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中国古代的力学知识
在中国古代有丰富的力学知识。
简单机械
杠杆、滑轮和斜面,物理学上称作简单机械。
原始社会时期的工具:1.石铲;2.骨耜,3.石镰;4.石锄;5.石斧。
杠杆的使用或许可以追溯到原始人时期。当原始人拾起一根棍棒和野兽搏斗,或用它撬动一块巨石,他们实际上就是在使用杠杆。石器时代人们所用的石刃、石斧,都用天然绳索把它们和木柄捆束在一起;或者在石器上凿孔,装上木柄(如图左)。这表明他们在实践中懂得了杠杆的经验法则:延长力臂可以增大力量。
杠杆在中国的典型发展是秤的发明和它的广泛应用。在一根杠杆上安装吊绳作为支点,一端挂上重物,另一端挂上砝码或秤锤,就可以称量物体的重量。古代人称它“权衡”或“衡器”。“权”就是砝码或秤锤,“衡”是指秤杆。迄今为止,考古发掘的最早的秤是在长沙附近左家公山上战国时期楚墓中的天平。它是公元前四到三世纪的制品,是个等臂秤。不等臂秤可能早在春秋时期就已经使用了。古代中国人还发明了有两个支点的秤,俗称铢秤。使用这种秤,变动支点而不需要换秤杆就可以称量比较重的物体。这是中国人在衡器上的重大发明之一,也表明中国人在实践中完全掌握了阿基米德杠杆原理。
《墨经》一书最早记述了秤的杠杆原理。《墨经》是战国时期以鲁国人墨翟(约前468—前376)为首的墨家著作。墨翟和他的弟子们以刻苦耐劳、参加生产、勇敢善战著称。因此,他们的著作中留下了许多自然科学知识。
《墨经》把秤的支点到重物一端的距离称作“本”(今天通常称“重臂”),把支点到权一端的距离称作“标”(今天称“力臂”)。《墨经·经下》中说:第一,当重物和权相等而衡器平衡时,如果加重物在衡器的一端,重物端必定下垂,第二,如果因为加上重物而衡器平衡,那是本短标长的缘故:第三,如果在本短标长的衡器两端加上重量相等的物体,那么标端必下垂。(“衡,加重于其一旁,必垂。权、重相若也相衡,则本短标长,两加焉,重相若,则标必下。”)墨家在这里把杠杆平衡的各种情形都讨论了。他们既考虑了“本”和“标”相等的平衡,也考虑了“本”和“标”不相等的平衡;既注意到杠杆两端的力,也注意到力和作用点之间的距离大小。虽然他们没有给我们留下定量的数字关系,但这些文字记述肯定是墨家亲身实验的结果,它比阿基米德发现杠杆原理要早约二百年。
桔槔也是杠杆的一种。它是古代的取水工具。作为取水工具,一般用它改变力的方向。为其他目的使用时,也可以改变力的大小,只要把桔槔的长臂端当作人施加力的一端就行。春秋战国时期,桔槔已成为农田灌溉的普通工具。
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。至少从战国时期开始,滑轮在作战器械、井中。提水等生产劳动中被广泛应用。传说公元前四世纪,巧匠公输般为季康子葬母下棺,创制了转动机关(见《礼记正义》卷十),可能就是指的滑轮。汉代画像砖和陶井模型都有滑轮装置。
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作功。辘轳大概起源于商末周初(公元前十一世纪)。据宋代曾公亮(998—1073)著《武经总要前集》卷十一《水攻·济水府》,周武王时有人以辘轳架索桥穿越沟堑的记载。唐代刘禹锡(772—842)描写了他亲自所见的一种叫“机汲”的提水机械,它是把辘轳和架空索道联合并用,以便把山下流水一桶桶地提上山顶,既浇出地又省力(《刘梦得文集》卷二十七《机汲记》)。
最早讨论滑轮力学的还是《墨经》。《墨经·经下》把向上提举重物的力称作“挈”(qí),把自由往下降落称作“收”,把整个滑轮机械称作“绳制”。《墨经》中说:以“绳制”举重,“挈”的力和“收”的力方向相反,但同时作用在一个共同点上。提挚重物要用力,“收”不费力。若用“绳制”提举重物,人们就可省力而轻松。(“挈与收反。”“挈,有力也;引,无力也。不必所挚之止于施也,绳制之也。”)又说:在“绳制”一边,绳比较长,物比较重,物体就越来越往下降:在另一边,绳比较短,物比较轻,物体就越来越被提举向上。(“挈,长重者下,短轻者上。”)又说:如果绳子垂直,绳两端的重物相等,“绳制”就平衡不动。(“绳下直,权重相若则正矣。”)如果这时“绳制”不平衡,那么所提举的物体一定是在斜面上,而不是自由悬吊在空中。我们对于墨家的丰富的力学知识就不能不赞佩!
