中國古代對力學的研究

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驗和力學知識。只是古代中國人缺乏邏輯推理和應用數學解決物理問題的基本訓練和傳統，沒有形成一個系統的理論體系罷了，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，他們中大多數在此用功念書，以待進士考課，此胡同因此得名。

在鴉片戰爭之后，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，人們發明了“拋石索”，以將石球拋射。后來，人們創造了弓箭、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。在距今約7000年的浙江河姆渡文化中已經有了大批的木構建筑和榫卯接合的經驗，這些表明了靜力學的初步知識已經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，社會經濟有了很大的恢復和發展：普遍使用牛耕、推廣鐵質農具、改進耕作技術、興修水利，使農業有了較大的發展。在手工業方面，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，使當時能大量生產鐵質農具、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。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，發現有石鏟、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掘的新石器時代的石刃、骨刃，美觀、鋒利而有鑿柄孔，這已經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。這些考古發現表明，新石器時代的人們已在實踐中懂得了杠桿的經驗法則：裝上木柄，延長力臂，儉省力氣。杠桿原理表現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，曾下車教農夫使用桔槔灌溉農田。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，為機發行三百步。”這種“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，滑車出現在阿基米德之前（公元前300年）。然而，據史料記載，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《左轉·成公十六年》（公元前575年）載：“楚子登巢車以望晉軍”。又據《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。”（《通典》為唐朝杜佑撰，成書于公元766-801年）

轆轱是滑輪的另一種形式，可能產生于商末周初。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。《辭海》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年鄢陵之戰時，楚共王曾經在太宰伯州犁的陪同下，親自登上巢車察看敵情。