中国古代的力学知识

力学是研究力和机械运动的科学。一个物体在时间、空间中的位置发生变动，就叫机械运动。自

然界中一切物体都在作机械运动，即使表面看来静止的桌椅、不动的教室，也时刻在随地球一起转

动。力是物质间的一种相互作用，机械运动状态的变化就是这种相互作用引起的。静止的或运动的状

态不变化，都意味着其中各种力的相互平衡。力学知识起源于对自然现象的观察和生产劳动。在中国

古代有丰富的力学知识。

简单机械

杠杆、滑轮和斜面，物理学上称作简单机械。

原始社会时期的工具：1.石铲；2.骨耜，3.石镰；4.石锄；5.石斧。

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。石器时代人们所用的石刃、石斧，都用天然绳索把它们和木柄捆束

在一起；或者在石器上凿孔，装上木柄（如图左）。这表明他们在实践中懂得了杠杆的经验法则：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》是战国时期以鲁国人墨翟（约前468—前37

6）为首的墨家著作。墨翟和他的弟子们以刻苦耐劳、参加生产、勇敢善战著称。因此，他们的著作

中留下了许多自然科学知识。

《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。

桔槔也是杠杆的一种。它是古代的取水工具。作为取水工具，一般用它改变力的方向。为其他目

的使用时，也可以改变力的大小，只要把桔槔的长臂端当作人施加力的一端就行。春秋战国时期，桔

槔已成为农田灌溉的普通工具。

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。传说公元前

四世纪，巧匠公输般为季康子葬母下棺，创制了转动机关（见《礼记正义》卷十），可能就是指的滑

轮。汉代画像砖和陶井模型都有滑轮装置。

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）。据宋代曾公亮（998—1073）著《武经总要前集》卷十一《水攻·济水府》，周武王时有人以

辘轳架索桥穿越沟堑的记载。唐代刘禹锡（772—842）描写了他亲自所见的一种叫“机汲”的提水

机械，它是把辘轳和架空索道联合并用，以便把山下流水一桶桶地提上山顶，既浇出地又省力（《刘

梦得文集》卷二十七《机汲记》）。

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。提挚重物要用力，“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。不必所挚之止

