动力学的思想萌芽

第三节　动力学的思想萌芽

从思想角度考虑，占代人确有些动力学知识。《淮南子·主术训》写道：

夫举重鼎者，力少而不能胜也，及至其移徙之，不待其多力者。

就现在所知，举起一个物体所需的力和该物体的重力相等，而推动一个物体所需的力只要稍大于该物体的静摩擦力即可。无论在任何接触面上，摩擦因数都小于1，因此，一个重物的静摩擦力小于该物的重力。一旦该物体滑动或‘‘移徙”之后，这时的摩擦成为滑动摩擦。滑动摩擦力又小于静摩擦力。因此，当物体处在移徙过程中，人们为保持其滑动移徙所付出的力可以更小些。这就是《淮南子》中这句话的物理意义。虽然，它没有以摩擦力解释举重和移动过程，但它关于在这两种物理过程中所需力的不同及其大小的论述是完全正确的。

王充在《论衡·状留篇》中的某些论述也颇有意思。他写道：

针锥所穿，无不畅达。使针锥末方，穿物无一分之深矣。

是故湍濑之流，沙石转而大石不移。何者？大石重而沙石轻也。

是故金铁在地，飙风不能动，毛芥在其间飞扬千里。

且圆物投之于地，东西南北，无之不可；策杖叩动，才微辄停。方物集地，壹投而止；及其移徙，须人动举。

枯而轻者易举，湿而重者难移。

是故车行于陆，船行于沟，其满而重者行迟，空而轻者行疾。……任重，其取进疾速，难矣！

以上叙述都是人们的经验的记载。将这些经验上升到文字总结，表现了王充丰富的自然科学知识。如果我们考虑到这些记述的物理条件，对比王充所作的文字结论，就不能不承认汉代人所具有的粗浅的但又是可贵的动力学知识。值得指出的是，这些知识都是正确的。王充在这里分别论述了尖劈，一定的作用力和运动物体的不同“重量”之间的关系，圆球和方块的运动等情形。特别是最后一段叙述，表明王充认识到，在相同外力作用下，“重量”较大的物体开始运动和改变运动的状态就较困难，也即“其取进疾速，难矣”。在这里，多少隐含着瞬时加速度的思想萌芽。

古代人在制订历法、观察天体运动中也有许多重要发现。他们根据观察，记下了大量有关行星视运动的逆、留、迟、退现象；发现了月球在其轨道上运转一周时其速度的快慢变化规律。唐代僧一行（683—727）对太阳视运动在一年四季中的快慢变化作了这样的记述：

日南至，其行最急，急而渐慢，至春分及中而后退。迨日北至，其行最舒，而渐益之，以至秋分又及中而后益急。

“日南至”即冬至，“日北至”即夏至。僧一行的描述，实际上是地球在一年中绕日做椭圆轨道运动快慢变化的反映。一行正确地记下了这种运动变化的规律。五代王朴（906—959）可能是历史上第一个抓住了这种规律实质的人，他指出了行星运动快慢的变化与其距日远近的关系：

星之行也，近日而疾，远日而迟，去日极远，势尽而留。

行星视运动迟疾及其与日距离远近关系的发现，其物理意义远远超出了古代中国人的认识水平。在近代科学兴起的初期，发现行星运动有快慢的规律，为动力学的建立提供了极有力的观测数据，大大地加快了动力学的建立过程。根据第谷．布拉赫30年的天文观测，在哥白尼学说的指导下，开普勒于1609年发表了他的行星运动三定律之一，即等面积定律，指出连结太阳和行星的矢径在相等的时间内扫过相等的面积。以等面积定律很容易解释古代中国人有关的观测数据及结论。牛顿是在开普勒的基础上，创建了动力学三大定律和万有引力定律的。王朴是在开普勒之前600余年作出观察结论的。他已经定性地表述了等面积定律中两个物理因素的关系，即行星绕日运动的速度及其与日的距离之关系。自然，王朴所做的仅是观察结论，它与开普勒所总结的等面积定律在理性程度上尚存本质之差。然而，人们仍然感到惊讶的是，王朴先于开普勒之前600余年走到了等面积定律的边缘。

我们特别要指出，古代人关于动量矩守恒原理的巧妙运用。在古代佛教寺庙中有一种藏经楼阁，称为“转轮藏”。这是一种圆亭式木构建筑，其中轴底端插入地下，且有铁锏承托，其上端夹于二层楼横梁。通过中轴架设斜撑以支撑亭子平台面。平常很难推动整个圆亭转动。但在平台上一个小和尚的走动就会令整个圆亭反方向转起来。这正是动量矩守恒原理的应用。它的建造起源于汉代，盛行于宋代。