葛芳 秦中奎

【摘 要】力學在物理學史上具有極為重要的地位，雖然我國古代并沒有“力學”這一詞，但是并不影響古代人積累其技術經(jīng)驗和力學知識。只是古代中國人缺乏邏輯推理和應用數(shù)學解決物理問題的基本訓練和傳統(tǒng)，沒有形成一個系統(tǒng)的理論體系罷了，并不是“中國古代無力學，因此亦無力學史”。本文以力學的不同領域為橫坐標，以古人的生產(chǎn)技術、生活用具、房屋構造以及詩詞歌賦等為縱坐標，在力學的不同領域中又以各個朝代為線，對我國古代的力學發(fā)展進行整體的論述。

【關鍵詞】力學 簡單機械 杠桿 滑輪

一、緒論

1.“力學”的古代詞義演變

物理學中的“力學”一詞，在中國古代并不具有現(xiàn)在科學上的含義。宋代周密的筆記《齊東野語》和元代的《金史·張行簡傳》的典籍中都有“力學”一詞，但是它們是“努力學習”的意思。在明清時期留下的地名中，有個“力學胡同”。每逢科舉歲月，這里住著來自全國各地的儒生，他們中大多數(shù)在此用功念書，以待進士考課，此胡同因此得名。

在鴉片戰(zhàn)爭之后，不僅有《重學》專書出版，而且將重學分為靜重學、動重學、水重學、氣重學、流質重學、天重學，也就是現(xiàn)在所謂的靜力學、動力學、水力學、氣體力學、流體力學、天體力學各分支。直到1866年，美國教士北京京師同文館教習丁韙良在《格物入門》中才將Mechanics翻譯成力學。但是，在京師同文館刊刻《格物入門》之后，力學一詞并未被普遍接受。直到1900年，當日本教材大量地傳播到我國并被譯成中文出版時，“力學”一詞才被中國人所接受。

2.中國古代力學發(fā)展

從北京周口店挖掘出來的石器表明，50萬年前的北京猿人，已經(jīng)會打擊石塊，人們已領悟到鋒刃和尖劈的作用，制造了各種尖狀器和刮削器，如斧、鑿、鏟、針、鉆等。某些這類器物還裝有柄，表明杠桿已被使用。在距今約10萬年前尚無弓箭的時代，人們發(fā)明了“拋石索”，以將石球拋射。后來，人們創(chuàng)造了弓箭、箭鏃，利用天然纖維加工成繩索，人類從狩獵生活逐漸過渡到畜牧業(yè)。在距今約7000年的浙江河姆渡文化中已經(jīng)有了大批的木構建筑和榫卯接合的經(jīng)驗，這些表明了靜力學的初步知識已經(jīng)開始指導當時的建筑師。距今五六千年的仰韶文化中，有以草泥為主的混合材料建筑，有一種符合重心原理的提水陶罐。正是因為來源于清貧者之中，墨家接觸更多的是民眾的生活。力學，本身就是產(chǎn)生于社會大眾的一種學問。在先秦之前就有了原始的木質尖狀耕作器，即耒耜。[5]人們“斷木為杵，掘地為臼”，制造簡單的石磨、石棍，從而杠桿、沖撞及磨壓的力學應用在生活和生產(chǎn)中開始擴大。從陶器的制作中，人們初步知道了某些有關旋轉運動的知識。

漢代從漢武帝時起，社會經(jīng)濟有了很大的恢復和發(fā)展：普遍使用牛耕、推廣鐵質農(nóng)具、改進耕作技術、興修水利，使農(nóng)業(yè)有了較大的發(fā)展。在手工業(yè)方面，首先是冶鑄鐵的技術有了極大提高，燃料煤的使用、鼓風設備的改進，使當時能大量生產(chǎn)鐵質農(nóng)具、兵器和生活用具。從漢迄唐，雖政體時分時合，有興有衰，但科學技術總在緩慢發(fā)展之中。