尖劈能以小力发大力。早在原始社会时期,人们所打磨的各种石器,如石斧、石刀、骨针、镞等等,都不自觉地利用了尖劈的原理。墨家在讨论滑轮的功用说到它省力时,就把它比喻作“锥刺”。汉代王充说:“针锥所穿,无不畅达:使针锥未方,穿物无一分之深矣。”(《论衡·状留篇》)墨家和王充等人清楚地知道尖劈原理的经验法则。
在日常生活中常应用的尖劈之一是楔子,木楔或金属楔。人们常用它加固各种器具。唐代李肇讲过这样的故事:
在苏州建造重元寺时,工匠疏忽,一柱未垫而使寺阁略有倾斜。若是请木工再把寺阁扶正,费工费事又费钱。寺主为此十分烦恼。一天,一外地僧人对寺主说:不需费大劳力,请一木匠为我作几十个木楔,可以使寺阁正直。寺主听他的话,一面请木工砍木楔,一面摆洒盛宴外地僧人。饭毕,僧人怀揣楔子,手持斧头,攀梯上阁顶。只见他东一楔西一楔,几根柱子楔完之后,就告别而去。十几天后,寺阁果然正直了。(李肇:《唐国史补》卷中)
小小几个尖劈,作用却这样巨大!
斜面的力学原理和尖劈相同。人们在推车行平地和上坡时发现用力不同。成书于春秋战国之际的《考工记·辀(zhōu)人》中说:“登阤者,倍任者也。”这就是说,推车上坡,要加倍费力气。用双手举重物到一定高度和用斜面把同样的重物升到同一高度,自然后者容易得多。《荀子·宥坐》中说:“三尺之岸而虚车不能登也,百切之山任负车登焉。何则?陵迟故也。”人们不能把空车举上三尺高的垂直堤岸,却能把满载的车推上百切高山。这是为什么?因为高山的路面坡度斜缓(“陵迟”)。这正是斜面物理动用的最好总结。
重心和平衡
要使物体平稳地置于桌面上,就要考虑它的重心和平衡的问题。从物理学观点看,通过物体的重心和桌面垂直的线(或面)要维持在这一物体的支持面里:否则,这一物体就很容易倒下。在日常生活中涉及重心和平衡的例子随手可拾。商代的酒器斝(jiǎ)有三足,它的重心总是落在三足点形成的等边三角形里。西汉中山靖王刘胜墓出上的朱雀铜灯,体现了工匠关于重心的巧妙构思。东汉铜奔马,三足腾空,一足落地。但是它的重心刚好落在支撑足上,因此,即使支撑面很小,看来好像容易倾倒,其实是稳定平衡的。在杂技表演中走绳的演员手握长杠或持雨具;单臂撑的演员,他的两腿总要弯过自己的头顶。这些道具或造形,不仅在于美和险的结合,让人惊心动魄,更重要的是演员必需采取的安全措施:保持自己的重心和平衡。
孔子作欹器注水实验。(采自《孔子家语图》)。
大概在西周时期,聪明的工匠制造了一件盛水的“欹器”。“欹”(qī)的意思是倾斜。它可以随盛水的多少而发生倾斜变化。不装水时,它成倾斜状态:装上一半水时,就中正直立;装满水时,它就自动翻倒,把所盛水倒出。《荀子·宥坐》把它描写作“虚则欹,中则正,满财覆。”所以会出现这种现象,是由于敬器的重心随盛水的多少而发生变化的缘故。有一天,孔子(前551—前479)在鲁庙中见到这种欹器,立即让他的弟子们注水实验。然后,他感慨地说:“吁!恶有满而不覆者哉!”意思是告诫弟子,要谦虚,切戒自满。汉代以后。不断地有人制造各种欹器,充分体现中国人掌握了有关的力学知识。
隋唐时期,或许由于饮酒之风盛行,人们制作了一种劝人喝酒的玩具,经匠心雕刻的木头人,称作“酒胡子”。把它置于瓷盘中,“臲(niè)�(wù)不定”、“府仰旋转”、“缓急由人”。(见王定保著:《唐摭言》卷十二《海敍不遇》)也有用纸制作的,“糊纸作醉汉状,虚其中而实其底,虽按捺而旋转不倒也。”(见赵翼(1727—1814)著:《陔余丛考》卷三十三)现在把这些玩具叫不倒翁。另一种劝酒器,虽叫不倒翁,但转动摇摆后最终会倒下。宋代张邦基说:“木刻为人,而锐其下,置之盘中,左右欹侧,僛(qī)僛然如舞之状,久之力尽乃倒。”(张邦基:《墨庄漫录》卷八)这种玩具指向某人或倒向某人,某人当饮酒。
