭羽影響箭飛行速度的關(guān)系(“后弱則翔,中強(qiáng)則揚(yáng),羽豐則遲”),檢驗(yàn)?zāi)玖蠌?qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)方法[如“置而搖之,以視其蜎(yuān,蠕動(dòng)程度)],“橫兩墻間,以視其橈之均”,“橫而搖之,以視其勁”),以及堤壩設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)尺寸等,都反映了我國(guó)當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)水平。
    與《考工記》幾乎同時(shí)的《墨經(jīng)》,則進(jìn)一步得出一些初步的力學(xué)哲理(如“奮”、“衡”、“本”、“標(biāo)”、“重”、“權(quán)”等),給力下了比較科學(xué)的定義:“力,刑(形)之所以奮也?!笨上н@一形成科學(xué)的抽象思維進(jìn)程在后世沒有順利繼續(xù)下去。
    這一時(shí)期是以記錄與積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為主,也形成了初步哲理。
    (2)兩漢到五代時(shí)期(前206~960)
    簡(jiǎn)單機(jī)械逐漸發(fā)展為精巧的或大型的聯(lián)合機(jī)械,如張衡的水運(yùn)渾天儀、候風(fēng)地動(dòng)儀,西漢未巧工丁緩(公元1世紀(jì))的“被中香爐”是世界上已知最早的常平支架,祖沖之(429~500年)的水磨等等。
    隋代造船業(yè)已很發(fā)達(dá),如隋煬帝的龍舟已高40尺,寬50尺,長(zhǎng)200尺。李春主持建造的河北洨河趙縣安濟(jì)橋(公元595~605年),跨度(37.02米),弧度最淺(拱矢高7。23米),至今1300多年,下沉水平差只有5厘米,說明實(shí)用結(jié)構(gòu)力學(xué)發(fā)展的水平。浮力的利用甚多,如:浮橋的建造[唐李吉甫:“以船為腳,竹篾亙(gèn,橫貫。)之”,“架黃河為之”];東晉僧人惠遠(yuǎn)在廬山造蓮花漏作為記時(shí)工具:“取銅葉制器,狀如蓮花,置盆水之上,孔底漏水,半之則沉”,即蓮花漏由孔底進(jìn)水到一半時(shí)就逐漸下沉,“每一晝夜十二沉”,非常巧妙。還有的曹沖稱象故事,在陳壽著《三國(guó)志》卷二十及《江表傳》中均有記載。
    上述種種成就,集之于書的不多,北齊信都芳曾“集渾天、地動(dòng)、攲器、漏刻諸巧事并畫圖名曰器準(zhǔn)”,但已散失。
    這一時(shí)期帶有直覺經(jīng)驗(yàn)型的物理哲理性著作是王充的《論衡》,在他的著作中對(duì)于運(yùn)動(dòng)的疾舒(快慢)、力與運(yùn)動(dòng)、物與運(yùn)動(dòng)、內(nèi)力與外力的關(guān)系等作了敘述。其次是運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性概念,晉天文學(xué)家束皙(261~303年)說過:“乘船以涉水,水去而船不徙矣”(《隋書·天文志》);晉葛洪(283~363年),號(hào)抱樸子,在其著作《抱樸子·內(nèi)篇·塞難》中說:“游云西行,而謂月之東馳?!薄稌x書卷十一天文志》更將這一相對(duì)運(yùn)動(dòng)的思想用于解釋天體運(yùn)行:“天旁轉(zhuǎn)如推磨而左行,日月右行,隨天左轉(zhuǎn),故日月實(shí)東行,而天牽之以西沒。譬之蟻行磨石之上,磨左旋而蟻右去,磨疾而蟻遲,故不得不隨磨以左回焉?!庇袠O大價(jià)值的是至少成書于東漢時(shí)代的《尚書緯·考靈曜》(著者不詳,收入明代孫毅編纂的《古微書》卷一《尚書緯》),該書在提出“地有四游,冬至地上行北而西三萬里,夏至地下行南而東三萬里,春秋二分是其中矣”的同時(shí),提出了論斷:“地恒動(dòng)而人不知,譬如閉舟而行,不覺舟之運(yùn)也?!边@種對(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的觀點(diǎn),《考靈曜》比伽利略的《對(duì)話》至少早約1500年。此觀點(diǎn)說明我國(guó)古代物理思想達(dá)到過的高度。
