明时期物理学1495.com 力学

2019-11-10 10:39栏目:中国史
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明代的物理学在某些方面,如声学,有突出的成就。但物理学同其他传统科学一样,发展十分缓慢。明末西方传教士来华,西方近代物理学知识也开始传入。

宋子曰:人群分而物异产,来往懋迁以成宇宙。若各居而老死,何藉有群类哉?人有贵而必出,行畏周行;物有贱而必须,坐穷负贩。四海之内,南资舟而北资车。梯航万国,能使帝京元气充然。何其始造舟车者不食尸祝之报也。浮海长年,视万顷波如平地,此与列子所谓御泠风者无异。传所称奚仲之流,倘所谓神人者非耶!

宋应星在《天工开物》中叙述了测量弓的弹力的方法:“凡试弓力,以足踏弦就地,秤钩搭挂弓腰,弦满之时,推移秤锤所压,则知多少。”这里涉及到力与形变的关系及其测量方法。

○舟

我国古代很早就知道在航行中利用风力和水力。宋应星在《天工开物》中指出:“凡风篷尺寸,其则一视全舟横身,过则有患,不及则力软”,“凡风篷之力,其末一叶敌其本三叶。调匀和畅,顺风则绝顶张篷,行疾奔马。若风力洊至,则以次减下。狂甚则只带一两叶而已”,“凡风从横来,名曰抢风。顺水行舟,则挂篷之玄游走。或一抢向东,止寸平过,甚至却退数十丈。未及岸时,捩舵转篷,一抢向西,借贷水力,兼带风力轧下,则顷刻十余里”。这里宋应星述及了帆的宽度与受风力的关系、帆的顶部与底部受力的大小,以及船在顺风和侧向风时的航向和张帆方向。宋应星还指出:“凡舵尺寸,与船腹切齐。若长一寸,则遇浅之时船腹已过,其梢尾舵使胶住,设风狂力劲,则寸木为难不可言。舵短一寸,则转动力怯,回头不捷。……舵上所操柄名曰关门棒,欲船北则南向捩转,欲船南则北向捩转。”论述了舵的长短对舵力大小、舵的方向对船航行方向的影响。从这些文字中可知,当时对于作用力和反作用力的大小和方向、船的受力状况与变化等已有充分的认识,因此能操作自如,安全航行。

凡舟古名百千,今名亦百千,或以形名,(如海鳅、江鳊、山梭之类。)或以量名,或以质名,不可殚述。游海滨者得见洋船,居江湄者得见漕舫。若局趣山国之中,老死平原之地,所见者一叶扁舟、截流乱筏而已。粗载数舟制度,其余可例推云。

程大位在《算法统宗》卷一中,列出了金、银、玉、铅、铜、铁、石等七种物质的“轻重率”,“谓诸物皆见方一寸,其轻重不同如此”。程大位所列数值系引自《孙子算经》卷上,但由于历代度量衡的变迁,数值已不准确。

○漕舫

在比重的应用方面,明代基本上沿袭宋元时代制盐工业发展而创造的测卤法,即用莲子检验盐卤浓度的方法。陆容在《菽园杂记》中记曰:“……以重三分莲子试之。先将小竹筒装卤,入莲子于中。若浮而横倒者,则卤极咸,乃可煮烧;若立浮于面者,稍淡;若沉而不起者,全淡,俱弃不用。”方以智在《物理小识》中写道:“卤积则能载物,故淘土为巨器,泛中流必无沉溺。姚宽曰:煮海试卤者,杓卤而置莲子数枚,三浮五沉者淡;七八浮则淳卤矣。取其浮而直。闽人以鸡子、桃仁试之。饭豆亦可试也。”他补充了一种用“饭豆”测试的方法。另外,方以智还记述了在冶炼多种金属混合其中的矿石时,由于比重的不同,“重者在下,浮土在上,以次分焉”。