从这些历史文献记载中可以看出,前一种不倒翁的重心略低于木头人下半圆的中心,后一种略高于下半圆的中心,由于它们重心位置不同,造成它们左右摇摆后的不同后果。而古代人把它们制成半圆形下身,并且“虚其中而实其底”,正说明他们有意识地利用重心位置和平衡的关系。
西汉初年(公元前二世纪)成书的《淮南子·说山训》曾就本末倒置而造成不平衡的现象总结说:“下轻上重,其覆必易。”
东汉王充对平衡问题作了极好的论述:“圆物投之于地,东西南北无之不可,策杖叩动,才微辄停。方物集地,一投而止,及其移徒,须人动举。”(《论衡·状留篇》)“策杖”是赶马用的木棍。圆球投落地面,东西南北随遇滚动,只有用棍子制止它,它才会静止一会儿。方形物体投落地面,立即就静止在那儿。如果要它移动,就需要施加外力。这些现象正是力学中随遇平衡和稳定平衡的典型例子。
力
力是物理学中很重要、很基本的概念,它的形成在物理学史上经过了漫长的时间,直到十七、十八世纪,物理学家才对它作出准确的定义。
在甲骨文中,“力”字像一把尖状起土农具来。用耒翻土,需要体力。这大概是当初造字的本意。
《墨经·经上》最早对力作出有物理意义的定义:“力,刑之所以奋也。”“刑”通“形”,表示一切有生命的物体。“奋”的原意是鸟张开翅膀从田野里飞起,墨家用它描述物质的运动或精神的状态改变,如同今日常用词“奋飞”、“奋发”“振奋”等含义一样。由此可见,墨家定义力是指有形体的状态改变;如果保守某种状态就谈不上奋,也就无需用力了。《墨经》还举了一个例子,从地面上举起重物,就要发“奋”,需要用力。(力,重之谓。下,与,重奋也。”“与”是“举”的省文。)墨家定义力,虽然没有明确把它和加速度联系在一起,但是他们从状态改变中寻找力的原因,实际上包含了加速度概念,它的意义是极其深刻的。
在浩瀚的中国历史典籍中记述了各种各样的力,其中人们对惯性力和重力的认识是值得称道的。
战国初期成书的《考工记·辀人》最早记述了惯性现象。它描述赶马车的经验,说道“:劝登马力,马力既竭,辀犹能一取焉。”“劝登马力”就是赶马车,劝马用力。辀指小车。这句话的意思是,在驾驶马车过程中,即使马不再用力拉车了,车还能继续住前一小段路。
对重力现象最早作出描写的是《墨经·经下》。它指出,凡是重物,上不提挚,下无支撑,旁无力牵引,就必定垂直下落。(“凡重,上弗挈,下弗收,旁弗劫,则下直。”)这就是说,当物体不受到任何人为作用时,它作垂直下落运动。这正是重力对物体作用的结果。
在力学中有一条法则:一个系统的内力没有作用效果。饶有趣味的是,中国人发现和这有关的现象惊人地早。《韩非子·观行篇》中最早提出了力不能自举的思想:“有乌获之劲,而不得人肋,不能自举。”乌获,据说是秦武王宠爱的大力士,能举千钧之重。但他却不能把自己举离地面。
东汉王充也说:“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。”(《论衡·效力篇》)似乎很可悲,一个身能负千钧重载、手能折断牛角、拉直铁钩的大力士,却不能把自己举离地面。然而,这正是真理所在。再大力气的人,也不能违背上述那条力学法则。因为当自身成为一个系统时,他对自己的作用力属于内力。系统本身的内力对本系统的作用效果等于零。否则,今天就不会有这样的口头禅来嘲讽一个人的能耐是有限的:“你有本事,你也不能揪着自己的头发使自己离地三寸。”
刻舟求剑
船、河岸和水三者之间谁在运动?天和地、月和云谁在运动?这是古代人最关心的运动学问题。这里既涉及参考坐标的重要性,也和相对运动问题有关。
船、河岸和水三者谁在运动的问题,曾经几乎同时困扰了古代东西方的哲人。古希腊亚里士多德(前384—前322)曾经提出,停泊在河中的船实际上处于运动之中,因为不断有新水流和这船接触。“不能同时踏进同一条河”的命题就是由此而来的。古代中国人以自己的思考方式回答这些问题。
