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秦汉时期的物理学研究成果

来源:玉兔捣药 浏览 75 次 发布时间:2022-06-27

物理学

秦汉时期的物理知识有着丰富的内容,在力学、热学、声学、光学、电和磁等方面,同先秦时期相比,都有不少新的成果。


力学知识


关于力的性质和作用的认识继春秋战国时期墨家学派对力进行定义(“力,刑之所以奋”)之后,秦汉时期对力的认识又有发展。

在西汉刘安(前179—前122)组织编写的《淮南子》、《淮南万毕术》和东汉王充(27—约79)所著的《论衡》等著作中有许多精彩的论述。归纳起来约有以下几点:


物体内力不能使物体自身发生运动:“力重不能自称,须人乃举古之多力者,身能负荷千钧,手能决角伸钩,使之自举,不能离地。”这是关于物体的内力不能使物体自身产生运动的最早表述。


外力的作用因物体重量的不同而不同:“湍濑之流,沙石转而大石不移。何者?大石重而沙石轻也金铁在地,焱风不能动;毛芥在其间,飞扬千里。”物体形状影响了物体的运动:“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,一投而止,及其移徒,须人动举。”移动物体所需之力比举起物体所需之力少:“夫举重鼎者,力少而不能胜也;及至其移徙之,不待其多力者。”就是说,移动物体要比举起该物用力少。这是从日常生活经验中就可得知的,但已隐含着对移动摩擦阻力问题的认识。此同先秦著作《考工记》中所提到的车轮着地须“微至”,以减少滚动摩擦阻力的认识相类似。

有锋刃的器具也须外力作用才能产生运动:“凿所以入木者,槌叩之也;锸所以能撅地者,跖蹈之也。诸有锋刃之器,所以能断割削者,手能把持之也,力能推引之也。”如果没有外力,利器也不能发挥作用:“干将之刃,人不推顿,苽瓠不能伤;苽瓠之箭,机不动发,鲁缟不能穿。”截面积对压力有直接影响,截面积越大,压力越小:“针锥所穿,无不畅达;使针锥末方,穿物无一分之深矣。”关于“势”的概念

在先秦著作《孙子•势篇》中提出了“势”的概念,此概念包含了物理学中的动能和势能。如“激水之疾,至于漂石者,势也”,指的是动能;“转圆石于千仞之山者,势也”,指的是势能;“势如彍弩,节如发机”,指的是弹性势能。至秦汉时期对于“势”的概念亦多有论述。如“夫舟浮于水,车转于陆,此势之自然也。”“夫七尺之桡,而制船之左右者,以水为资。天子发号,令行禁止,以众为势也。”“是故得势之利者,所持甚小,其存甚大;所约甚守,所制甚广。是故十围之木,持千钧之屋;五寸之键,制开阖之门。岂其材之巨小足哉,所居要也。”十围之木与五寸之键,巨小悬殊,但因五寸之键居于要处,故其用甚大。对于弓矢之势,视远近而有别:“矢之于十步,贯兕甲;及其极,不能入鲁缟。”注云:“言势有极。”就是说,矢至最大射程时,动能为零(势有极),虽薄如鲁缟,亦无力穿入。

对浮力的认识和利用对水浮力:远古时代已有舟楫,因而对水浮力早有所认识。秦汉时期造船业具有一定规模,水浮力在实践中得到广泛的利用。如“抱壶而渡水”,“鸿毛之囊,可以渡江。”也就是说,空壶和装满鸿毛的皮囊,可以助人渡江。这可看成是后世救生圈、救生衣的滥觞。人们还从竹和金属相比较角度对水浮力进行探讨:“长竹之性浮,残以为牒,束而投之水则沉,失其体也;金之性沉,托之于舟上则浮,势有所支也。”

秦汉时期对空气浮力也有一定的认识。相传帝舜曾借助于空气浮力而免于死难。因舜父瞽叟偏爱后妻子,常欲杀舜。有一次,瞽叟让舜上粮仓(廪)修顶,“瞽叟从下纵火焚廪。舜乃以两笠自扦而下,去,得不死。”王莽时为抗击匈奴,特招募“有奇技术可以攻匈奴者,或言能飞,一日千里,可窥匈奴。莽辄试之,取大鸟翮为两翼,头与身皆著毛,通引环纽,飞数百步坠。”这是人类第一次仿生滑翔飞行的大胆尝试。


对于表面张力的认识


秦汉时期,人们已注意观察液体的表面,记载了一种属于液体表面强力的现象。《淮南万毕术》云:“首泽浮针。”高诱注:“取头中垢以涂针,塞其孔,置水即浮。”因头垢有油脂,涂在针表面,并塞其孔,钟与水便不浸润,当针足够轻的时候,由于水的表面张力的作用,便能使针浮于水面。这是关于表面张力的最早记载。其后晋葛洪说:“头垢犹足以使金铁浮水,况妙于兹乎?”即是指表面张力现象。


对大气压力的利用


有关利用大气压力的具体例子突出表现在制造虹吸管上。东汉灵帝中平年间(公元184—189年),掖庭令毕岚曾作“翻车”、“渴乌”,李贤云:“翻车,设机车以引水;渴乌,为曲筒,以气引水上也。”渴乌就是利用大气压力而制成的虹吸管。此种虹吸管自汉代以后,历代都有制造。

关于运动问题,汉代有一段非常精彩的论述:“地恒动不止,人不知,譬如人在大舟中,闭牖而坐,舟行,不觉也。”这段话清楚地表明了地动思想和运动相对性思想,是十分可贵的。可惜的是,这两种重要思想未受到后世应有的重视。