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！

尖劈能以小力发大力。早在原始社会时期，人们所打磨的各种石器，如石斧、石刀、骨针、镞等

等，都不自觉地利用了尖劈的原理。墨家在讨论滑轮的功用说到它省力时，就把它比喻作“锥刺”。

汉代王充说：“针锥所穿，无不畅达：使针锥未方，穿物无一分之深矣。”（《论衡·状留篇》）墨家

和王充等人清楚地知道尖劈原理的经验法则。

在日常生活中常应用的尖劈之一是楔子，木楔或金属楔。人们常用它加固各种器具。唐代李肇讲

过这样的故事：

在苏州建造重元寺时，工匠疏忽，一柱未垫而使寺阁略有倾斜。若是请木工再把寺阁扶正，费工

费事又费钱。寺主为此十分烦恼。一天，一外地僧人对寺主说：不需费大劳力，请一木匠为我作几十

个木楔，可以使寺阁正直。寺主听他的话，一面请木工砍木楔，一面摆洒盛宴外地僧人。饭毕，僧人

怀揣楔子，手持斧头，攀梯上阁顶。只见他东一楔西一楔，几根柱子楔完之后，就告别而去。十几天

后，寺阁果然正直了。（李肇：《唐国史补》卷中）

小小几个尖劈，作用却这样巨大！

斜面的力学原理和尖劈相同。人们在推车行平地和上坡时发现用力不同。成书于春秋战国之际的

《考工记·辀（zhōu）人》中说：“登阤者，倍任者也。”这就是说，推车上坡，要加倍费力气。用

双手举重物到一定高度和用斜面把同样的重物升到同一高度，自然后者容易得多。《荀子·宥坐》中

说：“三尺之岸而虚车不能登也，百切之山任负车登焉。何则？陵迟故也。”人们不能把空车举上三

尺高的垂直堤岸，却能把满载的车推上百切高山。这是为什么？因为高山的路面坡度斜缓（“陵

迟”）。这正是斜面物理动用的最好总结。

重心和平衡

要使物体平稳地置于桌面上，就要考虑它的重心和平衡的问题。从物理学观点看，通过物体的重

心和桌面垂直的线（或面）要维持在这一物体的支持面里：否则，这一物体就很容易倒下。在日常生

活中涉及重心和平衡的例子随手可拾。商代的酒器斝（jiǎ）有三足，它的重心总是落在三足点形成的

等边三角形里。西汉中山靖王刘胜墓出上的朱雀铜灯，体现了工匠关于重心的巧妙构思。东汉铜奔

马，三足腾空，一足落地。但是它的重心刚好落在支撑足上，因此，即使支撑面很小，看来好像容易

倾倒，其实是稳定平衡的。在杂技表演中走绳的演员手握长杠或持雨具；单臂撑的演员，他的两腿总

要弯过自己的头顶。这些道具或造形，不仅在于美和险的结合，让人惊心动魄，更重要的是演员必需

采取的安全措施：保持自己的重心和平衡。

孔子作欹器注水实验。（采自《孔子家语图》）。

大概在西周时期，聪明的工匠制造了一件盛水的“欹器”。“欹”（qī）的意思是倾斜。它可以

随盛水的多少而发生倾斜变化。不装水时，它成倾斜状态：装上一半水时，就中正直立；装满水时，

它就自动翻倒，把所盛水倒出。《荀子·宥坐》把它描写作“虚则欹，中则正，满财覆。”所以会出现

这种现象，是由于敬器的重心随盛水的多少而发生变化的缘故。有一天，孔子（前551—前479）在

鲁庙中见到这种欹器，立即让他的弟子们注水实验。然后，他感慨地说：“吁！恶有满而不覆者

哉！”意思是告诫弟子，要谦虚，切戒自满。汉代以后。不断地有人制造各种欹器，充分体现中国人

掌握了有关的力学知识。

隋唐时期，或许由于饮酒之风盛行，人们制作了一种劝人喝酒的玩具，经匠心雕刻的木头人，称

作“酒胡子”。把它置于瓷盘中，“臲（niè） （wù）不定”、“府仰旋转”、“缓急由人”。

（见王定保著：《唐摭言》卷十二《海敍不遇》）也有用纸制作的，“糊纸作醉汉状，虚其中而实其

底，虽按捺而旋转不倒也。”（见赵翼（1727—1814）著：《陔余丛考》卷三十三）现在把这些玩

具叫不倒翁。另一种劝酒器，虽叫不倒翁，但转动摇摆后最终会倒下。宋代张邦基说：“木刻为人，

而锐其下，置之盘中，左右欹侧，僛（qī）僛然如舞之状，久之力尽乃倒。”（张邦基：《墨庄漫

录》卷八）这种玩具指向某人或倒向某人，某人当饮酒。

从这些历史文献记载中可以看出，前一种不倒翁的重心略低于木头人下半圆的中心，后一种略高

于下半圆的中心，由于它们重心位置不同，造成它们左右摇摆后的不同后果。而古代人把它们制成半

圆形下身，并且“虚其中而实其底”，正说明他们有意识地利用重心位置和平衡的关系。

西汉初年（公元前二世纪）成书的《淮南子·说山训》曾就本末倒置而造成不平衡的现象总结说：

“下轻上重，其覆必易。”

东汉王充对平衡问题作了极好的论述：“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。”（《论衡·状留篇》）“策杖”是赶马用的木棍。