晋代天文学家束皙(xī)解释“仰游云以观月,月常动而云不移”的现象说:“乘船以涉水,水去而船不徒矣。”(见《隋书·天文志上》)这个立论方式恰和亚里士多德相反。束皙认为,运动着的船实际上是不运动的,如果过江时一直保持船和河岸垂直指向对岸,船和河床的相对位置就不改变。把参考坐标取在过江线或河床上这时就得出“水去而船不徙”的结论。另一种看法是,让船和水同速漂流,把参考坐标取在整个水流上,船对于水也不发生位置移动。
从物理学看,决定空间位置或物体运动与否必需有一个参考系。否则,就会“东家谓之西家,西家谓之东家,虽皋陶(yáo)为之理,不能定其处。”(《淮南子·齐俗训》)连古圣皋陶都不能断定是非。不清楚参考坐标的人,就像“刻舟求剑”一样胡涂。
刻舟求剑的故事出于战国末期吕不韦(?—前235)主持编纂的《吕氏春秋》。它所包含的物理意义是极其深刻的。这个故事说:有一个楚国人乘船过江,他身上的佩剑不小心掉落江中。他立即在船舱板上作记号,对他的船友说:“这是我的剑掉落的地方。”到了河岸,船停了,他就在画记号的地方下水找剑。“舟已行矣,而剑不行。求剑若此,不亦惑乎?”(《吕氏春秋·慎大览·察今篇》)这样找自己的剑,不是犯胡涂吗?从故事编纂者的口气看,他是知道怎样找到掉落江中的剑的。从物理角度看,找到这把剑有几种办法:第一,记下掉落位置离岸上某标志的方向和距离。这就是说,以河岸作为参考坐标。第二,在船不改变方向和速度的情况下,记下剑掉落时刻、船速和航行时间,据此求出靠岸的船和剑掉落地点的距离。这就是说,以船作为参考坐标。
参考坐标选取适当与否,对解决运动学和动力学中的问题是很重要的。在相对运动中,选取不同的坐标就有不同的运动结论。
前面提到过的束皙曾说:“仰游云以观月,月常动而云不移。”(《隋书·天文志上》)晋代葛洪(283—363)说:“见游云西行,而谓月之东驰。”(《抱朴子内篇·塞难》)南朝梁元帝萧绎(508—554)的诗《早发龙巢》提到在行船舱板上人们的感觉说:“不疑行舫动,唯看远树来。”(见丁福保编:《全汉三国晋南北朝诗》下册《全梁诗》卷下,中华书局1959年版,第957页)敦煌曲子词中有句:“看山恰似走来迎”(见王重民辑《敦煌曲子词集》(修订本),商务印书馆1956年版,第31页)。由于参考坐标的关系,原来不动的物体都成为运动的了。这是并不奇怪的。令人惊奇的是,这些极其典型的相对运动的事例,很早就成为中国文人笔下的力作佳句。
然而,古代人在判断“天”和“地”的相对运动时,并不像上述事例那么简单明了。在古代人看来,“天左旋,地右动。”(《春秋纬·元命苞》)也就是说,以天上星体的东升西落(左旋)来证明地的右旋运动。汉代王充在《论衡·说日篇》中提出了另一种看法:日月是体实际上是附着在天上作右旋运动的,只是因为天的左旋运动比起日月星体的右旋运动来要快,这才把日月星体当成左旋。这种情形就像蚂蚁行走在转动着的磨上,人们见不到蚂蚁右行,而只看见磨左转,因此以为蚂蚁也是左行的。(“当日月出时,当进而东旋,何还始西转?系于天,随天四时转行也。其喻若蚁行于硙上,日月行迟天行疾,天转日月转,故日月实东行,而反西旋也。”)《晋书·天文志》中也说:“天旁转如推磨而左行,日月右行,随地左转,故日月实东行,而天牵之也西没,譬如于蚁行磨石之上,磨左旋而蚁右去,磨疾而蚁迟,故不得不随磨以左回焉。”我们暂且不管“天”是什么,是否在运动,仅从物理学看,王充等人的思想是高明的,他们不仅看到了相对运动,而且还企图以相对速度的概念来确定运动的“真实”情况。
