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摘要：本文从中国古代的力学的起源谈到力学发展到高峰，将力学的发展划分成三个时代，分别研究了每个时代力学的发展及其应用，最后对中西古代力学的发展及其应用进行了对比。
关键词：中国，古代，力学
The China ancientry development research of mechanics Abstract : This text speaks of from the origins of the ancient mechanics in China the mechanics develops the high peak, dividing the line the development of the mechanics three ages, studied development and its applications of each ages mechanics respectively, proceeded the contrast to development and its applications of the ancient mechanics in west in inside finally.keywords : China, ancient times, mechanics

    一．中国古代的力学的起源
    力学知识起源于古代人对自然现象的观察和生产劳动中的实践经验，并逐步发展为生产技术和初步的自然哲理，这在东西方古代都是如此。而生产工具是衡量社会生产力发展的尺度，所以研究古代的生产工具，对中国古代的力学的研究有重要的意义。农具的使用说明了当时人类对力有了初步的认识，它是中国古代的力学的启蒙，为中国力学以后的发展鉴定了基础。
    二．中国古代的力学的时代划分
    在我国古代，手工工艺技术成果远比经验性的理论总结突出得多，这是中国古代对力学研究的主要特点。从时间来看，大体可分为春秋战国、两汉、宋明三个高潮。
    1．春秋战国时期（公元前770～前221年）
    公元前316年，蜀守李冰修建都江堰，“正面取水，侧面排沙”，其飞沙堰工程巧妙地利用了弯道环流，说明当时测河水流量、了解泥沙规律等水力学知识及水利工程已有相当的水平。传为齐人著的《考工记》，是记录我国古代农具、兵器、乐器、炊具、酒具、水利、建筑等古代手工艺规范的专著，如“马力既竭，輈（zhōu，指车辕）犹能一取焉”，记述了其中的惯性现象；“后弱则翔，中强则扬，羽丰则迟”记述了箭羽影响箭飞行速度的关系；又如“置而摇之，以视其蜎（yuān，蠕动程度）”是检验木料强度的经验方法，这些都反映了我国当时的生产技术水平和力学知识水平。
    对于力的作用，古人春秋战国时期也有一些研究.在《墨经》、《淮南子》和《论衡》等书中有很多论述。刘安曾写道：“十围之木，持千钧之屋；五寸之键，制开阖之门。岂其材巨小足哉，所居要也。”即十围大的木柱可以支撑重达千钧的房屋，五寸大小的门闩可以控制门的开阖，所以有如此作用，在于它们处于重要的位置。这就是说，要选取适当的作用点，这对力的作用效果是有影响的。《淮南子•主术训》中还使用了“积力”的概念，刘安曾经写道：“积力所举，无不胜也。”“力胜其任，则举之者不重也。”“积力”就是一些力相加的结果，单个力小于重物之重就不能举起重物，但是几个力的“积力”则可能举起。这说明远在春秋战国时期古人对合力就有了初步的认识。
    对重力的认识墨家最早定义为：“力，刑之所以奋也。”“重之谓下，举重，奋也。”这里的“力”字象征人用农具奋力翻土，喻作体力较为适宜。所以，“力就是身体用以克服阻力的原因”。并举例说明了重力，即重力是向下的，举重就是“奋”。
    墨家写道：“凡重，上弗挈，下弗收，旁弗劫，则下直；迤，或碍之也；流梯者不得直也。今也废石于平地，重不下无磅也。”这就是说，凡是重物，不从上面提举它，不从下面捧托它，也不从旁边强迫它，则竖直下落。若它倾斜下落，则必有物体妨碍它竖直下落，例如，在斜面上滑下来的物体便不能竖直下落。置石于平地上，虽有重量但不落下，是因为石块和地面之间的力量无强弱相倚可言。由此可见，墨家已认识到，自由落体运动是有条件的——“上弗挈，下弗收，旁弗劫”，而石块和地面之间存在着一种作用与反作用。
