第五十一章 物理学 第一节 力学知识

　　第五十一章 物理学 第一节力学知识 关于物体的位置、运动及参照物

　　我国自先秦时代已经有关于物体的位置及运动的讨论。《吕氏春秋》中著名的“刻舟求剑”的故事就是一个生动的例子：“楚人有涉江者，其剑自舟中坠于水，遽契其舟，曰：‘是吾剑之所从坠。’舟止，从其所契者入水求之。舟已行矣，而剑不行。求剑若此，不亦惑乎？”①这位楚人只考虑剑坠入水时剑与船的相对位置，“从其所契者入水”，当然他不可能找到坠入江中的剑。而《吕氏春秋》的编纂者们则正确地指出，“舟已行矣，而剑不行”。船在运动，因此落入水中的剑相对于船的位置时时在变化。在不考虑河水的冲力作用时，剑相对于河岸是静止的。显然，故事的编纂者是知道如何能找到剑的。从物理学意义上说，这里的问题是，要选择恰当的参照物，才能正确确定物体的位置和描述其运动的状态。

　　古籍中后来有许多讨论或论述运动的记载。晋人葛洪有“见游云西行，而谓月之东驰”的论述①。束晳又说：“仰游云以观月，月常动而云不移，乘船以涉水，水去而船不徙矣。”②这就是说，以云作为参照物，月亮是运动的；以船作为参照物，则河水是运动的。《隋书》的这段记载肯定了束晳的看法。隋唐时期，人们对于运动的相对性有了更明确的认识。

　　 重心与平衡

　　我国古籍记载，先秦时期就有了一种叫做“欹器”或“宥坐之器”的器物，当注水于这种器物时，“虚则欹，中则正，满则覆”③。欹器的制造一直流传到隋唐以后。隋代，耿询就曾制造和进献欹器④。唐代，马待封制造了盛酒的欹器⑤。李皋也制造过，“皋尝自创意为欹器，以髤木上出五觚，下锐圆，为盂形，所容二斗。少则水弱，多则强，中则水器力均，虽动摇，乃不覆云”⑥。这里以盛水多少表现出的水的力量的强弱，来描述其底锐圆的欹器盛水后的状态。“少则水弱”，即水少其重力不足以倾覆器物；“多则强”，即水多其重力强大以致倾覆器物；“中则水器力均”，即欹器年盛水适中时，水的重力与器物本身保持平衡。试图探究欹器盛水之后状态的原因，说明唐代人们对力和力的作用的认识又进了一步。

　　“被中香炉”是我国古代能工巧匠充分运用重心及平衡等物理学知识创制的。成书于晋代的《西京杂记》记载：西汉时期“长安巧工丁缓者……又为卧褥香炉，一名被中香炉。本出房风，其法后绝。至缓始更为之。为机环转运四周，而炉体常平，可置之被褥，故以为名”①。它的结构特点是，“为机环转运四周，而炉体常平”。这实际上是一常平架装置，“机环”由回转轴线相互垂直并交于一点的三个金属环构成，内环轴上悬挂炉体。由于各环转轴彼此制约以及炉体本身重心的影响，任何情况下炉体都不会倾倒。因此若在炉体内点燃薰香，香炉可置于被中，而不必担心香灰倾覆烧毁被褥。根据史籍记载可知，被中香炉至迟在西汉时已经发明。二十世纪六十年代在陕西西安唐代遗址中曾出土制作精美的被中香炉和银熏球②。除被中香炉外，历代制作的类似装置亦用于取暖、娱乐等用途。而这种常平架装置，对后世航海和航空中不可或缺的仪器陀螺仪的发明，有重要启示。

　　对空气阻力、升举力和大气压力（压强）的认识

　　唐代王冰在注《黄帝内经·素问》中指出：“以物投井，及叶坠空中，翩翩不疾，皆升气所碍也。”此处所述表明，当时人们已了解，物体在空气中运动时，受到空气阻力及气流的升举力的作用。王冰的注接着指出：“虚管溉满，捻上悬之，水固不泄，为无升气而不能降也。空瓶小口，顿溉不入，为气不出而不能入也。由是观之，升无所不降，降无所不升，无出则不入，无入则不出。”①他做了两个实验：一是把水灌进一根管子里，上口封闭并悬挂起，这时水不会从下口流出。二是要想把水很快地注入小口的瓶子里，是不可能的。可见王冰对管子和瓶子中水的出入以及水与气之间的升降关系进行了仔细的实验观察，并作出了合乎科学的解释。这两个实验的结果都说明了大气压力的存在。

　　唐代杜佑对利用虹吸现象“隔山取水”有详细的叙述：“渴乌隔山取水，以大竹筒雄雌相接，勿令漏泄，以麻漆封裹，推过山外，就水置筒，入水五尺，即于筒尾取松桦干草，当筒放火，火气潜通水所，即应而上。”②大气压强的存在，使得人们能够利用虹吸现象来灌溉农田。尽管当时对虹吸的物理原理并无深刻认识，但是，密封竹筒、在筒尾烧干草、把水从低处引上来并且使水翻越过山，显然是总结了长期的实践经验的结果。

　　 测定液体的浓度

　　北魏贾思勰的《齐民要术》中有用水浮法选种的记载。唐代，段成式写到关于莲子在水中的沉浮状态：“莲实，莲入水必沉，唯煎盐咸卤能浮之。”③因莲子的比重比水的比重大，故入水必沉。但盐卤的比重比水的比重大，且盐卤愈浓其比重愈大。虽然当时人们不可能有关于比重与浓度等明确的科学概念，但在长期的生活和生产实践中懂得，根据莲子在盐卤中的沉浮情况就可以知道盐卤的浓度。由于盐业生产在我国历来备受重视，所以检测盐卤的浓度是很重要的事情，因此后世有许多关于这方面的记载。

　　 力学知识在工程技术中的应用

　　隋唐时期，工程技术中常常要应用力学知识。在许多大型的木构建筑如宫殿、佛塔的建造中，在大型铸件的吊装及天文仪器的制造安装中，在桥梁（如隋代建造的著名的安济桥）和舟船的建造中，无一不应用力学知识。可惜当时没有系统叙述或总结这方面知识的著作。

　　

　　①《吕氏春秋》卷十五《慎大览·贵因篇》。

　　①《抱朴子》内篇卷七《塞难》。

　　②《隋书》卷十九《天文志》。

　　③《荀子》“宥坐”。

　　④《隋书》卷十九《天文志》、卷七八《耿询传》。

　　⑤《太平广记》卷二二六《伎巧二》。

　　⑥《新唐书》卷八○《李皋传》。

　　①《西京杂记》卷一。

　　②参阅史树青：《古代科技事物四考》，载《文物》1962年第3期，第47—52页； 西安市文物管理委员会：《西安市东南郊沙坡村出土一批唐代银器》，载《文物》1964年第6期，第30—32页。

　　①《黄帝内经·素问》卷十九《六微旨大论篇》第六十八。

　　②《通典》卷一五七《兵十·隔山取水》。

　　③《酉阳杂俎》卷十九。