在历史上,许多人参加了这场左右旋的争论。到了宋代,由于理学大师朱熹的名气,他所坚持的“左旋说”又占了上风。这场争论,长达二千多年。直到明代,伟大的科学家朱载墒作出物理判决之后,还争论未了。朱载堉说:“左右二说,孰是耶?曰,此千载不诀之疑也。人在舟中,蚁行磨上,缓速二船,良驽二马之喻,各主一理,似则皆似矣。苟非凌空御气,飞到日月之旁,亲睹其实,孰能辨其左右哉?”(《律历融通》卷四《黄钟历议·五纬》,载《乐律全书》)天和地、人和舟、蚁和磨、快慢二船、良驽二马,如果没有第三者作参考坐标,就很难辨明它们各自的运动状态。从物理学看,两个彼此作相对运动的物体A和B,既可以看作A动B不动,也可以看作B动A不动。这两种看法都有效。若要争论它们的运动方向或推动谁静,那真是“千载不决之疑”。朱载堉的回答完全符合运动相对性的物理意义。然而,朱载堉不明白,即使飞到日月旁,也不能“辨其左右”,而只能回答“似则皆似矣”。
以相对运动的观点来解释天地的运动,在古代的东西方都是一致的。但像朱载堉那样对相对运动作出物理判决的人,在西方只有比朱载靖稍后的伽利略算是最早的。
要解决地静还是地动的问题,关键是要提出令人信服的证据证明地动的不可觉察性。这样,才能牢固地确立地动的观念。完成这任务,在近代物理学史上是伽利略的功劳。然而,古代中国人却从经验事实中总结出这一伟大的发现。
早在汉代成书的《尚书纬·考灵耀》中说道:“地恒动不止,而人不知。譬如人在大舟中,闭牖(yǒu)而坐,舟行而人不觉也。”关闭的船舱,在物理学著作中被看成是最普通、最易被理解的近似的惯性系统。在一个封闭的惯性系统里,无论什么样的力学实验都不能判断这一系统是处在静止状态还是在作匀速直线运动。这个原理又称“伽利略相对性原理”。可是,在伽利略之前大约一千五百年,中国人就提出了这个原理的最古老的说法。这是中国科学史上最伟大的理论成就之一。
浮力
沉浸在液体中的物体都受到液体的浮举作用。在中国关于浮力原理的最早记述见于《墨经·经下》,大意说:形体大的物体,在水中沉下的部分很浅,这是平衡的缘故。这一物体侵入水中的部分,即使浸人很浅,也是和这一物体平衡的。这种情况就像市上的商品交易,一件甲种商品可以换取五件乙种商品一样。(“荆(形)之大,其沈(沉)浅也,说在具(衡)。”“沈(沉)、荆(形)之具(衡)也,则沈(沉)浅,非荆(形)浅也。若易五之一。”)
《墨经》的这段文字,对浮力原理表达不确切。它没有看到浮体沉浸水中的部分正是这一物体所排开的液体,所排开的液体重量恰好等于浮力;是浮力和浮体平衡,而不是沉浸水中的部分和整个浮体平衡。但是,纵观整段文字,表明墨家已懂得这种关系。他们是阿基米德之前约二百年表达这一原理的。
浮力原理在我国古代得到广泛应用,史书上也留下了许多生动的故事。
曹冲称象
三国时期有个早卒的神童叫曹冲(196—208),他是曹操的儿子。他曾经提出“以舟称象”。没有现代的衡器而要称量几吨重的大象是令人为难的。曹冲说:把大象赶到船上,记下船在河中下沉的位置。然后,把大象拉上岸,把石头陆续装人船中,直到装载石头的船下沉到刚才那个记号为止。再分别称出船中石头的重量,石头的总重就是大象的重。(《三国志》卷二十《魏书·邓哀王冲传》)
曹冲称象的方法,正是浮力原理的具体运用。在中国历史上,据记载,有比曹冲更早的类似故事。东周燕昭王(?—前279)有一大猪,他命司衡宫用杆秤称它的重量。结果,折断十把杆秤,猪的重量还没有称出来。他又命水官用浮舟量,才知道猪的重量。(见《玉函山房辑佚书》卷七十一《苻子》)
除了用舟称物之外,用舟起重也是中国人的发明。据史籍记载,蒲津大桥是一座浮桥。它用舟做桥墩,舟和舟之间架板成桥。唐玄宗开元十二年(公元724年)在修理这桥时,为加固舟墩,在两岸维系巨缆,特增设铁牛八只作为岸上缆柱。每头铁牛重几万斤。三百多年后,到宋仁宗庆历年间(公元1041年到1048年),因河水暴涨,桥被毁坏,几万斤的铁牛也被冲人河中。这桥毁后二十多年,真定县僧人怀丙提出打捞铁牛、重修蒲津桥的主张。他打捞铁牛的方法是:在水浅时节,把两只大船装满土石,两船间架横梁巨木,巨木中系铁链铁钩,用这铁钩链捆束铁牛。待水涨时节,立即把舟中土石卸入河中。本来就水涨船高,卸去土石后船涨得更高,于是铁牛被拉出水面。(见《宋史·僧怀丙传》)另一记载和这方法稍有不同:在一只船上架桔槔,桔槔短臂端用铁链系牛,长臂端系在另一巨船上。待水涨时,在另一船上装满土石。这样,铁牛被桔槔从河底拉起并稍露水面。(见吴曾著《能改斋漫录》卷三《河中府浮桥》)
