请详细介绍中国古代力学中的古籍中有关力学实践的记述和认识
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请详细介绍中国古代力学中的古籍中有关力学实践的记述和认识
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## 中国古代力学中的古籍中有关力学实践的记述和认识

在对力、时间、空间、运动、材料的力学性能等问题上，中国古代学者曾有各种实践和认识，记载于各种典籍。《考工记》是春秋末年齐国人的著作，是中国最早的一部手工工艺技术的百科全书。它在记述各种手工规范时，力图阐明其中的道理。这部书最早记述了惯性现象，述及车轮的滚动摩擦与轮子直径的关系；分析了车轮的大小与拉力（马或牛）的关系（轮太矮，马总是像上坡一样费劲），总结了斜面受力的情形（车上坡，相当于加倍重量），介绍了以对称的水浮法检验箭杆、车轮等各部分是否均匀，分析了箭的结构同飞行轨道的关系（箭镞、箭杆、箭羽要有一定的比例，箭才能在疾风中保持一定的弹道前进）。记述了水流与泥沙运动的关系，提出了堤坝设计的定量理论；叙述了制造弓的六种材料，并从力学观念对这些材料的性能做了分析，提出了合理用材的问题，提出了检验材料强度的经验方法以及检验材料的质量分布均匀与否的方法，讨论了皮革的变形与强度的关系；总结了磬、钟一类板振动的力学知识。《考工记》堪称中国春秋战国时期应用力学的知识大成。《墨经》最早把力定义为形体所以运动的原因（“力，形之所以奋也”）。认为重物在不受任何外力作用下必定垂直下落。分析了杠杆的平衡；还讨论了浮体的平衡、横梁承重、发丝在外力拉伸作用下的破坏；讨论了平动、转动和滚动；给时间和空间下了定义，并认为运动必定同时经过一定的空间和时间。从汉代起，中国在天文仪器制造和其他器物生产中应用了虹吸管和吸水唧筒，因而引起对它们吸水机理的讨论。南北朝成书的《关尹子》中写道：“瓶存二窍，以水实之，倒泻，闭一则水不下，盖气不升则水不降。”唐代王冰在《素问》注中写道：“虚管溉满，捻上悬之，水固不泄，为无升气而不能降也；空瓶小口，顿溉不入，为气不出而不能入也。”以气在管、瓶内的存在与否来解释现在所谓的真空或大气压力的现象，是中国古代力学的传统观念。中国人早在汉代就注意到月亮运行同潮汐的关系。宋代燕肃指出，当月在子时或午时经过子午线，潮最高；当月在卯时或酉时经过子午线，潮最低。沈括提出潮汐时间与具体观察地点有关，指明“去海远，即须据地理增添时刻”。中国古代人认为，宇宙太空充满物质性的元气，月亮对海水的作用是通过阴阳两气相互激发和感应，使海水融散或满溢。在如何保证结构稳定和材料强度方面也有许多经验总结。沈括的《梦溪笔谈》说，宋代木工喻皓就清楚知道，为了防止木塔的摇动，必须将塔的各层木板“上下弥束，六幕相联如胠箧，人履其板，六幕相持，自不能动”。这里的“弥束”实际上是近代力学中约束概念的滥觞。据欧阳修《归田录》介绍，喻皓在建造开封的开宝寺塔时，甚至考虑到塔在风力作用下会产生不均匀的沉陷而有意让塔略有初始倾斜。喻皓当时还写有《木经》三卷，现已失传。现存的宋代另一建筑学著作——李诫的《营造法式》（1103）中叙述了从圆木中截取的矩形截面梁的广厚比为3∶2（凡梁之大小，各随其广分为三分，以二分为其厚）。这个比值在∶1（刚度最大量的高宽比）与∶1（强度最大的梁的高宽比）之间，可能李诫在选取梁截面时兼顾到刚度和强度两方面的因素。关于横梁截面的高宽比的数字比例，是中国古代重大的力学成就之一。对振动和波的认识可从对声音的解释和乐律中见到。《考工记》中记述了以改变发声体的大小厚薄而改变其声音（固有频率）的方法。战国时期人们已定量地总结出弦线发音同长度的关系，即“三分损益”。将基音弦长分为三份，去其一份（“损一”即成为2/3）或增加一份（“益一”即成为4/3）来确定相隔五度音程的各个音。明代朱载堉在世界上最早以等比级数创建了十二平均律，这也就是现代键盘乐器的理论基础。关于共振现象，早在战国时期的《庄子·徐无鬼》中就有明确记述：“鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣。”宋代沈括以纸游码实验演示频率比为1∶2的共振现象：“宫弦则应少宫，商弦则应少商。”中国很早就注意到运动的相对性。东汉王充在《论衡》中叙述了相对运动的思想。汉代成书的《尚书纬·考灵曜》写道：“地恒动不止，而人不知，譬如人在大舟中，闭牖而坐，舟行而人不觉也。”《晋书·天文志》在描述天体和天球运动时详细写道：“譬之于蚁行磨石之上，磨左旋而蚁右去，磨疾而蚁迟，故不得不随磨以左回焉。”这是相对运动的极好例子。然而在欧洲，关闭于船舱内的人不能发觉船的运动这一说法及其实验证明，是17世纪伽利略在他的《两大世界体系的对话》中最早描述的，但长期未受重视。直到E.马赫、H.A.洛伦兹、H.庞加莱和A.爱因斯坦的著作发表以后才把“舟行而人不觉”的现象称为力学相对性原理，这也是爱因斯坦建立狭义相对论的一个支柱。因此可以说，在2000年前中国著作中已萌发出相对性原理的思想。明代宋应星在《天工开物》一书中描述了测量弓力的方法：“以足踏弦就地，秤钧搭挂弓腰，弦满之时，推移秤锤所压，则知多少。”书中还记述了风帆与船横面的比例对风力的影响，风帆高度与受力大小的关系；详细分析了“抢风”（风从横面来）的风向、航向和张帆方向之间的关系；论述了舵的长短对航力大小、舵的方向对船的运动方向的影响。古代中国人很注意各种物质的比重。《汉书·食货志》记述了以汉方寸的物质重量作为量度单位测定的五种金属和两种石料的比重。中国人发明了独特的液体比重计，用以测定盐水的浓度。大约从宋代开始，就将莲子、鸡蛋、桃仁等放入盐水中，观察浮沉状态来确定盐水浓度。古籍中对液体表面张力的力学效应作出初步解释。张世南（12世纪末至13世纪初）在《游宦纪闻》中描述了一种古老的表面张力演示器，以检验桐油的质量：用细竹篾一头做成圈状，蘸上桐油，如果桐油无杂质，竹篾圈上就形成一薄层油面。力学科学的形成是以了解物体平衡和运动的规律以及材料的力学属性等的数量形式为前提。以上事例说明，在平衡规律方面，中国在战国时期所具备的认识接近当时希腊的水平，但很长时期内未能上升到科学的理论；在运动规律和材料属性方面，大多停留在定性的描述。即使经过工程技术达到高峰的宋代，直到明末清初仍然未能提出诸如平衡中力矩、运动中加速度等科学概念，也缺乏真正的科学实验。