圆球投落地面，东西南北随遇滚动，只有用棍子制止它，它才会静止一会儿。方形物体投落地面，立

即就静止在那儿。如果要它移动，就需要施加外力。这些现象正是力学中随遇平衡和稳定平衡的典型

例子。

力是物理学中很重要、很基本的概念，它的形成在物理学史上经过了漫长的时间，直到十七、十

八世纪，物理学家才对它作出准确的定义。

在甲骨文中，“力”字像一把尖状起土农具来。用耒翻土，需要体力。这大概是当初造字的本

意。

《墨经·经上》最早对力作出有物理意义的定义：“力，刑之所以奋也。”“刑”通“形”，表示

一切有生命的物体。“奋”的原意是鸟张开翅膀从田野里飞起，墨家用它描述物质的运动或精神的状

态改变，如同今日常用词“奋飞”、“奋发”“振奋”等含义一样。由此可见，墨家定义力是指有形

体的状态改变；如果保守某种状态就谈不上奋，也就无需用力了。《墨经》还举了一个例子，从地面

上举起重物，就要发“奋”，需要用力。（力，重之谓。下，与，重奋也。”“与”是“举”的省

文。）墨家定义力，虽然没有明确把它和加速度联系在一起，但是他们从状态改变中寻找力的原因，

实际上包含了加速度概念，它的意义是极其深刻的。

在浩瀚的中国历史典籍中记述了各种各样的力，其中人们对惯性力和重力的认识是值得称道的。

战国初期成书的《考工记·辀人》最早记述了惯性现象。它描述赶马车的经验，说道“：劝登马

力，马力既竭，辀犹能一取焉。”“劝登马力”就是赶马车，劝马用力。辀指小车。这句话的意思

是，在驾驶马车过程中，即使马不再用力拉车了，车还能继续住前一小段路。

对重力现象最早作出描写的是《墨经·经下》。它指出，凡是重物，上不提挚，下无支撑，旁无力

牵引，就必定垂直下落。（“凡重，上弗挈，下弗收，旁弗劫，则下直。”）这就是说，当物体不受

到任何人为作用时，它作垂直下落运动。这正是重力对物体作用的结果。

在力学中有一条法则：一个系统的内力没有作用效果。饶有趣味的是，中国人发现和这有关的现

象惊人地早。《韩非子·观行篇》中最早提出了力不能自举的思想：“有乌获之劲，而不得人肋，不能

自举。”乌获，据说是秦武王宠爱的大力士，能举千钧之重。但他却不能把自己举离地面。

东汉王充也说：“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。”（《论

衡·效力篇》）似乎很可悲，一个身能负千钧重载、手能折断牛角、拉直铁钩的大力士，却不能把自己

举离地面。然而，这正是真理所在。再大力气的人，也不能违背上述那条力学法则。因为当自身成为

一个系统时，他对自己的作用力属于内力。系统本身的内力对本系统的作用效果等于零。否则，今天

就不会有这样的口头禅来嘲讽一个人的能耐是有限的：“你有本事，你也不能揪着自己的头发使自己

离地三寸。

刻舟求剑

船、河岸和水三者之间谁在运动？天和地、月和云谁在运动？这是古代人最关心的运动学问题。

这里既涉及参考坐标的重要性，也和相对运动问题有关。

船、河岸和水三者谁在运动的问题，曾经几乎同时困扰了古代东西方的哲人。古希腊亚里士多德

（前384—前322）曾经提出，停泊在河中的船实际上处于运动之中，因为不断有新水流和这船接

触。“不能同时踏进同一条河”的命题就是由此而来的。古代中国人以自己的思考方式回答这些问

题。

晋代天文学家束皙（xī）解释“仰游云以观月，月常动而云不移”的现象说：“乘船以涉水，水

去而船不徒矣。”（见《隋书·天文志上》）这个立论方式恰和亚里士多德相反。束皙认为，运动着的

船实际上是不运动的，如果过江时一直保持船和河岸垂直指向对岸，船和河床的相对位置就不改变。

把参考坐标取在过江线或河床上这时就得出“水去而船不徙”的结论。另一种看法是，让船和水同速

漂流，把参考坐标取在整个水流上，船对于水也不发生位置移动。

