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中国古代对简单机械的认识和应用  

2011-12-22 08:22:17|  分类: 知识短文 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中国古代对简单机械的认识和应用
湖北省枣阳市兴隆二中 谢江涛 丁照明

杠杆、滑轮,物理学上称作简单机械。杠杆的使用或许可以追溯到原始人时期。当原始人拾起一根棍棒和野兽搏斗或用它撬动一块巨石,他们实际上就是在使用杠杆。石器时代人们所用得石刃、石斧,都用天然绳索把它们和木柄捆绑在一起,或者在石器上凿孔,装上木柄。这表明他们在实践中懂得了杠杆得经验法则:延长力臂可以增大力量。

杠杆在中国的典型发展是秤的发明和它的广泛应用。在一根杠杆上安装吊绳作为支点,一端挂上重物,另一端挂上砝码或秤锤,就可以称量物体的重量。古代人称它“权衡”或“衡器”。“权”就是砝码或秤锤,“衡”是指秤杆。迄今为止,考古发掘的最早的秤是在长沙附近左家公山上战国时期楚墓中的天平。它是公元前四到三世纪的制品,是个等臂秤。不等臂秤可能早在春秋时期就已经使用了。古代中国人还发明了有两个支点的秤,俗称铢秤。使用这种秤,变动支点而不需要换秤杆就可以称量比较重的物体。这是中国人在衡器上的重大发明之一,也表明中国人在实践中完全掌握了阿基米德杠杆原理。

《墨经》一书最早记述了秤的杠杆原理。《墨经》把秤的支点到重物一端的距离称作“本”(今天通常称“重臂”),把支点到权一端的距离称作“标”(今天称“力臂”)。《墨经·经下》中说:第一,当重物和权相等而衡器平衡时,如果加重物在衡器的一端,重物端必定下垂;第二,如果因为加上重物而衡器平衡,那是本短标长的缘故;第三,如果在本短标长的衡器两端加上重量相等的物体,那么标端必下垂。(“衡,加重于其一旁,必垂。权、重相若也相衡,则本短标长;两加焉,重相若,则标必下。”)墨家在这里把杠杆平衡的各种情形都讨论了。他们既考虑了“本”和“标”相等的平衡,也考虑了“本”和“标”不相等的平衡;既注意到杠杆两端的力,也注意到力和作用点之间的距离大小。虽然他们没有给我们留下定量的数字关系,但这些文字记述肯定是墨家亲身实验的结果,它比阿基米德发现杠杆原理要早约二百年。

中国古代对简单机械的认识和应用 - 李昌华工作室 - 李昌华工作室

桔槔是在一根竖立的架子上加上一根细长的杠杆,当中是支点,末端悬挂一个重物,前段悬挂水桶。当人把水桶放入水中打满水以后,由于杠杆末端的重力作用,便能轻易把水提拉至所需处。桔槔早在春秋时期就已相当普遍,而且延续了几千年,是中国农村历代通用的旧式提水器具。

滑轮,古代人称它“滑车”。应用一个定滑轮,可改变力的方向;应用一组适当配合的滑轮,可以省力。至少从战国时期开始,滑轮在作战器械、井中提水等生产劳动中被广泛应用。

最早讨论滑轮力学的还是《墨经》。《墨经·经下》把向上提举重物的力称作“挈”(qí),把自由往下降落称作“收”,把整个滑轮机械称作“绳制”。《墨经》中说:以“绳制”举重,“挈”的力和“收”的力方向相反,但同时作用在一个共同点上。提挈重物要用力,“收”不费力,若用“绳制”提举重物,人们就可省力而轻松。(“挈与收反。”“挈,有力也;引,无力也。不必所挈之止于施也,绳制之也。”)又说:在“绳制”一边,绳比较长,物比较重,物体就越来越往下降;在另一边,绳比较短,物比较轻,物体就越来越被提举向上。(“挈,长重者下,短轻者上。”)又说:如果绳子垂直,绳两端的重物相等,“绳制”就平衡不动。(“绳下直,权重相若则正矣。”)如果这时“绳制”不平衡,那么所提举的物体一定是在斜面上,而不是自由悬吊在空中。我们对于墨家的丰富的力学知识就不能不赞佩!

滑轮的另一种形式是辘轳。把一根短圆木固定于井旁木架上,圆木上缠绕绳索,索的一端固定在圆木上,另一端悬吊水桶,转动圆木就可提水。只要绳子缠绕得当,绳索两端都可悬吊木桶,一桶提水上升,另一桶往下降落,这就可以使辘轳总是在作功。辘轳大概起源于商末周初(公元前十一世纪)。

据《物原》记载:“史佚始作辘轳”。史佚是周代初期的史官。早在公元前一千一百多年前中国已经发明了辘轳。到春秋时期,辘轳就已经流行。辘轳的制造和应用,在古代是和农业的发展紧密结合的,它广泛地应用在农业灌溉上。辘轳的应用在我国时间较长,虽经改进,但大体保持了原形,说明在3000年前我们的祖先就设计了结构很合理的辘轳。解放前在我国的北方缺水地区,仍在使用辘轳提水灌溉小片土地。现在一些地下水很深的山区,也还在使用辘轳从深井中提水,以供人们饮用。在其它工业方面,有使用牛力带动辘轳,再装上其它工具用来凿井或汲卤的。

2011-12-20  人教网
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