力学的理论溯源

力学的理论溯源

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。

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。

公元前316年，蜀守李冰修建都江堰，“正面取水，侧面排沙”，其都江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，成都平原2000多年来始终受益。

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，现存版本中如《裘氏》《筐氏》《雕氏》等篇内容已散佚。其中惯性现象的记述“马力既竭，輈（輈指车辕）犹能一取焉”，车轮大小与拉力的关系（轮太低，马总是像上坡一样费劲），箭羽影响箭飞行速度的关系（“后弱则翔，中强则扬，羽丰则迟”），检验木料强度的经验方法如置而摇之，以视其蜎，“横两墙间，以视其桡之均”，“横而摇之，以视其劲”，以及堤坝设计的经验尺寸等，都反映了我国当时的生产技术水平和经验知识水平。

与《考工记》几乎同时的《墨经》，则进一步得出一些初步的力学哲理（如“奋”、“衡”、“本”、“标”、“重”、“权”等），给力下了比较科学的定义：“力，刑（形）之所以奋也。”可惜这一形成科学的抽象思维进程在后世没有顺利继续下去。

这一时期是以记录与积累生产经验为主，也形成了初步哲理。

简单机械逐渐发展为精巧的或大型的联合机械，如张衡的水运浑天仪、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，另外还有祖冲之（429-500年）的水磨等等。

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（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，“以船为脚，竹篾亘之”，“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。还有著名的曹冲称象故事，在陈寿著《三国志》卷二十及《江表传》中均有记载。

上述种种成就，集之于书的不多，北齐信都芳曾“集浑天、地动、攲器、漏刻诸巧事并画图名曰器准”，但已散失。

这一时期带有直觉经验型的物理哲理性著作首先是王充的《论衡》，在他的著作中对于运动的疾舒（快慢）、力与运动、物与运动、内力与外力的关系等作了叙述。其次是运动的相对性概念，晋天文学家束皙（261-303年）说过：“乘船以涉水，水去而船不徙矣”（《隋书·天文志》）；晋葛洪（283-363年），号抱朴子，在其著作《抱朴子·内篇·塞难》中说：“游云西行，而谓月之东驰。”《晋书卷十一天文志》更将这一相对运动的思想用于解释天体运行：“天旁转如推磨而左行，日月右行，随天左转，故日月实东行，而天牵之以西没。譬之蚁行磨石之上，磨左旋而蚁右去，磨疾而蚁迟，故不得不随磨以左回焉。”有极大价值的是至少成书于东汉时代的《尚书纬·考灵曜》（著者不详，收入明代孙毅编纂的《古微书》卷一《尚书纬》），该书在提出“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，《考灵曜》比伽利略的《对话》至少早约1500年。此观点说明我国古代力学理论已达到相当的水平。

这一时期在机械、水力等技术发展基础上物理思想活跃，但当时对力学理论很少作定量叙述。

我国古代技术成就极为丰富，但往往著述不详或流散失传，只知其名而不知其详，因而许多“巧器”历代都有人重新“创制”。如由仰韶文化时期尖底陶罐发展而成的攲器，“虚则攲，中则正，满则覆”（《苟子·宥坐》），是由于重心由高变低而又变高而致的，晋人杜预、南北朝祖冲之，魏、隋、唐、宋都有多人试制，指南车也有东汉张衡、三国马钧、祖冲之、宋燕肃、吴德仁等多人多次制成或未成。后魏时有郭善明与马岳同时研造，郭善明未成但妒嫉马岳垂成，便用毒酒杀之。而燕肃造这种凭靠齿轮传动使木人手指方向不变的指南车遇困难时，出门“见车驰门动而得其法”（宋陈师道《后山丛谈卷一》），这也是从机械原理中悟出的。可惜的是往往因古代人悟而未述或述而失传。记里鼓车也是利用传动，使车轮走满一里时有一齿轮转满圈并拨动小人打鼓一次。这说明我国手工制造中齿轮构造等工艺相当娴熟，但直到宋代才记载较详。

苏颂（1020-1101年）和韩公廉1092年建成了我国古代最大型的先进天文钟楼“水运仪象台”，其结构详细载于苏颂《新仪象法要》中，它涉及天文、力学、机械制造，其中有相当于钟表擒纵器的“天衡”，是保证等时性的杠杆装置。元代郭守敬（1231-1316年）在天文仪器制造的种类（简仪、仰仪、定时仪、日月食仪等十几种）、结构和精度方面达到很高水平。

宋代曾公亮（997-1087年）在《武经总要》这一军事著作中除记载兵工机械、枪炮、军用油泵（“猛火油柜”）等外，还在《寻水泉法》中详载了虹吸管（“渴乌”），它在《后汉书·张让传》及唐代《通典》中都有记载，包括“取大竹去节”，“油灰黄蜡固封”，“竹首插入水中五尺”，烧火使“火气潜通”入水，“则水自中逆上”等。

河北石家庄隆兴寺的转轮藏建于北宋，人在台上绕轴走动时轮藏会缓慢地反向转动，这实际上是动量矩原理的应用。

宋应星（1587-1644年）的《天工开物》是明代农业和手工业生产技术的百科全书，在卷十五《佳兵篇》中记述了测试弓弦弹力大小的方法：“凡试弓力，以足踏弦就地，秤钩搭挂弓腰，弦满之时，推移秤锤所压，则知多少”，方法十分巧妙。该书在我国失传300年，于1926年才由日本找回翻印本。

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。