    這一時(shí)期在機(jī)械、水力等技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上物理思想活躍,但時(shí)物理現(xiàn)象很少作定量敘述。
    (3)宋元明時(shí)期(960~1644)
    我國(guó)古代技術(shù)成就極為豐富,但往往著述不詳或流散失傳,只知其名而不知其詳,因而許多“巧器”歷代都有人重新“創(chuàng)制”。如由仰韶文化時(shí)期尖底陶罐發(fā)展而成的攲器,“虛則攲,中則正,滿則覆”(《茍子·宥坐》),是由于重心由高變低而又變高而致的,晉人杜預(yù)、南北朝祖沖之,魏、隋、唐、宋都有多人試制,指南車也有東漢張衡、三國(guó)馬鈞、祖沖之、宋燕肅、吳德仁等多人多次制成或未成。后魏時(shí)有郭善明與馬岳同時(shí)研造,郭未成但妒嫉,見馬岳垂成,便用毒酒殺之。而燕肅造這種憑靠齒輪傳動(dòng)使木人手指方向不變的指南車遇困難時(shí),出門“見車馳門動(dòng)而得其法”(宋陳師道《后山叢談卷一》),這也是從機(jī)械原理中悟出的??上У氖峭蚬糯宋蚨词龌蚴龆鳌S浝锕能囈彩抢脗鲃?dòng),使車輪走滿一里時(shí)有一齒輪轉(zhuǎn)滿圈并撥動(dòng)小人打鼓一次。這說明我國(guó)手工制造中齒輪構(gòu)造等工藝相當(dāng)嫻熟,但直到宋代才記載較詳。
    蘇頌(1020~1101)和韓公廉1092年建成了我國(guó)古代型的先進(jìn)天文鐘樓“水運(yùn)儀象臺(tái)”,其結(jié)構(gòu)詳細(xì)載于蘇頌《新儀象法要》中,它涉及天文、力學(xué)、機(jī)械制造,其中有相當(dāng)于鐘表擒縱器的“天衡”,是保證等時(shí)性的杠桿裝置。元代郭守敬(1231~1316)在天文儀器制造的種類(簡(jiǎn)儀、仰儀、定時(shí)儀、日月食儀等十幾種)、結(jié)構(gòu)和精度方面達(dá)到很高水平。
    宋代曾公亮(997~1087)在《武經(jīng)總要》這一軍事著作中除記載兵工機(jī)械、槍炮、軍用油泵(“猛火油柜”)等外,還在《尋水泉法》中詳載了虹吸管(“渴烏”),它在《后漢書·張讓傳》及唐代《通典》中都有記載,包括“取大竹去節(jié)”,“油灰黃蠟固封”竹首插入水中五尺”,燒火使“火氣潛通”入水,“則水自中逆上”等。
    河北石家莊隆興寺的轉(zhuǎn)輪藏建于北宋,人在臺(tái)上繞軸走動(dòng)時(shí)輪藏會(huì)緩慢地反向轉(zhuǎn)動(dòng),這實(shí)際上是動(dòng)量矩原理的應(yīng)用。
    宋應(yīng)星(1587~1644(?))的《天工開物》是明代農(nóng)業(yè)和手工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的百科全書,在卷十五《佳兵篇》中記述了測(cè)試弓弦彈力大小的方法:“凡試弓力,以足踏弦就地,秤鉤搭掛弓腰,弦滿之時(shí),推移秤錘所壓,則知多少”,方法十分巧妙。該書在我國(guó)失傳300年,于1926年才由日本找回翻印本。
    總的來說,我國(guó)古代力學(xué)知識(shí)與古代精湛的工藝技術(shù)往往密不可分,但各時(shí)期對(duì)技術(shù)知識(shí)的整理匯集、研究提高、保存流傳都未受到重視,致使技術(shù)特別是科技理論不能代替人力形成明顯的生產(chǎn)力,科舉八股把教育與知識(shí)分子的注意力引到文字游戲或仕途官場(chǎng)上。一方面是大量生產(chǎn)知識(shí)與技術(shù)積累而又散失,缺乏系統(tǒng)整理,一方面是經(jīng)驗(yàn)性的定性的力學(xué)概念始終帶有思辨色彩(如“氣”、“道”、“理”),缺乏數(shù)學(xué)的定量引用和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),因此經(jīng)典力學(xué)理論只能等待西方傳入。