关于中国古代的力学

挥之不去

力学知识起源于古代人对自然现象的观察和生产劳动中的实践经验，并逐步发展为生产技术和初步的自然哲理，这在东西方古代都是如此。

1. 中国古代力学的特点
力学在中国古代经历了持续而缓慢的发展。从距今170万年前的元谋人开始，到约1万年前出现的新石器时代，从各种原始的工艺技术，如陶器、弓箭、建筑、纺织和交通工具的制作中，开始孕育着力学的知识。

中国古代力学有两个发展高峰期：一在战国时期，一在宋代。前一个高峰期，在力学的应用方面可以和古希腊相媲美，在理论方面则稍逊色；后一个高峰期，取得了中世纪欧洲望尖莫及的成就。

但是，总的说来，在中国古代并没有出现一部专门的力学著作，力学知识散见于各种书籍之中。总的特点是：手工工艺技术成果远比经验性的理论总结突出得多（经验多于理论），器具制造多于数理总结。

西方的经典力学兴起以后，中国的力学相比落后了。这时期，来华的传教士经历了一番曲折，经典力学才真正输入中国；此后，中国的力学开始随同世界先进的科学技术潮流前进。

2. 记载力学知识的书籍
（1）《考工记》
公元前700-前400年，是春秋战国时期一部古代工艺技术的百科全书。力学知识主要有：

   · 关于惯性的记载；
   · 滚动摩擦的论述（马拉车力与轮大小的关系）；
   · 箭的结构、飞行与保持稳定的关系；
   · 力的测量、斜面受力分析（车上坡时）；
   · 记述了以改变发声体的大小厚薄而改变其声音（固有频率）的方法。

（2）《墨经》
公元前490-前403年，是春秋战国时期以鲁国人墨翟为首的墨家著作。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。与力学相关的知识有：

   · 力是运动的原因；
   · 分析了杠杆的平衡；
   · 给时间和空间下了定义，运动需要时间和空间；
   · 讨论了平动、转动和滚动；
   · 讨论了浮体的平衡、横梁承重、发丝拉伸破坏。

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。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。

《墨经》一书最早记述了秤的杠杆原理。

（3）《论衡》
汉代王充(公元29～97)。

   · 物体真实运动与视运动的快慢差别；“速率”的概念；
   · 物体运动快慢与物体本身重量的关系；
   · 力的作用问题。外力能使物体产生运动，而内力不能；
   · 人声是因喉舌鼓动空气而发生的，箫笙之声也是空气振动的结果。

（4）《天工开物》
明代宋应星(1587～?)。是世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作；是中国古代一部综合性的科学技术著作；有人也称它是一部百科全书式的著作；外国学者称它为“中国17世纪的工艺百科全书”。

与力学相关的知识：提水工具（筒车、水滩、风车）、船舵、灌钢、泥型铸釜、失蜡铸造、排除煤矿瓦斯方法、盐井中的吸卤器（唧筒）、熔融、提取法等。

（5）《武经总要》
宋代曾公亮(998～1078)。是北宋封建王朝用国家力量来编辑的一部大型综合性兵书，也是我国第一部官修兵书。详细记载了“指南鱼”的制作方法。

（6）《新仪象法要》
苏颂(1020～1101)。详细记载了“水运仪象台”的详细结构。

（7）《梦溪笔谈》
沈括(1031～1095)。记载了“约束”的概念。
……

3. 力学知识的应用
（1）古乐器
        力学知识：振动与频率。目前最早追溯到公元前5000～前6000年。

公元前443年的编钟

（2）提水机械——桔槔
        力学知识：杠杆原理。公元前770～公元265年。   

（3）记里鼓
        力学知识：运动学原理。三国时魏人马钧。利用原动齿轮带动大小不同的一套从轮，使车轮转动把车行的里数自动地表示出来。

（4）指南车
        力学知识：运动学原理。三国时魏人马钧。利用一套能自动离合的齿轮系统的定向装置，使得立在车上的木制人像的手永远指着固定的方向。

（5）浑天仪
        力学知识：运动学原理。以浑天说为理论基础制造的测量天体的仪器，是浑仪和浑象的总称。浑仪是测量天体球面坐标的仪器，而浑象是用来演示天象的仪表。
        中国浑仪的发明大约是在公元前4世纪至公元前1世纪之间（即战国中期至秦汉时期）。

（6）侯风地动仪
        力学知识：平衡理论、振动、运动学原理。东汉张衡（公元78至139年）。世界上第一台地震仪。

（7）水运仪象台（公元1086年）
        力学知识：运动学原理。以水为动力来运转的天文钟。台高约12米，宽约7米，最上层设置浑仪且有可以开闭的屋顶，中层是浑象,下层是报时系统。这三部分用一套传动装置和一组机轮联接起来，用漏壶水冲动机轮，带动浑仪、浑象、报时装置一起转动。可通过控制匀速流动的水，使浑仪和浑象的转动与天体运动保持同步。在报时装置中不仅可以显示时、刻，还能报昏、旦时刻和夜晚的更点。被英国的李约瑟认为“很可能是欧洲中世纪天文钟的直接祖先”。

（8）赵县安济桥
        力学知识：受力分析、平衡理论。建于公元595～605年，李春，河北。跨度最大（37.02米），弧度最浅（拱矢高7.23米），至今1300多年，下沉水平差只有5厘米，说明实用结构力学发展的水平。

（9）山西应县木塔
        力学知识：受力分析、平衡理论。建于公元 1056 年。现高65.86米、塔底直径以木柱外接圆计算为 33.15 米，平面呈八角形，有明层五层及明层间设平座层(暗层)四层，实际上是九层高耸木结构建筑。

（10）斗拱
     力学知识：受力分析、平衡理论。在中国古建筑中起着十分重要的作用，主要有三个方面：
         · 位于柱与梁之间，由屋面和上层构架传下来的荷载，通过斗拱传给柱子，再由柱传到基础。因此，它起着承上启下，传递荷载的作用。
         · 向外出挑，可把最外层的桁檀挑出一定距离，使建筑物出檐更加深远，造形更加优美、壮观。
         · 构造精巧，造形美观，又是很好的装饰性构件。

（11）辘轳
        力学知识：受力分析、平衡理论、运动学原理。约公元前1100年。是从杠杆演变来的汲水工具（井辘轳）和起重工具（绞车）。
        “绞车”一词，最早见于《晋书》，石季龙在东晋永和三年(347)发掘赵简子墓时挖及泉水,“作绞车以皮囊汲之”。北宋曾公亮著《武经总要》（成书于1044年）载绞车图,并说“绞车,合大木为床，……力可挽二千斤”。
        “井辘轳”应用的较早记载见于南唐李璟（916～961）《应天长》词：“柳堤芳草径，梦断辘轳金井。”元代王桢著《农书》（成书于1313年）和明代宋应星著《天工开物》(成书于1634年)都有井辘轳图。

还有很多，这里不再列举……

参考文献与资料
1.苗同臣：《力学与工程概论》课程，2015-2020
2.武际可：力学史，重庆：重庆出版社，2000
3.钱令希、钱伟长、郑哲敏、林同骥、朱照宣：《中国大百科全书·力学》，中国大百科全书出版社，1985
4. 力学类微信公众号
5. 其它网络资源