从物理学看，决定空间位置或物体运动与否必需有一个参考系。否则，就会“东家谓之西家，西

家谓之东家，虽皋陶（yáo）为之理，不能定其处。”（《淮南子·齐俗训》）连古圣皋陶都不能断定

是非。不清楚参考坐标的人，就像“刻舟求剑”一样胡涂。

刻舟求剑的故事出于战国末期吕不韦（？—前235）主持编纂的《吕氏春秋》。它所包含的物理

意义是极其深刻的。这个故事说：有一个楚国人乘船过江，他身上的佩剑不小心掉落江中。他立即在

船舱板上作记号，对他的船友说：“这是我的剑掉落的地方。”到了河岸，船停了，他就在画记号的

地方下水找剑。“舟已行矣，而剑不行。求剑若此，不亦惑乎？”（《吕氏春秋·慎大览·察今篇》）

这样找自己的剑，不是犯胡涂吗？从故事编纂者的口气看，他是知道怎样找到掉落江中的剑的。从物

理角度看，找到这把剑有几种办法：第一，记下掉落位置离岸上某标志的方向和距离。这就是说，以

河岸作为参考坐标。第二，在船不改变方向和速度的情况下，记下剑掉落时刻、船速和航行时间，据

此求出靠岸的船和剑掉落地点的距离。这就是说，以船作为参考坐标。

参考坐标选取适当与否，对解决运动学和动力学中的问题是很重要的。在相对运动中，选取不同

的坐标就有不同的运动结论。

前面提到过的束皙曾说：“仰游云以观月，月常动而云不移。”（《隋书·天文志上》）晋代葛洪

（283—363）说：“见游云西行，而谓月之东驰。”（《抱朴子内篇·塞难》）南朝梁元帝萧绎（50

8—554）的诗《早发龙巢》提到在行船舱板上人们的感觉说：“不疑行舫动，唯看远树来。”（见丁

福保编：《全汉三国晋南北朝诗》下册《全梁诗》卷下，中华书局1959年版，第957页）敦煌曲子词

中有句：“看山恰似走来迎”（见王重民辑《敦煌曲子词集》（修订本），商务印书馆1956年版，第

31页）。由于参考坐标的关系，原来不动的物体都成为运动的了。这是并不奇怪的。令人惊奇的是，

这些极其典型的相对运动的事例，很早就成为中国文人笔下的力作佳句。

然而，古代人在判断“天”和“地”的相对运动时，并不像上述事例那么简单明了。在古代人看

来，“天左旋，地右动。”（《春秋纬·元命苞》）也就是说，以天上星体的东升西落（左旋）来证明

地的右旋运动。汉代王充在《论衡·说日篇》中提出了另一种看法：日月是体实际上是附着在天上作右

旋运动的，只是因为天的左旋运动比起日月星体的右旋运动来要快，这才把日月星体当成左旋。这种

情形就像蚂蚁行走在转动着的磨上，人们见不到蚂蚁右行，而只看见磨左转，因此以为蚂蚁也是左行

的。（“当日月出时，当进而东旋，何还始西转？系于天，随天四时转行也。其喻若蚁行于硙上，日

月行迟天行疾，天转日月转，故日月实东行，而反西旋也。”）《晋书·天文志》中也说：“天旁转如

推磨而左行，日月右行，随地左转，故日月实东行，而天牵之也西没，譬如于蚁行磨石之上，磨左旋

而蚁右去，磨疾而蚁迟，故不得不随磨以左回焉。”我们暂且不管“天”是什么，是否在运动，仅从

物理学看，王充等人的思想是高明的，他们不仅看到了相对运动，而且还企图以相对速度的概念来确

定运动的“真实”情况。

在历史上，许多人参加了这场左右旋的争论。到了宋代，由于理学大师朱熹的名气，他所坚持的

“左旋说”又占了上风。这场争论，长达二千多年。直到明代，伟大的科学家朱载墒作出物理判决之

后，还争论未了。朱载堉说：“左右二说，孰是耶？曰，此千载不诀之疑也。人在舟中，蚁行磨上，

缓速二船，良驽二马之喻，各主一理，似则皆似矣。苟非凌空御气，飞到日月之旁，亲睹其实，孰能

辨其左右哉？”（《律历融通》卷四《黄钟历议·五纬》，载《乐律全书》）天和地、人和舟、蚁和

磨、快慢二船、良驽二马，如果没有第三者作参考坐标，就很难辨明它们各自的运动状态。从物理学

看，两个彼此作相对运动的物体A和B，既可以看作A动B不动，也可以看作B动A不动。这两种看法都