二、中國古代對簡單機械的認識和應用

1.杠桿

第一，中國古代人類使用杠桿的事實依據(jù)。杠桿是人類最先使用的簡單機械，最早可以追朔到舊石器時代。當原始人拾起一根棍棒，并以此企圖撬動一塊石料時，他們實際上就是在使用杠桿。在距今約7000年左右的浙江余姚河姆渡文化遺址中，發(fā)現(xiàn)有石鏟、骨耜；在新石器時代，許多石制工具裝上了木柄；在甘肅永昌鴛鴦池遺址中發(fā)掘的新石器時代的石刃、骨刃，美觀、鋒利而有鑿柄孔，這已經(jīng)不是將木柄和石具用天然纖維捆束在一起，而是將木柄裝入鑿孔之中。這些考古發(fā)現(xiàn)表明，新石器時代的人們已在實踐中懂得了杠桿的經(jīng)驗法則：裝上木柄，延長力臂，儉省力氣。杠桿原理表現(xiàn)在被人們廣泛應用的桔槔、踏和衡器等上。

第二，簡單介紹桔槔的結構和記載桔槔的書籍。桔槔是一種取水機械，是不等臂杠桿，古籍上又稱之為頡槔。據(jù)說，商湯時賢臣“伊尹始作桔槔”。將一長木支撐于一根立柱上，使其支點的兩端長度不等，就造成了簡單的桔槔。桔槔的一端系有繩索、吊桶，另一端常捆扎一石塊，以助人拉舉重物。據(jù)西漢劉向的《說苑·反質》記載：春秋末年，鄭國大夫鄧析出游，曾下車教農(nóng)夫使用桔槔灌溉農(nóng)田。在《莊子·外篇·天地》中也記載了一種汲水工具，戽斗。由兩個人拉住兩邊的繩子擺動著斗，把低處的水送到高處的天地里去，它運用的是力的分解和平衡原理。因此，桔槔不僅被古人用來提水，墨家還將它改造成戰(zhàn)斗機械。公元前五世紀的春秋時，輔佐越王勾踐的范蠡，在兵書中寫有：“飛石重十二斤，為機發(fā)行三百步?！边@種“機”就是利用杠桿原理所制的拋石機。

2.滑輪

滑輪，古代稱為“滑車”。外國傳說，滑車出現(xiàn)在阿基米德之前（公元前300年）。然而，據(jù)史料記載，在此之前我國早就有了這類簡單機械。如《物原》記載：“史佚始做轆轱”（史佚是公元前1100年周代初年的史官）。據(jù)《左轉·成公十六年》（公元前575年）載：“楚子登巢車以望晉軍”。又據(jù)《通典》記載：“以八輪車上樹高桿，桿上安轆轱……亦謂之巢車，如鳥之巢?！保ā锻ǖ洹窞樘瞥庞幼?，成書于公元766-801年）

轆轱是滑輪的另一種形式，可能產(chǎn)生于商末周初。它常被用作井中提水的工具，其主要部件是一根短圓木，其一端有曲柄。圓木上繞繩索，可繞其固定軸轉動。當轆轱用于提水時，繞在其上的繩子的兩端均可系吊水桶，只要兩股繩逆順交轉于轱筒。這樣，達到轆轱總是做有用功的目的。這樣的轆轱稱之為雙轆轱、花轆轱或復式轆轱。方以智就轆轱起重省力一事寫到：“凡引重，用一轆轱省力倍，以筒筒圓木，入滑汁其中，以繩卷筒上。其力更省。”在轆轱轉筒和軸之間加入潤滑油，方以智稱之為“入滑汁其中”。

根據(jù)史籍和實物，我們可以知道：早在春秋期之前，我國勞動人民已經(jīng)使用了桔槔、滑車和轆轱，后來記入文獻，并科學地歸并入一類。[7]其中“巢車”就是將滑輪和轆轱等機械歸為一體的總稱?！掇o海》中繪有巢車圖，巢車是一種專門用來觀察敵情瞭望車，車底部裝有輪子，可以推動，在雙支架桿上裝定滑輪，跨繞繩索，一端吊筐籃，另一端繞與絞車上，攻城時可用于觀察城內(nèi)敵兵的情況。在歷史上就有好多這些事例：公元前575年鄢陵之戰(zhàn)時，楚共王曾經(jīng)在太宰伯州犁的陪同下，親自登上巢車察看敵情。