    可以说春秋战国时期的古人对力学的启蒙与发展做出了巨大的贡献。
    2．两汉到五代时期（前206～960）
    简单机械逐渐发展为精巧的或大型的联合机械，如张衡的指南车、水运浑天仪、候风地动仪，西汉未巧工丁缓（公元1世纪）的“被中香炉”是世界上已知最早的常平支架，祖冲之（429～500年）的水磨，等等。
    指南车是我国古代伟大的发明之一，也是世界上最早的控制论机械之一根据《西京杂记》记载，汉代皇帝的舆架中就列有指南车。可见，指南车最迟在西汉时代就出现了，东汉的张衡曾重新制造过，但由于战乱也流失了。到了三国时期，著名的机械制造家马钧又重新设计、制造指南车，被人誉为“天下之巧”。
    指南车设计的关键在于对自动离合的齿轮系统的应用，这种轮系结构相当于现代机械结构中的差动齿轮系统。中国古人远在一千多年前，就已经掌握了如此巧妙的机构设计方法，实在令人感到惊叹。指南车充分体现了中国古代机械制造的高超水平，是中国古代力学在实际应用中的卓越成就。
其次隋代造船业已很发达，如隋炀帝的龙舟已高40尺，宽50尺，长200尺。李春主持建造的河北洨河赵县安济桥（公元595～605年），跨度最大（37.02米），弧度最浅（拱矢高7．23米），至今1300多年，下沉水平差只有5厘米，说明实用结构力学发展的水平。浮力的利用甚多，如：浮桥的建造，唐李吉甫：“以船为脚，竹篾亘（gèn，横贯。）之”，“架黄河为之”；东晋僧人惠远在庐山造莲花漏作为记时工具：“取铜叶制器，状如莲花，置盆水之上，孔底漏水，半之则沉”，即莲花漏由孔底进水到一半时就逐渐下沉，“每一昼夜十二沉”，非常巧妙。
    这一时期王充在《论衡》中对于运动的疾舒（快慢）、力与运动、物与运动、内力与外力的关系等作了详细的叙述，使得力学发展的更完善。其次是运动的相对性概念，东汉时代的《尚书纬•考灵曜》在提出“地有四游，冬至地上行北而西三万里，夏至地下行南而东三万里，春秋二分是其中矣”的同时，提出了著名论断：“地恒动而人不知，譬如闭舟而行，不觉舟之运也。”这种对运动相对性的观点，比伽利略的《对话》至少早约1500年。此观点说明我国古代物理思想达到相当的高度。
这一时期在机械、水力等技术发展基础上物理思想活跃，但时物理现象很少作定量叙述。
    3．宋金元明时期（960-1644年）
    这一时期力学在机械制造、兵器制造、建筑技术以及天文学的发展上有了飞跃性的进展。主要表现在天文记时仪器──水运仪象台的发明、管型火炮的制造、八角脚手架在建塔上的应用等等。
    宋元佑三年（公元1088年）在著名科学家苏颂的倡议和领导下，一座杰出的天文记时仪器──水运仪象台，在当时的京城开封制成。水运仪象台的构思广泛吸收了以前各家仪器的优点，尤其是吸取了北宋初年天文学家张思训所改进的自动报时装置的长处；在机械结构方面，采用了民间使用的水车、筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等机械原理，把观测、演示和报时设备集中起来，组成了一个整体，成为一部自动化的天文台。
    苏颂主持创制的水运仪象台是十一世纪末我国杰出的天文仪器，也是世界上最古老的天文钟。国际上对水运仪象台的设计给予了高度的评价，认为水运仪象台为了观测上的方便，设计了活动的屋顶，这是今天天文台活动圆顶的祖先；浑象一昼夜自转一圈，不仅形象地演示了天象的变化，也是现代天文台的跟踪器械 —— 转仪钟的祖先；水运仪象台中首创的擒纵器机构是后世钟表的关键部件，因此它又是钟表的祖先。从水运仪象台可以反映出中国古代力学知识的应用已经达到了相当高的水平。
    在宋元时期，人们利用空气动力学制造了大量的火枪，这时最具代表性的是火炮。以前，用抛石机发射的火炮，由于木杆摇晃，准确度较差。而管型火炮由于枪管对子弹的约束力，造就了一个较为稳定的管内弹道，这就大大增加了管外弹道的稳定性，从而使射击的准确性大为提高。所以管型火器的出现在兵器发展史上是一个重大的突破。它为近代枪炮的不断发展奠定了初步基础。