有效。若要争论它们的运动方向或推动谁静，那真是“千载不决之疑”。朱载堉的回答完全符合运动

相对性的物理意义。然而，朱载堉不明白，即使飞到日月旁，也不能“辨其左右”，而只能回答“似

则皆似矣”。

以相对运动的观点来解释天地的运动，在古代的东西方都是一致的。但像朱载堉那样对相对运动

作出物理判决的人，在西方只有比朱载靖稍后的伽利略算是最早的。

要解决地静还是地动的问题，关键是要提出令人信服的证据证明地动的不可觉察性。这样，才能

牢固地确立地动的观念。完成这任务，在近代物理学史上是伽利略的功劳。然而，古代中国人却从经

验事实中总结出这一伟大的发现。

早在汉代成书的《尚书纬·考灵耀》中说道：“地恒动不止，而人不知。譬如人在大舟中，闭牖

（yǒu）而坐，舟行而人不觉也。”关闭的船舱，在物理学著作中被看成是最普通、最易被理解的近

似的惯性系统。在一个封闭的惯性系统里，无论什么样的力学实验都不能判断这一系统是处在静止状

态还是在作匀速直线运动。这个原理又称“伽利略相对性原理”。可是，在伽利略之前大约一千五百

年，中国人就提出了这个原理的最古老的说法。这是中国科学史上最伟大的理论成就之一。

浮 力

沉浸在液体中的物体都受到液体的浮举作用。在中国关于浮力原理的最早记述见于《墨经·经

下》，大意说：形体大的物体，在水中沉下的部分很浅，这是平衡的缘故。这一物体侵入水中的部

分，即使浸人很浅，也是和这一物体平衡的。这种情况就像市上的商品交易，一件甲种商品可以换取

五件乙种商品一样。（“荆（形）之大，其沈（沉）浅也，说在具（衡）。”“沈（沉）、荆（形）

之具（衡）也，则沈（沉）浅，非荆（形）浅也。若易五之一。”）

《墨经》的这段文字，对浮力原理表达不确切。它没有看到浮体沉浸水中的部分正是这一物体所

排开的液体，所排开的液体重量恰好等于浮力；是浮力和浮体平衡，而不是沉浸水中的部分和整个浮

体平衡。但是，纵观整段文字，表明墨家已懂得这种关系。他们是阿基米德之前约二百年表达这一原

理的。

浮力原理在我国古代得到广泛应用，史书上也留下了许多生动的故事。

曹冲称象

三国时期有个早卒的神童叫曹冲（196—208），他是曹操的儿子。他曾经提出“以舟称象”。

没有现代的衡器而要称量几吨重的大象是令人为难的。曹冲说：把大象赶到船上，记下船在河中下沉

的位置。然后，把大象拉上岸，把石头陆续装人船中，直到装载石头的船下沉到刚才那个记号为止。

再分别称出船中石头的重量，石头的总重就是大象的重。（《三国志》卷二十《魏书·邓哀王冲传》）

曹冲称象的方法，正是浮力原理的具体运用。在中国历史上，据记载，有比曹冲更早的类似故

事。东周燕昭王（？—前279）有一大猪，他命司衡宫用杆秤称它的重量。结果，折断十把杆秤，猪

的重量还没有称出来。他又命水官用浮舟量，才知道猪的重量。（见《玉函山房辑佚书》卷七十一

《苻子》）

除了用舟称物之外，用舟起重也是中国人的发明。据史籍记载，蒲津大桥是一座浮桥。它用舟做

桥墩，舟和舟之间架板成桥。唐玄宗开元十二年（公元724年）在修理这桥时，为加固舟墩，在两岸

维系巨缆，特增设铁牛八只作为岸上缆柱。每头铁牛重几万斤。三百多年后，到宋仁宗庆历年间（公

元1041年到1048年），因河水暴涨，桥被毁坏，几万斤的铁牛也被冲人河中。这桥毁后二十多年，

真定县僧人怀丙提出打捞铁牛、重修蒲津桥的主张。他打捞铁牛的方法是：在水浅时节，把两只大船

装满土石，两船间架横梁巨木，巨木中系铁链铁钩，用这铁钩链捆束铁牛。待水涨时节，立即把舟中

土石卸入河中。本来就水涨船高，卸去土石后船涨得更高，于是铁牛被拉出水面。（见《宋史·僧怀丙

传》）另一记载和这方法稍有不同：在一只船上架桔槔，桔槔短臂端用铁链系牛，长臂端系在另一巨

船上。待水涨时，在另一船上装满土石。这样，铁牛被桔槔从河底拉起并稍露水面。（见吴曾著《能

