中國古代的力學成就 中國古代物理學雖一直沒有從哲學和自然科學中分化出來成為一門獨立的學科，但通過含有物理知識的著作不斷地在社會上傳播而得到了一定的發展，并在其運用中還有許多舉世聞名的發明創造，以致今天人們在追尋中國古代物理學的歷史淵源時，看到它們在中國的黃土地上已有最早的萌芽。中國古代力學的研究范圍雖然廣泛，但對力的認識主要停留在主觀方面；中國古人在生產、生活實踐中卻廣泛地運用了力學原理，力學知識的應用已達到了很高的水平。從精密的“度量衡”的測量工具，到大型復雜的機械；除了要解決大量的技術問題，也對一般的理論問題做了一些思考。 1、簡單機械 中國至遲在西周（公元前770以前）時，能制作比較復雜的車船，以及桔槔等一類簡單機械。公元前770以前，就以壺漏測時，以圭表測影，以定方向、定節氣和定時刻。另一個偉大發明是蘇頌和韓公廉在1092年制造了一架大型的水運儀象臺。其中有一套稱為“天衡”的杠桿裝置，相當于現在鐘表裝置中擒縱器，以保證計時裝置的齒輪等時轉動。宋、元時期之前，已有指南車和記里鼓車，但是關于它們的結構直到宋代才留下較詳細記載。根據這些記載，指南車是以車輪、平輪、立軸等各種齒輪的復合運動為基礎的，只要在車子開始運動時把車上木人手指向南方，以后不管車向那個方向轉動，車上木人將一直指南。記里鼓車是利用車輪帶動大小不同的一套齒輪，使車輪走滿一里時，有一個齒輪剛好轉一圈，并撥動車上木人打鼓一次。這些復雜
機械的制造，說明中國古代人嫻熟地掌握了有關齒輪系傳動的知識。 早在秦漢到五代（公元前221～公元960）時期，簡單機械的聯合使用就有了大發展。張衡制造了水運渾天儀，他采用齒輪系把渾象和表示時間的壺漏結合在一起，以流水下落的力量帶動齒輪，齒輪帶動渾象旋轉。公元132年，他還制造了世界上第一個地動儀，用以測定地震的震源方向。公元2世紀畢嵐發明了“渴烏”，即虹吸管，逐漸廣為應用；后來唐代杜佑《通典》卷一百五十七中有“渴烏隔山取水”條：“以大竹筩雌雄相接，勿令泄漏，以麻漆封裹，推過山外，就水置筩，入水五尺，即于筩尾取松樺干草，當筩放火，火氣潛通水所，即應而上。”在東漢時期，對流體的一般性質有所記述、探討，并實測了一些物體的比重，知道刻漏的流水速度會隨溫度變化。由于虹吸管在生產上的應用，又引起人們去探討它的道理。《關尹子》寫道：“瓶存二竅，以水實之，倒瀉；閉一則水不下，蓋（氣）不升則（水）不降。井雖千仞，汲之水上，蓋（氣）不降則（水）不升。”唐代王冰在《內經素問注》中寫道：“虛管溉滿，捻上懸之，水固不泄，為無升氣而（水）不能降也；空瓶小口，頓溉不入，為氣不出而（水）不能入也。” 張衡、三國時馬鈞和南朝宋祖沖之都曾制造過指南車，這是一種指示方向的機械裝置。漢代劉歆《西京雜記》記載，長安巧工丁緩造被中香爐，“為機環轉四周，而爐體常平”；這或許是世界上最早的常平支架。 2、時間和空間的觀念 時間、空間
是物理學中兩個帶有根本性的普遍概念，自古以來 就是哲學家十分關注的問題。最早的與空間有關的概念是春秋時期的老子，他在《道德經》中說：“天地之間，其猶橐瀹乎？虛而不屈，動而愈出。”墨家學派的代表作《墨經》中對時間和空間概念分別作了正確的定義；如“久，彌異時也”。“宇，彌異所也”。就是說，時間是不同時候的通稱。空間是包括各個方面的一切地點。并區分了時間和時刻的概念，如“始，當時也。”“時，
