文物中的物理

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一、汉代画像石与简单机械 在我国科学史上，汉代是值得注意的一个发 展高峰期。表征这个时代科学发展的，不仅有成 熟的钢铁冶炼技术、耕犁的发明和应用等，还有 大量的在砖或石板上雕刻的图画（即画像石和画 像砖），其绘画内容包括了许多手工业和农业生 产的场面。尤其是，当时许多先进的生产工具和 生活用器都逼真地描画于这些石块或砖上。例如 ，山东滕州宏道院出土的画像石中，有描画锻铁 作坊与利用橐鼓风的情景；山东嘉祥洪山出土了 绘有制作车轮画面的画像石；山东滕州和陕西绥 德出土了牛耕与耕犁画像石；四川成都郊区出土 了盐井画像石；等等。它们是汉代科学技术的真 切记录，更是汉代留传至今的科学艺术珍品。 在这些画像石中，有一些是近代物理学中被 称为简单机械的图画。所谓简单机械，就是指它 们能够改变力的大小，或改变作用力的方向。例 如，杠杆、滑轮、轮轴、尖劈、斜面和螺旋，都 属于简单机械。在19世纪，齿轮也被列为简单机 械的一种。最简单的杠杆是一根用于撬动石块或 抬重物的木棍；古代的汲水机械——桔槔，古代 的衡器——天平或杆秤，都是杠杆原理的巧妙运 用。滑轮，在中国古代被称为滑车，不带摇把的 辘轳是滑轮的一种；带有摇把以便使之转动的辘 轳，是轮轴的一种具体应用。尖劈，在日常生活 中到处可见，从最简单的木楔，到各种质地的刀 、斧、针，乃至在汉代被普遍用于耕地的犁铧、 犁壁或犁镜，都是尖劈原理的应用。斜面，实际 上也是尖劈，不过在物理学和机械学中多指用以 升举重物的斜面。将斜面卷起来就成为螺旋，在 简单机械中，唯它是西方的发明。除了螺旋之外 ，汉代画像石描绘了其他所有的简单机械。 1.桔槔 据统计，汉代画像石中有约40幅表现庖厨 内容的图画。屠宰、清洗和蒸煮加工食物都要大 量用水，因此，与庖厨有关的许多绘画中都有桔 槔汲水的画面（见图1-1）。 图1-1中的五幅桔槔图均出自山东。其中， ①与④为嘉祥宋山画像石，②为临沂白庄画像石 ，③为梁山百墓山画像石，⑤为济南南张画像石 。 从画面上看，在木柱或木架上捆扎一条横木 ，横木的一端悬吊提水桶，另一端捆扎一石块， 这就制成了桔槔。横木的支点到水桶一端，相当 于力臂（动力臂）；支点到另一端相当于重臂（ 阻力臂）。从画面上可见其科学性的是，力臂稍 长于重臂。这样，当不汲水时，重臂端力矩大于 力臂端力矩，空桶被悬吊在空中；只有施力于力 臂，空桶才能升降。当其降落到井中汲水时，由 于力臂长于重臂，人所施力可以小于重臂端石块