凡京师为军民集区,万国水运以供储,漕舫所由兴也。元朝混一,以燕京为大都。南方运道由苏州刘家港、海门黄连沙开洋,直抵天津,制度用遮洋船。永乐间因之。以风涛多险,后改漕运。

对虹吸现象的进一步认识

平江伯陈某始造平底浅船,则今粮船之制也。凡船制底为地,枋为宫墙,阴阳竹为覆瓦。伏狮前为阀阅,后为寝堂。桅为弓弩,弦、篷为翼,橹为车马,{}纤为履鞋,纟聿索为鹰雕筋骨,招为先锋,舵为指挥主帅,锚为扎车营寨。

明代,人们对虹吸现象的认识已深入一步。徐光启述及“过山龙”的引水条件是“必上水高于下水,则可为之,至平则止”,在流水中“必须上流高于下流”。徐霞客在游历云南鸡足山时,曾推断寺庙里喷泉的高度,“此必别有一水,其高与此并”。方以智也认为,过山龙“其来处何高,则所激之高可与之比。或故使之瀑下,就以筒承瀑,则水激而上。上既出,则流通而不止矣”。

粮船初制,底长五丈二尺,其板厚二寸,采巨木楠为上,栗次之。头长九尺五寸,梢长九尺五寸。底阔九尺五寸,底头阔六尺,底梢阔五尺,头伏狮阔八尺,梢伏狮阔七尺,梁头一十四座。龙口梁阔一丈,深四尺,使风梁阔一丈四尺,深三尺八寸。后断水梁阔九尺,深四尺五寸。两廒共阔七尺六寸。此其初制,载米可近二千石。(交兑每只止足五百石。)

明末传入我国的西方近代力学和机械学知识,主要集中在邓玉函(J.Terrenz,1576 —1630)口授、王徵笔述并绘图的《远西奇器图说录最》中。该书共三卷。第一卷六十一款,叙述力学基本知识与原理。包括地心引力,重心,各种几何图形重心的求法,重心与稳定性的关系,各种物体的比重,浮力等。第二卷九十二款,叙述各种简单机械的原理与计算,包括杠杆、滑轮、螺旋、斜面等一般知识。第三卷介绍各种实用机械,共五十四幅图说。该书汇总了从阿基米德到十六世纪初的西方力学和机械学知识,并且其中有些内容引用了伽利略的着述。

后运军造者私增身长二丈,首尾阔二尺余,其量可受三千石。而运河闸口原阔一丈二尺,差可度过。凡今官坐船,其制尽同,第窗户之间宽其出径,加以精工彩饰而已。

凡造船先从底起,底面傍靠樯,上承栈,下亲地面。隔位列置者曰梁。两傍峻立者曰樯。盖樯巨木曰正枋,枋上曰弦。梁前竖桅位曰锚坛,坛底横木夹桅本者曰地龙,前后维曰伏狮,其下曰拿狮,伏狮下封头木曰连三枋。船头面中缺一方曰水井。头面眉际树两木以系缆者曰将车柱。船尾下斜上者曰草鞋底,后封头下曰短枋,枋下曰挽脚梁,船梢掌舵所居其上者野鸡篷。(使风时,一人坐篷巅,收守篷索。)

凡舟身将十丈者,立桅必两,树中桅之位,折中过前二位,头桅又前丈余。粮船中桅长者以八丈为率,短者缩十之一二。其本入窗内亦丈余,悬篷之位约五六丈。头桅尺寸则不及中桅之半,篷纵横亦不敌三分之一。苏、湖六郡运米,其船多过石瓮桥下,且无江汉之险,故桅与篷尺寸全杀。若湖广、江西省舟,则过湖冲江无端风浪,故锚、缆、篷、桅必极尽制度而后无患。凡风篷尺寸,其则一视全舟横身,过则有患,不及则力软。