    在长期的建筑实践基础上，北宋时对建筑技术进行了新的总结。其中《营造法式》一书的编写，对当时和后世建筑技术的进步，有相当大的贡献。该书将“材分八等”，标明了我国传统的“以材为祖”的木结构的各种比例数据。揭示出我国传统的木工特点。从《营造法式》能体现出宋代人们对建筑力学有关问题的认识水平。当时已能分辨受力和非受力构件，对梁的受弯情况也有所认识。宋明时期出现了很多八角塔如：大秦寺塔、星金塔、高陵塔等。
    总之，中国力学的发展及其在各方面的应用达到了高峰。
    三．中国古代力学的发展应用与西方国家的对比
    中国力学的发展较西方国家比起来是比较快的，特别是在力学的应用上更是超越西方几百年。
    1．弹性力学发展的超前
    考古发现的最早的弹簧是春秋战国时期的墓葬品，是湖北襄阳出土的。湖北、河北、山西和河南的一些墓葬中也都发现用金属制成的螺旋状或盘状的物体。据分析，它们可能是弹簧。
    由于弹性材料的长期使用，人们开始注意到材料形变的规律。最早对此进行总结的是齐国人，在《考工记•弓人》中有“量其力，有三钧”的说法。东汉的郑玄对此进行了注释，他写道：“假令弓力胜三石，引之中三尺，弛其弦，以绳缓擐之，每加物一石，则张一尺。”《周礼注疏》其中的“缓擐”是很松地套上的，没有力的作用。明代的宋应星也曾指出：“凡造弓，视人力强弱为轻重；上力挽一百二十斤，过此则为虎力，亦不数出；中力减十之二三；下力及其半。”《天工开物•佳兵•弧矢》
    西方对于弹性定律的实验和论证是比较晚的.到1676年，英国物理学家胡克以字谜的形式发表了关于弹性力的定律，即ceiiinosssttuv。1678年，他公布了谜底，即Ut tensiosie vis，中文的意思是“有多大的伸长就有多大的力”。然而，胡克和郑玄一样，他们都没有说明定律适用的范围。由于郑玄的研究贡献，以胡克名字命名的定律名称是否应更名为“郑玄定律”或“郑玄-胡克定律”。这样，弹性定律的建立不是在17世纪，而是在2世纪了。
    2．力学应用的超前
    四大文明古国之一的古埃及在很早就发明了曲槟，而制锁的基本功艺也早在巴比伦和埃及定型，还有波斯国发明的风磨，都以各种各样的形式传了出去。而地中海流域的欧洲人除了发明轮转手磨外，他们贡献出的唯一有价值的机械技术就是高转筒车，即是后来阿拉伯各地普遍使用的“萨吉雅”。可是，中国力学的应用就多了，例如：龙骨车、指南车、水排、水运仪象台、弓弩等等。我们可以从下面的列表中看出中国在力学上的应用远远超前欧洲。

某些机械和其他技术超前西方国家简表

    四．结语
    总的来说，我国古代力学知识与古代精湛的工艺技术往往密不可分，但各时期对技术知识的整理汇集、研究提高、保存流传都未受到重视，致使技术特别是科技理论不能代替人力形成明显的生产力，科举八股把教育与知识分子的注意力引到文字游戏或仕途官场上。一方面是大量生产知识与技术积累而又散失，缺乏系统整理，一方面是经验性的定性的力学概念始终带有思辨色彩（如“气”、“道”、“理”），缺乏数学的定量引用和系统实验的基础，因此经典力学理论只能等待西方传入。

参考文献：
《中国科学技术史》        科学出版社[M]            1975               李约瑟（英）
《中国科学技术史稿》     科学出版社[M]            1982               杜石然
《科技史文集》           上海科学技术出版社[G]    1982                  第九辑
《中国古代的力学》       首都师范大学物理系       2004           刘树勇崔家岭         http://www.2bwz.com/wl/ja/new_page_3.htm

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