改斋漫录》卷三《河中府浮桥》）

可能怀丙打捞铁牛用了这两种方法。怀丙是中世纪伟大的工程力学家。他创造的浮力起重法，曾

在十六世纪由意大利数学家卡尔达诺（1501—1576）用来打捞沉船。

液体的表面张力现象

表面张力是发生在液体面上的各部分互相作用的力，它是液体所具有的性质之一。表面薄膜、肥

皂泡、球形液滴等都是由于表面张力而形成的。

宋代张世南在《游宦纪闻》卷二中曾记载了一种检验桐油好坏的方法。他说：“验真桐油之法，

以细蔑一头作圈状，入油蘸。若真者，则如鼓面就（mán）圈子上。渗有假，则不着圈上矣。”这种

用竹蔑圈试桐油好坏的方法，虽然见于宋代的书籍，在这以前人们一定早已在应用了。

我们现在知道，液体能不能附着在这样的竹蔑圈上，和它的表面张力大小有关。而表面张力也和

液体里含的杂质有关。液体含杂质，会使液体表面张力大大减小。因此，如果桐油里含的杂质比较

多，它的表面张力比较小，就不能在竹篾圈上形成一层鼓面状薄膜。我国古代测试桐油好坏的方法，

表明人们在实践中掌握了关于表面张力的科学道理。今天学校里给学生演示表面张力现象的常用仪

器，也就是一个圆圈，只是一般不用竹蔑而用铁丝做成的罢了。

据载，明熹宗朱由校（1605—1627）玩过肥皂泡。当时人称它“水圈戏”。方以智（1611—1

671）说：“浓碱水入秋香末，蘸小蔑圈挥之，大小成球飞去。刘若愚言，熹宗能戏，以水抛空中成

圈。”（《物理小识》卷十二《水圈戏》）

水的表面张力虽然不算大，但是如果把像绣花针那样的比较轻的物体小心地投放水面（特别是布

满气泡的水面），针也能由于水的表面张力而不下沉。我国古代的妇女们就利用这种现象于每年七月

七日（农历）进行“丢针”的娱乐活动。明代刘侗（约594—约1637）、于奕正合写的《帝京景物

略》一书卷二《春场》中在记述“丢针”时写到，由于“水膜生面，绣针投之则浮。”这些话表明当

时的人们已经提出了表面张力的物理效应的问题。

虹吸管和大气压力

虹吸管，在古代叫“注子”、“偏提”、“渴乌”或“过山龙”。东汉末年出现了灌溉用的渴

乌。北魏道士李兰做称漏，也用了渴乌。西南地区的少数民族用一根去节弯曲的长竹管饮酒，也是应

用了虹吸的物理现象。宋代曾公亮在《武经总要前集》卷六《寻水泉法》中，有用竹筒制作虹吸管把

被峻山阻隔的泉水引下山的记载。

在生产和生活的实践中，我国古代还应用了卿筒。卿筒作为战争中一种守城必备的灭火器，在军

事书中经常讲到。宋代苏轼（1037—1101）的《东坡志林》卷四中，曾经记载四川盐井中用卿筒来

把盐水吸到地面，它说，以竹为筒，“无底而窍其上，悬熟皮数寸，出入水中，气自呼吸而启闭之，

一筒致水数斗。”明代俞贞木的《种树书》中也讲到用唧筒激水来浇灌树苗的方法。

我们知道，虹吸管一类的虹吸现象是由于大气压力的作用而产生的。唧筒也是这样。正是由于广

泛使用了虹吸管和卿筒一类器具，有关它们吸水的道理也就引起了古代人的探讨。

南北朝时期成书的《关尹子·九药篇》中说：“瓶存二窍，以水实之，倒泻，闭一则水不下，盖

（气）不升则不降。”这里讲的有两个小孔的瓶子能倒出水，闭住一个小孔就倒不出水，这个现象完

全是真实的。因为两个小孔一个出水，一个可以同时进空气，如果闭住一个小孔，另一个小孔外面的

空气压力就会比瓶里水的压力大，水就出不来了。《关尹子》中说的“不升则不降”，虽然没有明确

提出像现代科学上说的大气压力的作用，但是道理是一致的。

唐代的王冰在《黄帝内经·素问》卷十九《六微旨大论六十八》的注中，有关大气压力的物理现象

就讲得更清楚了，他说：“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。”他比《关尹子》还增加一个小口的空瓶灌不进水的事例，说是因为瓶

