书城科普读物站在巨人肩上-从阿基米德谈物理学起源
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第10章 力学在中国古代的应用

人力和自然力的总称是原动力,其中自然力包括畜力、风力、水力和热力,在人类产生之前这些自然力就已经存在于地球上了。正是在对原动力的利用过程中,产生了中国古代的力学萌芽。

中国古人很早就开始使用自然力了,而使用是最早的力是牲畜力。当车发明以后,人们第一个想到的就是要利用牲畜来拉车,车的出现远在夏商之前,古代马车商朝就已经有了用帆的船 ,可见牲畜力的利用历史是如何悠久。在河南安阳小屯第十三次发掘中,曾发现一辆驾四匹马的战车的遗迹,以及马车的器具。由此可以断定,至少在殷商时代,中国就已经能够制作比较高级的马车了。从远古到春秋,牲畜力除了用来拉车、驮载以外,还用于耕田以及农作物的加工等。春秋以后,除了拉车、驮载之外,牲畜力还广泛应用到炼铁鼓风、盐业汲卤、纺织业纺纱等各方面。

在甲骨文和不少史书中都可以找到关于风向仪的记载,由此可见,中国古代在很早就开始了对风力的利用。风力常用于弥补人力的不足,史书记载帆是夏禹的发明,这至少证明商朝就已经有了用帆的船,开始利用风力来行船了。春秋以后,还有人发明了风轮能把直线吹来的风加以控制,使一个轴发生回转运动,以完成种种工作。

中国的古人除了利用水的浮力进行船舶运输外,还利用水力能控制流量的道理设计了计时器刻漏。据《周礼·夏官篇》记载,刻漏在周朝以前就已经投入了使用,并有专门长官漏壶的官员叫挈壶氏。挈壶氏在壶底中央或壶侧面装上一个小管,使壶中的水一滴一滴的下堕,以此作为记时的漏壶,来指挥哨兵向人们报时。

在古代,人们使用最多的原动力还是他们自身。人们在劳动中,对物体的推、拉、举、持、掷、击等,都需要直接使用人力。随着生产实践的发展,人们逐渐学会了能够制造一些可以省力或便于用力的工具,即简单机械。简单机械的发明是人力利用的第一个进步。根据史书中的记载,中国古代发明的简单机械有尖劈、杠杆、辘轳、弹力工具等等。

在北京猿人时期,古中国人就开始使用石制的尖劈。在春秋时期,由于冶铁技术的发展,在生产工具、生活用具或兵器中,铁制尖劈使用已经非常普遍。

中国古代关于杠杆的记载以衡器为最早。从《吕氏春秋·古乐》中的记载可以得知,中国早在四千多年之前就已经有了天平。迄今出土的天平,最早的是两千多年前秦代的制品。中国古人对杠杆的另一利用是制作桔槔等灌溉或汲水用的工具。桔槔是在一根竖立的架子上加上一根细长的杠杆,当中是支点,末端悬挂一个重物,前段悬挂水桶。当人把水桶放入水中打满水以后,由于杠杆末端的重力作用,便能轻易把水提起。桔槔早在春秋时期就已相当普遍,而且延续了几千年,是中国农村历代通用的旧式提水器具。辘轳也是从杠杆演变来的汲水工具。据《物原》记载,早在公元前1100多年前中国已经发明了辘轳。到春秋时期,辘轳就已经流行。辘轳春秋战国弓箭技术日臻成熟弹力工具的使用标志着人类掌握了将人力储存起来,延长一段时间再使用的本领。这是人力利用的第二个进步。利用弹力最早的工具是弹弓,其次是射箭用的弓和弩。弩机是一种典型的储备人力的机械装置,它的发明约在春秋时期,战国中期铜制的弩机就已经相当进步了。弩机发展到汉代,在弩机的“望山”(瞄准器)上已经出现了刻度,相当于今天步枪的标尺。不同的射程使用不同的刻度,以调整箭镞投射角的大小。在西方弩机的发明比中国足足要晚1300年。