可能怀丙打捞铁牛用了这两种方法。怀丙是中世纪伟大的工程力学家。他创造的浮力起重法,曾在十六世纪由意大利数学家卡尔达诺(1501—1576)用来打捞沉船。
液体的表面张力现象
表面张力是发生在液体面上的各部分互相作用的力,它是液体所具有的性质之一。表面薄膜、肥皂泡、球形液滴等都是由于表面张力而形成的。
宋代张世南在《游宦纪闻》卷二中曾记载了一种检验桐油好坏的方法。他说:“验真桐油之法,以细蔑一头作圈状,入油蘸。若真者,则如鼓面就(mán)圈子上。渗有假,则不着圈上矣。”这种用竹蔑圈试桐油好坏的方法,虽然见于宋代的书籍,在这以前人们一定早已在应用了。
我们现在知道,液体能不能附着在这样的竹蔑圈上,和它的表面张力大小有关。而表面张力也和液体里含的杂质有关。液体含杂质,会使液体表面张力大大减小。因此,如果桐油里含的杂质比较多,它的表面张力比较小,就不能在竹篾圈上形成一层鼓面状薄膜。我国古代测试桐油好坏的方法,表明人们在实践中掌握了关于表面张力的科学道理。今天学校里给学生演示表面张力现象的常用仪器,也就是一个圆圈,只是一般不用竹蔑而用铁丝做成的罢了。
据载,明熹宗朱由校(1605—1627)玩过肥皂泡。当时人称它“水圈戏”。方以智(1611—1671)说:“浓碱水入秋香末,蘸小蔑圈挥之,大小成球飞去。刘若愚言,熹宗能戏,以水抛空中成圈。”(《物理小识》卷十二《水圈戏》)
水的表面张力虽然不算大,但是如果把像绣花针那样的比较轻的物体小心地投放水面(特别是布满气泡的水面),针也能由于水的表面张力而不下沉。我国古代的妇女们就利用这种现象于每年七月七日(农历)进行“丢针”的娱乐活动。明代刘侗(约594—约1637)、于奕正合写的《帝京景物略》一书卷二《春场》中在记述“丢针”时写到,由于“水膜生面,绣针投之则浮。”这些话表明当时的人们已经提出了表面张力的物理效应的问题。
虹吸管和大气压力
虹吸管,在古代叫“注子”、“偏提”、“渴乌”或“过山龙”。东汉末年出现了灌溉用的渴乌。北魏道士李兰做称漏,也用了渴乌。西南地区的少数民族用一根去节弯曲的长竹管饮酒,也是应用了虹吸的物理现象。宋代曾公亮在《武经总要前集》卷六《寻水泉法》中,有用竹筒制作虹吸管把被峻山阻隔的泉水引下山的记载。
在生产和生活的实践中,我国古代还应用了卿筒。卿筒作为战争中一种守城必备的灭火器,在军事书中经常讲到。宋代苏轼(1037—1101)的《东坡志林》卷四中,曾经记载四川盐井中用卿筒来把盐水吸到地面,它说,以竹为筒,“无底而窍其上,悬熟皮数寸,出入水中,气自呼吸而启闭之,一筒致水数斗。”明代俞贞木的《种树书》中也讲到用唧筒激水来浇灌树苗的方法。
我们知道,虹吸管一类的虹吸现象是由于大气压力的作用而产生的。唧筒也是这样。正是由于广泛使用了虹吸管和卿筒一类器具,有关它们吸水的道理也就引起了古代人的探讨。
南北朝时期成书的《关尹子·九药篇》中说:“瓶存二窍,以水实之,倒泻,闭一则水不下,盖(气)不升则不降。”这里讲的有两个小孔的瓶子能倒出水,闭住一个小孔就倒不出水,这个现象完全是真实的。因为两个小孔一个出水,一个可以同时进空气,如果闭住一个小孔,另一个小孔外面的空气压力就会比瓶里水的压力大,水就出不来了。《关尹子》中说的“不升则不降”,虽然没有明确提出像现代科学上说的大气压力的作用,但是道理是一致的。
唐代的王冰在《黄帝内经·素问》卷十九《六微旨大论六十八》的注中,有关大气压力的物理现象就讲得更清楚了,他说:“虚管溉满,捻上悬之,水固不泄,为无升气而不能降也;空瓶小口,顿
毕升发明的活字印刷在我国际科技历史上有怎样的地位?王叔远雕刻核舟的技艺灵怪在哪里?