或有久，或無久。始，當無久。”就是說，時間可分為“持續（有久）的”和“非持續（無久）的”，即瞬時的兩種，“開始”則屬于“無久”的瞬時的那一種。《墨經》認為“運動”（“動”）就是物體位置的遷移，“靜止”(“止”)就是物體在某處停留有一定的時間。由于有了類似于“瞬時”（“無久”）的觀念，因此對運動的分析比較深刻；《墨經》還闡明了物體運動必定在時空之中進行，運動、時間、空間三者之間有密切聯系。《墨經》中還寫道：“宇域徙，說在長宇久”，即“宇徙而又處宇，宇南北，在旦又在暮”。這是說，物體在空間的移動，是空間隨著時間的持續自近而遠的變化。墨家的解釋是，物體在空間不斷移動，須離開原來的空間而占據別的空間，如一物體從南向北運動，所經歷的時間是從早到晚。因此，時間和空間的聯系就統一在物體運動中了，空間與時間的聯系也是很自然的事情了。 魏國雜家尸佼（前390～前330）所著的《尸子》首先使用“宇宙”這個詞，并最先給出宇宙的明確定義：“
天地四方曰宇，往古來今曰宙。”墨家學派的代表人物墨翟所著的《墨經》曰：“宇，蒙東西南北，久，合古今旦莫。”南宋朱熹曰：“四方上下曰宇，古往今來曰宙，無一物似宇一樣大，無一物似宙一樣長，四方去無極，上下去無極，是多大? 亙古亙今，往來無窮。” 關于時與空的聯系《管子》中也說得很明確：“天地，萬物之橐；宙合有橐天地。”意思是，天地包裹著萬物，天地又包裹在宙合之內。明朝方以智《物理小識》卷：“宙輪于宇，則宇中有宙，宙中有宇。”這是很深刻的，從直觀觀察中看到時空的統一，看到時空與運動的緊密聯系。 早在秦漢時代，我國就測量時間的標準器具；開始用等分一晝夜為百刻的辦法來計時，漏刻也就隨之誕生了。大約在公元前四、五千年的母系氏族公社期間，我國先人就能夠制造精美的陶器了，一些陶器有了裂縫，陶器中的水就會慢 慢漏光，天長日久，人們就會把水的流失同時間的概念聯系起來，并專門制造一種有孔的壺用來計量時間——漏刻。漏刻也叫作銅壺滴漏。漏，就是漏壺；刻，就是刻箭；史書上關于漏壺的最早記載見于《周禮·夏官司馬》，上面有摯壺氏條，記載了當時漏壺在軍事行動中的重要作用；“凡軍事，懸壺以序聚拆。”也就是說，每當遇到軍事行動，就要用漏壺來定敲梆子的時間，從而對部隊發號施令。《隋志》中記載最古老的計時裝置是“挈壺”，壺中水滴入有箭桿浮子標記的受水壺中。“《周禮》挈壺氏，其法總以百刻，分以晝夜；冬至晝漏四十刻，
夜漏六十刻；夏至晝漏六十刻，夜漏四十刻；春秋 二分；晝夜各五十刻”。根據史料的記載，漏壺的發展 圖1-4為浮箭法二級蓮花漏 大約經歷了淹箭法——沉箭法——浮箭法這樣一個過程。后來人們又發明了二級漏壺（如圖3-1），就是在漏壺之上再加一把漏壺，這樣下面那把壺流出去的水可以隨時得到上面那把壺里流下的水的補充，這比起人工添加水更能自然地保持水面穩定。二級漏壺的出現不晚于東漢，因為張衡的漏水轉渾天儀里，使用的就是二級漏壺；晉代的記載中有三級漏壺，唐代已制造出四級漏壺。 3、運動學 墨家最早對機械運動做了定義，“動，或（域）徙也”。意思是說，運動乃是物體空間位置的變動。他們還寫道：“宇域徙，說在長宇久”，即“宇徙而又處宇，宇南北，在旦又在暮”。這是說，物體在空間的移動，是空間隨著時間的持續自近而遠的變化。墨家的解釋是，物體在空間不斷移動，須離開原來的空間而占據別的空間，如一物體從南向北運動，所經歷的時間是從早到晚。因此，時間和空間的聯系就統一在物體運動中了，空間與時間的聯系也是很
