水利科学史之浮力应用及其理论认识
跑龙套的橙子
2023年12月21日 09:53:54
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 1.中国的阿基米德试验     浮力定律最早是由古希腊最著名的物理学家阿基米德(约前287~前212)所发现,那是为了解决金质王冠中是否掺入银子这一难题时发现的,并最先被古罗马著名建筑师维特鲁威记载在他的《建筑十书》中。这一著名的试验是把金王冠和等重量的金块和银块先后沉入盛满水的同一器皿中,从沉入金王冠时溢出的水多于沉入金块所溢出的水,而沉入银块所溢出的水又多于沉入金王冠时所溢出的水,从而知道在制作金王冠时掺入了银子。①后来,从定量方面将浮力定律表述为物体浸在水中所排开水的重量等于物体所受浮力的大小。


 1.中国的阿基米德试验


    浮力定律最早是由古希腊最著名的物理学家阿基米德(约前287~前212)所发现,那是为了解决金质王冠中是否掺入银子这一难题时发现的,并最先被古罗马著名建筑师维特鲁威记载在他的《建筑十书》中。这一著名的试验是把金王冠和等重量的金块和银块先后沉入盛满水的同一器皿中,从沉入金王冠时溢出的水多于沉入金块所溢出的水,而沉入银块所溢出的水又多于沉入金王冠时所溢出的水,从而知道在制作金王冠时掺入了银子。①后来,从定量方面将浮力定律表述为物体浸在水中所排开水的重量等于物体所受浮力的大小。



    在中国,与阿基米德原理相类似的应用浮力原理度量重物的是曹冲称象的故事。据《三国志》记载,大约在建安八年(203),孙权曾将一头大象送给曹操。曹操想要知道大象的重量,而群臣拿不出称重的办法。这时曹操的一个小儿子曹冲提出:“置象大船之上,而刻其水痕所至,称物以载之,由校可知矣。②”也就是说,先把大象牵到船上,在船旁水痕处做个记号,然后,再在同一条船上堆放重物,使船沉至先前水痕的位置,则重物的重量就等于大象的重量。“太祖大悦,即施行焉”,这个办法成为大家的共识。



    曹冲称象的故事在事件发生仅70多年之后,被陈寿写入正史,此后又被多种典籍转载,其真实性当无可怀疑。③
 
    以舟称重的故事在此前几个世纪还有另外一桩。那是在战国燕昭王时期(前311~前279)北方有人贡献一头据说已有120岁的大猪。燕昭王令人用杠杆称重。由于猪太大,一连折断了十根秤杆。“又命水官,舟而量之,其重千钧”④,应该是和曹冲一样的办法。这件事最初的记载出自《符子》一书。据《隋书?经籍志》所载,《符子》系“东晋员外郎撰”⑤。但符子》成书于曹冲之后,是否有所附会?此书后代一度佚失,后经道光年间马国翰编辑《玉函山房辑佚书》时重新收集整理。马氏认为,《符子》“多春秋遗事,足资考证”⑥。联系到时代更早的《墨子》已对浮力原理做出了科学的形象的描述,似可认为,《符子》记载的这个故事是真实可靠的。若如此,则中国与古希腊几乎同时完成了相同的伟大力学试验。



    古代在工程建设中也有应用浮力原理的事例,例如北宋修建洛阳桥。
    福建泉州的洛阳桥(又名万安桥)建于洛阳江上。洛阳江入海口处宽约5里,南北交通繁盛,亟须桥梁沟通。皇祜五年(1053)始建大石桥,嘉祐四年(1059)落成。石桥全长540米,共计48孔。相邻桥墩之上覆以花岗岩石梁以为桥面。一孔桥面由7根石梁并排铺就。每根石梁约长11米,宽o.6米,厚0.5米,⑦重量将近10吨。因此,如何起重成为关键难题之一。明代万历年间仇俊卿著《重修洛阳桥记》追述当年借助潮水浮力,举重若轻地完成架梁任务:“及其横石为梁也,江水震荡不能旁架木植,爰载石以浮船面。待其潮至,则船随水涨,遂置石于上。抽舟下出,力役不劳而工易集。”⑧其巧妙若此,“亦算与神符者也”。



    另一利用浮力起重的事例发生在北宋治平年间(1064~1067)打捞黄河蒲津桥铁牛时。蒲津桥是横跨黄河的一座浮桥,是沟通山陕的交通要津,始建于公元前3世纪,至唐开元十二年(724)在两岸共浇铸八尊铁牛,以维系浮桥的稳定。北宋庆历年间(1041~1048)河水暴涨冲毁浮桥,铁牛也沦入水中。每条铁牛重“且数万斤”,治平年间在重建浮桥时,召募能人打捞铁牛。有一个名叫怀丙的和尚献技,“以二大舟实土,夹牛维之,用大木为权衡状钩牛,徐去其土,舟浮,牛去”①,这是浮船起重原理最早的应用。