地位:作为中国古代“四大发明”之一,曾对世界文明进程和人类文化发展产生过重大影响。活字印刷的发明是印刷史上一次伟大的技术革命。
它在微小的物体上因势象形地雕刻出众多的人和物,刀法精细,布局巧妙,人物情态生动逼真,固然足以证明其“灵怪”,但这还只是外在的表象,一般人容易把握。核舟的“灵怪”主要表现在它通过精心的构思和栩栩如生的人物形象的刻画,用雕塑语言表现出“大苏泛赤壁”这一主题,从而给人以艺术美感的享受。在距作者王叔远五百多年前的壬戌秋冬,北宋文学大师苏轼曾两度与客泛舟夜游赤壁,为后世留下脍炙人口的前后《赤壁赋》。在名人和名篇早巳深入人心的情况下,再来反映这一题材难度很大。然而正是在这点上,表现出雕刻者非凡的功力。首先,雕刻者在史实的基础上,塑造了苏轼与黄鲁直、佛印同游赤壁的形象就是一个创举,使人耳目一新,比起《赤壁赋》的“有客”、“与客”的闪烁其词来,更觉真切动人。其次,借助“山高月小,水落石出”、“清风徐来,水波不兴”的对联,巧妙地把读者引进《赤壁赋》所创造的艺术境界,构成了核舟的广阔背景,大有“不着一字,尽得风流”的灵气。再次,所塑造的人物各具情态,栩栩如生,有主从,有呼应,无不与“泛赤壁”的主题契合。复次,“壬戌秋日”的题款,也曲折地传达出作者对前代风流的仰慕之情。文章的作者准确地把握并揭示了雕刻者的创作意图,因而使文章有灵秀隽永之致。
中国古代各什么伟大发明都是谁发明
中国古代发明
代表有:造纸术、印刷术、火药和指南针等。
建造行业
喻皓建筑 北宋初年 《木经》 喻皓--亦称预浩,是中国五代末年,北宋初年的建筑师。出生于杭州,他设计的最杰出的建筑是北宋国都汴梁(今河南省开封市)安远门内开宝寺中的灵感塔。他还写了一部木工手艺的书--《木经》,共 3 卷。他有造塔鲁班之称。
李春桥梁设计 605~617赵州桥李春—— 605~617 年,首创了在主拱图上设小腹拱的敞肩式拱桥。有名的赵州桥就是他设计的。
丁缓 发明家 汉代 被中香炉、常满灯、旋转风扇 丁缓——汉代,在 180 年生于长安。发明的物品有被中香炉、常满灯、旋转风扇,有长安巧工之称。
数学
南朝的祖冲之利用刘微的割图术更精确地算出了π——3.1415926〈π〈3.1415927
刘微 数学 225 ~ 295年 割图术 刘微--魏晋时期的刘微,发明了割图术的方法,他取л值3.14。他还发明了介线性方程组的新分法。提出了不定方程问题,建立了等差级数前几项和公式。刘微应和欧几里德、阿基米德相提并论。
朱世杰数学 元代 《四元玉鉴》 朱世杰--中国元代数学家。1299 年编撰成中国第一本算学启蒙,从四则运算到天元术,形成了较完整的体系。1303年,他又写成了 《四元玉鉴》,把天元术推广为“四元术”,这是一种高次方程的解法(最高可包括4个未知数)。欧洲到 1775 年才提出同样的解法 ——消元法。美国科学史家萨顿评价他所著的《四元玉鉴》是整个世界中最杰出的数学著作之一。
秦九韶数学 1202~1247 创叫爷爷一天一iiygjhgjjyhj立解一次同余式的“大 衍求一术”和求高次方程数值解的正负开方术 秦九韶—— 1202~1247 年,中国数学家。写有《数书九章》。
李治数学 测园海镜 李治——中国数学家,著有“测园海镜”是中国第一本系统改述“天元术”的巨书。
孙子 三国时期孙子算经孙子—— 300 年,乘余定理的起源一题为“物不知数”,写了“孙子算经”一书系统论述了筹算记数制。
天文学
张衡天文学 东汉时期 漏水转浑天仪、候风地动仪张衡--是中国东汉时期的天文学家。对在宇宙结构的认识上,张衡是浑天说的代表人物之一。他认为:天像个鸡蛋壳,地像鸡蛋黄,天大地小,他认为天壳之外还有无限的宇宙。张衡设计和制造了漏水转浑天仪、候风地动仪,并对日月星辰做了许多观测和分析。他测量出了太阳和月亮的角直径是周尺的1/736,即29'24'。他统计出在中国的中原地区能看到的恒星约有2500颗。国际天文学会为了纪念张衡对天文学的突出贡献,将月球上的一个环形山命名为“张衡环形山”。
郭守敬 天文学 元代 高表、玲珑仪、观象台计 16 种仪表 郭守敬--是中国元代杰出的天文学家。他创制了高表、玲珑仪、观象台计 16 种仪表,仪器专门测量天体使用。还制作了简仪,现存紫金山天文台。郭守敬测定了黄赤交角。法国科学家 Laplace 提出黄赤交角变小理论,引用的根据就是郭守敬的。丹麦天文学家第谷所做的同类测量比郭守敬晚300年。