凡船篷其质乃析篾成片织就,夹维竹条,逐块折叠,以俟悬挂。粮船中桅篷合并十人力方克凑顶,头篷则两人带之有余。凡度篷索先系空中寸圆木关捩于桅巅之上,然后带索腰间缘木而上,三股交错而度之。凡风篷之力其末一叶,敌其本三叶。调匀和畅顺风则绝顶张篷,行疾奔马。若风力氵存至,则以次减下。(遇风鼓急不下,以钩搭扯。)狂甚则只带一两叶而已。

凡风从横来名曰抢风。顺水行舟,则挂篷之玄游走,或一抢向东,止寸平过,甚至却退数十丈。未及岸时捩舵转篷,一抢向西,借贷水力兼带风力轧下,则顷刻十余里。或湖水平而不流者亦可缓轧。若上水舟则一步不可行也。凡船性随水,若草从风,故制舵障水使不定向流,舵板一转,一泓从之。

凡舵尺寸,与船腹切齐。其长一寸,则遇浅之时船腹已过,其梢尼舵使胶住,设风狂力劲,则寸木为难不可言。舵短一寸则转运力怯,回头不捷。凡舵力所障水,相应及船头而止,其腹底之下俨若一派急顺流,故船头不约而正,其机妙不可言。

舵上所操柄名曰关门棒,欲船北则南向捩转,欲船南则北向捩转。船身太长而风力横劲,舵力不甚应手,则急下一偏披水板以抵其势。凡舵用直木一根(粮船用者围三尺,长丈余)为身,上截衡受棒,下截界开衔口,纳板其中如斧形,铁钉固拴以障水。梢后隆起处,亦名曰舵楼。

凡铁锚所以沉水系舟。一粮船计用五六锚,最雄者曰看家锚,重五百斤内外,其余头用二枝,梢用二枝。凡中流遇逆风不可去又不可泊,(或业已近岸,其下有石非沙,亦不可泊,惟打锚深处。)则下锚沉水底,其所系纟聿缠绕将军柱上,锚爪一遇泥沙扣底抓住,十分危急则下看家锚。系此锚者名曰本身,盖重言之也。或同行前舟阻滞,恐我舟顺势急去有撞伤之祸,则急下梢锚提住,使不迅速流行。风息开舟则以云车纹缆提锚使上。

凡船板合隙缝以白麻斫絮为筋,钝凿扌及入,然后筛过细石灰,和桐油舂杵成团调念。温、台、闽、广即用蛎灰。凡舟中带篷索,以火麻秸绞。粗成径寸以外者即系万钧不绝。若系锚缆则破析青篾为之,其篾线入釜煮熟然后纠绞。拽缱{}亦煮熟篾线绞成十丈以往,中作圈为接区,遇阻碍可以掐断。凡竹性直,篾一线千钧。三峡入川上水舟,不用纠绞{}缱,即破竹阔寸许者,整条以次接长,名曰火杖。盖沿崖石棱如刃,惧破篾易损也。

凡木色桅用端直杉木,长不足则接,其表铁箍逐寸包围。船窗前道皆当中空阙,以便树桅。凡树中桅,合并数巨舟承载,其未长缆系表而起。梁与枋樯用楠木、槠木、樟木、榆木、槐木。(樟木春夏伐者,久则粉蛀。)栈板不拘何木。舵杆用榆木、榔木、槠木。关门棒用周木、榔木。橹用杉木、桧木、楸木。此其大端云。

○海舟

凡海舟,元朝与国初运米者曰遮洋浅船,次者曰钻风船所经道里,止万里长滩、黑水洋、沙门岛等处,皆无大险。与出使琉球、日本暨商贾爪哇、笃泥等船制度,工费不及十分之一。

凡遮洋运船制,视漕船长一丈六尺,阔二尺五寸,器具皆同,唯舵杆必用铁力木,念灰用鱼油和桐油,不知何义。凡外国海舶制度大同小异,闽、广(闽由海澄开洋,广由香奥)洋船截竹两破排栅,树于两傍以抵浪。登、莱制度又不然,倭国海舶两傍列橹手栏板抵水,人在其中运力。朝鲜制度又不然。

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