   ①维特鲁威< <建筑十书》约成书于公元前32年到前22年。阿基米德原理记载在该书的第九书中。详见高履泰中译本《建筑十书》,中国建筑工业出版社,1986年,第199页。
    ②《三国志?邓哀王冲传》卷20。曹冲短寿,卒于建安十三年(208)。称象的故事发生在曹冲五六岁的时候。
    ③戴念祖在《中国力学史》一书中,对曹冲称象故事的来源做了细致地分析。详见该书390~392页。
    ④《太平御览》卷903,引《符子》。
    ⑤《隋书?经籍志》卷34。
    ⑥清?马国翰:《玉函山房辑佚书》卷71。
    ⑦罗英,中国石桥,人民交通出版社,1959年,第187页。
    ⑧《明文海》卷384,中华书局影印本,1987年,第3871页。




2.古代对浮力原理的认识



    据近人研究,最早对浮力原理作出科学描述的是战国时期的墨翟(约前486~前376)。他在《墨经》中记述了许多力学概念和原理,例如关于力的概念;时间与空间概念;杠杆原理等。其中还有这样一句,“荆之大,其沈浅也,说在具”②。其中,荆通形,沈即沉,具即衡。据近人研究,③这句话的意思是说,对于同样的载重量而言,荷重物(如船)的形体大时,其下沉也浅;反之,形体小时,下沉深。可见,在形体大小与下沉深度之间存在一定的均衡关系。墨家在这里虽然没有定量地认定物体沉入水中的部分正好等于这个物体所排开的水的体积,但已明确定性表述了其间的相关关系。墨子之后又有许多学者谈到浮沉现象,例如刘安(前179~前122)在《淮南子》中说到:“圆者常转,寂者主浮,自然之势也。”④意思是说,圆形物体可以自由旋转;空心的物体会在水上漂浮,⑤这是本质特性。孙吴时期的秦菁在《秦子》中说到:“针虽小,入水则沉;毛虽大,入水由浮。性自然民。”⑥晋代杨泉撰《物理论》,又说:“鸿毛一羽,在水而没者,无势也;黄金万钧,在舟而浮者,记(托)舟之势也。”⑦但对沉浮原理都未作进一步阐发。甚至还有人说:“水之积也不厚,则其负大舟也无力,”⑧认为浮力大小决定于水的深浅,显然未能深入物理。


    中国古代对浮力原理的认识,至明代末年引进西方物理学的一些基本概念,方才取得进一步发展。天启七年(1627)由传教士邓玉函口授,王征译绘的《远西奇器图说》中对于水静力学原理,例如水的不可压缩性、水面平准、浮力原理、比重测定、静水压力分布等有所介绍。其中第43款(见图2-8)的释文说:某物体放置水中,其中甲部分浮于水面,乙部分沉入水底,则物体“全重只以沉水多半体为则。多半体所占是水重,即是本体重”⑨。对浮力原理作了说明。



    道光年间郑复光撰《费隐与知录》,受《远西奇器图说》的启发,对浮力原理也提出了定量的阐释。他说,入水物体的沉浮,“其重之数不论多寡,只视其形大小与水等,其重强于水则沉,……其重弱于水则浮”⑩,说明物体(例如紫檀木)比重大于水则沉,小于水(例如黄杨木)则浮。郑复光还从物体受静水压力作用,形象阐发了物体浮沉的现象。⑾
    ①《宋史?僧怀丙传》卷462。
    ②清?孙诒让:《墨子闲诂》卷10,诸子集成本,中华书局,1986年,第198页。
    ③洪震寰,墨经力学综述,科学史集刊第7期,1964年,第28444页;徐克明,墨家的物理学研究,科技史文集第12辑,1984年,第54455页;杜石然等,中国科学技术史稿(上册),科学出版社,1982年,第12l页。
    ④《淮南子?原道训》,诸子集成本,中华书局,1986年,第5页。
    ⑤东汉高诱注解淮南子“寂者主浮”句说:“寂,空也。舟船之属也。”
    ⑥唐?马总:《意林》卷5引《秦子》。
    ⑦唐?马总:《意林》卷5引杨泉《物理论》。
    ⑧唐?马总:《意林》卷5引《庄子》。
    ⑨邓玉函译,王征记录整理,《远西奇器图说》。
    ⑩清?郑复光:《费隐与知录》,上海科学技术出版社,1985年,第57页。
    ⑾唐?马总:《意林》卷5第57页。“凡水之浮物,由于水有本重,既为流体,不得不平。忽物来水面压下数寸,则物底之水逼下数寸,而旁溢上出之。水力欲下趋物底,复其原位取平,故与物相抗,而负之使浮也”。

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