石申 天文学 战国时期 第一部天文巨著“天文” 石申--战国时期的天文学家,石申第一部天文巨著“天文”。西汉后,人们尊称“天文”一书为“石氏星经”。书中标有 121 颗恒星的位置,书中还记有水、木、金、火、土五大行星的运行及交食等情况。石申编制了最早的星表。并称之“少阳”已认识到能自身发光。
刘焯 天文学 隋代 《皇极历》 刘焯--隋代天文学家。创制了《皇极历》,他首先考虑到了日、月视运动的不均匀性,创立了等间距二次差内插法。计算日月视运动的速度。同时他把差岁改为 75 年差一度。
一行 天文学 唐代 《大衍历》 一行--唐代天文学家。他编制出一部新的历法《大衍历》,它包括十篇历议,是古代非常先进的历法。早在公元前 13 世纪,中国人以太阳和月亮运动为依据,创立了一种阴阳历法。
杨忠辅 文学家 南宋时期 《统天历》 杨忠辅--中国南宋时期天文学家。他创制了《统天历》,他确定回归年长度为 365.2425 日。并发现回归年长度有消长现象。
洛下闳 天文学 汉代 赤道式仪器 洛下闳--中国汉代天文学家。改创了赤道式仪器,定下了赤道式浑仪的基本结构。
苏颂 天文学 宋代 天象仪 苏颂--中国宋代天文学家。和韩公廉合作制成了天象仪及水运仪象台,是中国古代第一架天象仪。有 8 人高,每层有门,一到时间门开,木人出来报时。(后面有漏壶和机械系统)。
机械
莘七娘 10 世纪 孔明灯,走马灯莘七娘——在10世纪时发明了松脂灯(孔明灯)作为打仗时的信号灯,这是中国人最早利用热气球。同时发明了走马灯,这是航空燃气涡轮的始祖。
马钧机械设计 三国时代龙骨水车(又叫翻车) 马钧——魏国人,杰出机械设计和创造家。三国时代创制了龙骨水车(又叫翻车),他能连续提水,灌溉用的水机具——桔槔。结构非常巧妙,有天下之名巧之称。
地质学
裴秀224~271 创立了绘制平面地图的理论“制图六体” 裴秀——在中国最早创立了绘制平面地图的理论“制图六体”。并绘制了《禹贡地域图》。
沈括 科学家 宋朝 石油命名最早由他提出 沈括—— 1031~1095 年,宋朝科学家,石油命名最早由他提出。沈括发现用细线系在磁针的中央(指南针),并将其悬挂起来。经过观察、发现,写进了他的著作《梦溪笔谈》中。以后人们把用磁铁制作的针成为指南针,还有指南桌。 13世纪到东方玩的意大利人马可、波罗见到了指南针,并把它传到了欧洲。
四大发明
蔡伦62~121 纸 蔡伦—— 62~121 年,蔡伦采用树皮、麻头、破布、旧鱼网为原料造纸成功。 105 年将此发明报皇帝。于 114 年被皇帝封为龙亭侯。当时人称纸为蔡侯纸。 12 世纪,造纸术间接传到欧洲。 13 世纪,蒙古人用蔡侯纸在波斯发行第一批纸币。 14 世纪,朝鲜、越南、日本也开始使用纸币。纸牌然后经由阿拉伯国家再传到欧洲。
毕升 1041~1048 活字印刷术 毕升—— 1041~1048 年,中国北宋人。发明了活字印刷术。
明 宋应星 《天工开物·火药》:“凡火药以硝石硫黄为主,草木灰为辅。硝性至阴,硫性至阳,阴阳两神物相遇於无隙可容之中,其出也,人物膺之,魂散惊而魄齏粉。” 清 和邦额 《夜谭随录·烽子》:“﹝予﹞乃取火枪火药下铅子,向妇人发之。” 毛泽东 《中国革命和中国共产党》第一章第一节:“在很早的时候, 中国 就有了指南针的发明。还在一千八百年前,已经发明了造纸法。在一千三百年前,已经发明了刻版印刷。在八百年前,更发明了活字印刷。火药的应用,也在 欧洲 人之前。”
物理
杜诗91~不祥 水力鼓风机 杜诗—— 91 年,河南人。首创了水力鼓风设备水排。即利用水力推动风扇鼓风。是世界上最早的水力鼓风机,比欧洲早了 1100 年。
浦元 三国时期 淬火技术 浦元—— 300 年,三国时期。首创淬火技术,使钢刀坚而有弹性。
墨子公元前 400 年 提出光是直线传播的论点 墨子——公元前 400 年,墨子一书论述了杠杆平衡,提出光是直线传播的论点。
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