中国古代对力学有哪些应用?

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中国古代对力学有哪些应用?

2024-05-16 09:00| 来源: 网络整理| 查看: 265

0804phn002_01 杠杆原理(图片提供:Shutterstock) 0804phn002_01

中国古代的力学以实践为主,如杠杆、物体的相对运动、浮力与比重、建筑力学、弹性定律、大气压等力学原理均是对生活实践的归纳总结。

 

杠杆原理是力学之中最基本的原理,在中国秤的发明就是应用这一原理。在一根杠杆上安装吊绳作为支点,其一端挂上重物,另一端挂上砝码或秤锤,就可以秤量物体的重量。桔槔及各种与滑轮辘轳结合的机械工具都是杠杆原理的产物。滑轮,古称“滑车”,一般用来改变力的方向,应用一组适当配合的滑轮,可以省力。从战国开始,滑轮已成为其中一种作战器具。滑轮的另一种形式是辘轳,大概起源于商末周初,多用来取水。

 

在相对运动中,选取不同的坐标就有不同的运动结论。中国古代有刻舟求剑的故事,深刻地阐释了这一原理。在物理学上,决定空间位置或运动与否必须有一个参考坐标。古人在判断“天”与“地”或日月星体的相对运动时,曾展开了一场长达二千余年的争论──天地左右旋转争论。

0804ph004 石刻天文图碑 0804ph004

沉浸在液体中的物体都受到液体的浮力作用,曹冲以舟称象正是古代利用浮力的一种实践。除了以舟称物,以舟起重也是中国人的发明。古代中国人创造了测定液体浓度或比重的方法,而利用浮子测定液体浓度的方法则可以追溯至宋代。到了元代,陈椿所记述的“莲管”与近代浮子式比重计类似。

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曹冲

曹冲,字仓舒,是曹操和环夫人生的孩子,从小聪明乖巧,深得曹操喜爱。建安十三年(公元208年),曹冲病危不治,时年13岁。

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“莲管”

“莲管”测试法是将液体浓度分为四等,即四等咸,分别是:最咸为一等,浓度为l00%;三分咸一分水为二等,浓度为75%;半咸半水为三等,浓度为50%;一分咸二分水为四等,浓度为33%。在这四种咸中分别浸透各个莲子,这是测定其他溶液浓度的“浮子”。将装有这些浮子的竹筒注入待测溶液,看它们的浮沉状态,溶液浓度就相应地被测定,这个竹筒被称为“莲管”。

0804ph003 “莲管”是古代浮子测定器 0804ph003

矩形梁木的高与宽的比数是建筑力学和材料力学中的一个重要数据。到了北宋晚期,建筑师已经找到了高与宽比数的科学定量结论。将作监李诫在主持京城和皇宫建筑的基础上编著了《营造法式》一书,提出“广三分”、“厚二分”的数据。

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李诫

李诫,字明仲,郑州管城(今河南新郑)人。从元佑七年(1092年)至其卒止,曾两度入将作监任职。他所编著的《营造法式》一书始纂于1094—1098年间,成书于1103年,他死后三年才刻版印刷成书。全书共36卷,其中图样6卷。此书系统地总结了中国历代的营建工程的经验,为后世留下有关建筑学和材料学方面的丰富史料。

许多固体材料在外力作用下会产生形状变化,当外力撤销时,它又恢复其原来形状,这在物理学上称为弹性变形。使用弹性变形的弓箭,不仅在中国有悠久历史。宋应星在《天工开物》中将测量弓弩刚度的过程为“试弓定力”,并画图展示。在此基础上,古人发现了弹性定律:在一定弹性限度内,弹性物体在外力作用下,其变形量的大小与作用其上的外力成正比。

0804ph001 《天工开物》绘“试弓定力”图 0804ph001

古人的生产活动常常与利用大气压有关,古人创造的隔山取水灌溉法便是其中一例。大约从北魏开始,古代的一种计时器铜壶滴漏上开始使用“喝鸟”,以便将上壶水引至下壶。当时人们虽然以多种方式利用大气压的作用,但却没有对大气压的理性认识。直到明代,方以智的学生揭暄在注解《物理小识》时才初步表达了气体有巨大压力的概念。

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“喝鸟”

喝鸟是一根弯曲的空心竹筒,只要在开始时将该竹筒造成局部真空,插入水中,竹筒就能将池水引上岸,这是对大气压存在的证明之一。

0804ph002 古代中国人很早便懂得应用大气压从事生产活动 0804ph002


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