里气体出不来的缘故，这也是符合实际的。

宋代的俞琰（1258—1314）在《席上腐谈》卷上中又补充了前人的发现，他讲到：“予幼时有

道人见教，则剧烧片纸纳空瓶，急覆于银盆水中，水皆涌入瓶，而银瓶铿然有声，盖火气使之然也；

又依法放于壮夫腹上，挚之不坠。”在空瓶里烧纸，立即盖在人腹上，就是现在大家熟知的拔火罐，

由于纸火把瓶里的一部分空气赶出瓶外，火熄灭后瓶里就形成负压，也就是说造成一定的真空，瓶外

的空气压力就把瓶紧紧地压在人腹上。如果把这种造成一定真空的瓶放进水里，水就立即涌入瓶里。

明代的庄元臣在《叔苴子·内篇》卷上中又补充了一个例子，他说：“覆匏而水不得入，气拒之

也。”把空葫芦倒压入水中，我们会发现水并没有进入葫芦里，这是因为葫芦里有空气的缘故。

关于材料和固体的知识

在长期的器物制造和工程建筑中，人们逐渐懂得了材料的性能。材料在使用过程中或经过加工后

会发生形变，人们对这一点也很早就注意到了。在《墨经·经下》中分析了梁木的形变，认为梁木负载

了重量并不挠曲，这是因为它胜任重量；而捆束在两根柱子间的绳子不加重量也会发生弯曲。（“负

而不挠，说在胜。”“衡木加重焉而不挠，极胜重也。若校交绳，无加焉而挠，极不胜重也。”）从

现在的观点来看，梁木具有抵抗弯曲的能力，绳子只能抵抗拉伸。《墨经》中以弯曲的情形凭经验区

分了这两种不同性质的材料。当然，梁木负载重量也会发生形变，但是在许用应力的范围之内，人是

察觉不出的。

关于材料的弹性形变，西方在1660年英国物理学家胡克（1635—1703）在进行螺旋弹簧拉伸

实验时发现所谓弹性定律：在外力作用下，弹性物体的形变和外力成正比。这一关系我国早在东汉时

就在测试弓的弹力中已经作出了类似的发现。东汉经学家郑玄（127—200）在为《考工记》“弓

人”条中“量其力，有三钧”一句作注说：“假令弓力胜三石，引之中主尺，弛其弦，以绳缓俱之，

每加物一石，则张一尺。”唐代贾公彦在《周礼注疏》卷四十二中疏解郑玄注时指出：“加物一石张

一尺，二石张二尺，三石张三尺。”这些叙述正好描述了弓的形变和它所受的外力成正比的关系。可

以说弹性定律的发现我国比西方早一千五百年，当然，无论是弓还是弹簧，这条定律只适用于弹性休

在初始形变的小范围之内才是正确的。

在《荀子·劝学篇》中，还讲到了在外力取消以后材料的形变会保留下来的问题，指出笔直的木材

经火烤加工，变成轮子以后，即使枯干了也不会再挺直。（“木直中绳， 以为轮，其曲中规，虽有

槁暴，不复挺者， 使之然也。”）这就是现在力学中讲的塑性形变。在《考工记》“鲍人”条中，

讲到了皮革的弯曲和强度问题，它指明，在选用皮革的时候，要拉伸以后皮革各方面都是直的才好，

如果有不直的，那一定是一方缓一方急的缘故。如果一方缓一方急，那用不多久一定是急的一方先裂

开。

古代人大概曾经利用发辫作绳，并且在生产实践申发现有些发辫容易断，有些却不容易断，这就

引起了关于毛发引重的讨论，按照通常的理解，一根毛发是很容易被重物拉断的。但是，墨家认为，

有被拉断的，有不被拉断的，这之间的关键是在于毛发的结构是否均匀。当毛发均匀，并且它均匀地

