古代力学知识
力学是研究宏观物体机械运动规律的一门科学。我国是世界上最早进入农业时期的国家之一。农耕技术的发达、都邑建筑的兴造、冶炼技术的发展和铁制工具的出现,以及各种原动力和简单机械的广泛应用,导致了力学知识的产生和发展。
在我国古代,力学知识相当丰富,在对力和势、物体的运动、简单机械和流体力学等方面的认识都有翔实的记载。
对力和势的认识
中国古人已经有了力和势的概念,并用它们来说明力学现象。我们的祖先很早就触及了惯性现象,并在生活和生产活动中巧妙地利用重心和平衡。
1.关于力的定义
墨家最早指出:“力,刑之所以奋也。”这里的“刑”同“形”,指物体;“奋”字在古籍中意是多方面的,像由静到动、动而愈速、由下上升等都可以用“奋”字。上述定义的意思就是说:力是使物体由静而动、动而愈速或由下而上的原因。《墨经》这一条的《说》还进一步指出:“力,重之谓,下、举,重奋也。”意思是物体的重量也就是一种力的表现,物体下坠、上举都是基于重的作用,也就是用力的例子。古代一直把重量单位如“钧”“石”等作为力的量度单位,说明力的概念是被广为接受的。
在汉朝,已经有了合力的初步概念。《淮南子·主术训》说:“积力之所举,则无不胜也”“力胜其任,则举之者不重也”。“积力”即合力。又说:“夫举重鼎者,力少而不能胜也,及至其移徙之,不待其多力者。”古人认识到,移动一个物体比举起它所需要的力要小。明朝的茅元仪在《武备志》中明确提出了合力概念:“合力者,积众弱以成强也。今夫百钧之石,数十人举之而不足,数人举之而有余,其石无加损,力有合不合也。故夫堡多而人寡者必并,并则力合,力合则变弱为强也。”茅元仪所举的例子是力学现象,但他论述“合力”是为了说明军事目的。
2.“势”及其力学内涵
“势”是中国古代一个关于力学内涵的概念。《孙子兵法·势篇》写道:“激水之疾,至于漂石者,势也。势如弩,节如发机。”孙子认为,湍急的激流可以漂移石块是因其有势。“弩”是拉满弓,“节”是控制,“机”是弩机。张满的弓具有很大的威力,只要千钧一发就可产生很大的杀伤作用。从现代物理学来看,激流具有动能,张满的弓具有势能。《孟子·告子上》写道:“今夫水,搏而跃之可使过颡,激而行之,可使在山,是岂水之性哉?其势则然也。”“颡”,即额,这句话的意思是,水受到搏击可以飞溅到人额头的高度,汹涌的激流可以翻越小山坡。孟子认为,击水和激流之所以能如此,因其有势。
荀子指出:“虽有国士之力,不能自举其身,非无力也,势不可也。”韩非子也认为:“乌获轻千钧而重其身,非其身重于千钧也,势不便也。”古人认为,人不能自举是因为势不可。从物理学上看,人不能自举是因为内力不做功,古人当然还无法达到这种认识高度。重物被举起一定高度即具有势能,可以做功。反之,不被举起,则无势能。对此,古人已有所认识。西汉淮南王刘安在《淮南子·兵略训》中说:“加巨斧于桐薪之上,而无人力之奉,虽顺招摇,挟刑德,而弗能破者,以其无势也。”即无论多么巨大的斧子,不将其举到一定高度,它连最容易劈裂的桐木也劈不开,因其无势。这里的势相当于重力势能。
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