承受重量的时候，毛发就不会被拉断。如果挂的物体很轻毛发就被拉断了，那是毛发不匀的缘故。

（《墨经·经下》：“均之绝，不，说在所均。”“发，均。县轻而发绝不均也。均其绝也，莫

绝。”）同样的观点也见于《列子·汤问篇》。晋代张湛在这部书的注中讲道：“发甚微脆而至不绝

者，至均故也。今所以绝者，犹轻重相倾，有不均处也。”

战国后期的名家公孙龙根据墨家毛发引重的讨论，又提出了大胆的设想，说“发引千钧”（《列

子·仲尼篇》）。和公孙龙几乎同时的公子牟又对这一论题加以解释，说：“发引千钩，势至等也”

（《列子·仲尼篇》）。这意思是说，之所以一根毛发能引千钩重物，是由于重物作用在毛发上的

“势”到处相等的缘故。正是在这种认识上，后来又出现了“一发千钧”的成语。从科学观点来看，

“发引千钩”当然是不可能的，因为任何材料都有它的极限强度，超过这个极限，材料就会断。但是

从材料结构均匀可以承受更大重力这一点认识来说，却是正确的。这里实际上包含有近代力学上的

“应力”的概念，所谓应力就是单位截面积上所承受的重力。

固体中的晶体是人们感兴趣的物质之一，也是固体物理学研究的主要对象。对晶体最显著的外表

特征、晶体的有规则的几何形状的认识，特别是对雪花晶体的认识，我国比西方人至少早十五个世

纪。早在公元纪元前后，我国就发现了雪花是六角形的。（《太平御览》引《韩诗外传》）在西方，

直到1611年，开普勒才发现这个奥秘。

除了对雪花和水池结冰的花纹在我国古籍中屡有描述以外，在各种药书和炼丹书中，还提到了许

多物质的晶体，讲明晶体外形的物质不下于一百种。在某些地方还讲到晶体的生长情形。这在近代科

学诞生以前是不能不使人惊叹的①。

南北朝时期陶弘景（456—536）讲到一种白石英，“大如揩，长二三寸，六面如削，白沏有

光。”宋代沈括在《梦溪笔谈》卷二十六中，对一种石膏的矿物晶体的几何形状作了清楚的记述：

“太阴玄精，生解州盐泽大卤中，沟渠土内得之。大者如杏叶，小者如鱼鳞，悉皆六角，端正如刻，

正如龟甲。其裙襕小椭，其前则下刻，其后则上剡，正如穿山甲，相掩之处全是龟甲，更无异也。色

绿而莹彻，叩之则直理而拆，莹明如鉴，折处亦六角如柳叶。火烧过则悉解析，薄如柳叶，片片相

离，白如霜雪，平洁可爱。”就是说晶体大的像杏叶，小的像鱼鳞，都是六角形的，很有规则，如同

龟甲状。四周围像裙襕那样有小的凸出。前面的晶面斜向下，后面的晶面斜向上，一片掩盖着一片，

就像穿山甲的鳞片相叠一样。打碎后的小晶体也成六角形。明代李时珍（1518—1593）在《本草纲

目》里，讲到的结晶矿石几乎都有面、棱或角的记述。这些都表明我国古代人对晶体的几何形状有很

认真的考察。

在唐初的《黄帝九鼎神丹经诀》中，讲到用朴硝（硫酸钠）、硝石（硝酸钾）制取结晶硫酸钾的

情况：把前两种矿石捣碎、混合，用热水淋汁，待澄清后再用温火煮到大约一半分量。然后放入小盆

中，在盆外用冷水冷却。经过一夜就有结晶硫酸钾出现，“状如白英，大小皆有楞角起。”这里讲到

的就不单是晶体的外部几何形状，而且讲到它的形戍过程和形成条件。

在一些古籍中还对某些晶体的光学的、力学的特性有所叙述。