疯狂物理·千篇万律(19)~【趣事】“用中学”之古人的杠杆(2)

文摘   2024-05-30 08:23   重庆  




疯狂物理

千篇万律





趣·事

“用中学”之古人的杠杆(2)


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。



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,相当于动力臂;支点到另一端相当于阻力臂。从画面上可见其科学性的是,动力臂稍长于阻力臂。这样,当不汲水时,阻力臂端力矩大于动力臂端力矩,空桶被悬吊在空中;只有施力于动力臂,空桶才能升降。当其降落到井中汲水时,由于动力臂长于阻力臂,人所施力可以小于阻力臂端石块的重力;当提升满水的水桶时,由于阻力臂力矩的作用,又可以省力地将水桶提到地面。值得注意的是,画面上横木显然是被捆扎在支柱上,而不是在横木上穿孔让支柱穿过它。由此可见,古代人在造桔槔时充分注意到了材料的强度。因为横木一旦被凿孔,破坏了其内部的均匀结构,就容易在使用过程中折断或劈裂。    


画像石是汉代的,但桔槔的起源远早于汉代。明代罗颀编《物原》载:“伊尹始作桔槔。”传说,伊尹是商汤的贤臣。据此,桔槔起源于公元前17世纪。汉代之前,桔槔或作颉皋、楔槔、揳槔、桥衡,或简称槔、桥。《墨子·备穴》载,守城的墨家弟子按照其师墨翟的教诲,当遇敌方挖地道攻城时,便“凿穴迎之”,“以颉皋冲之”。这可能是在桔槔长臂端装上刀具,将它改成挖凿机械或战斗机械了。可见,至晚在战国时期,桔槔已相当普遍。

《庄子·外篇·天地》叙述子贡教农夫用桔槔的故事。子贡指出,像桔槔一类机械,“用力甚寡而见功多”,“用力少见功多者,圣人之道”。可是,那农夫宁可抱瓮灌溉田地,也不愿用桔槔一类机械,其理由是,用机械者会产生“机心”,有了“机心”就会“纯白不备”“神生不定”。因此,农夫“羞而不为也”。其实,农夫的理由是该故事编纂者的道德观念而已。    

就杠杆原理的应用而言,不仅有前述桔槔,还有各种工具的柄、剪刀、脚踏碓、水碓等。用于加工粮食的碓,其碓杆就是杠杆。因其借重力捣碎谷物,故力臂(脚踩端)短,而重臂长。又如弩机上称为扳机或悬刀的拨动机件,亦是杠杆的一种。在织机、水排等机械中,杠杆、连杆、曲轴、踏板相结合,形成了复杂的连杆机构。古代人还创造了可滑动杠杆,如雨伞、阳伞的可折叠撑杆。《汉书·王莽传》描述地皇二年(公元21年),王莽令人制造大型雨伞,称为“华盖”,其内有“秘机”,供礼仪之用。2世纪评注家服虞认为,其内有弯曲接头使其伸缩自如,“其杠皆有屈膝,可上下屈伸也”。有趣的是,在山东嘉祥宋山画像石中也描绘了雨伞:一人因股部中箭而卧地不起,左一人为之撑伞遮护,右一人执弓俯身作抚慰状。从图看来,似无可折叠(屈伸)的杠杆,伞盖与伞柄可能是轴套接合的。在以滑动杠杆为基础的创造物中,还有元代一个称为“王漆匠”的人,制造了可折叠船、可折叠天文仪器。

  





   

 何为“千篇万律?”

    宋·苏轼《答王庠书》:“今程试文字,千人一律,考官亦厌之。”千篇一律,形容一种机械的重复。

   而物理学是有趣有理的,物理人也是幽默理性的,李小杨曰:“千篇万律,方显有趣灵魂!”接下来,疯狂物理将与你相约1000个物理故事,感悟10000个规律。

——  END  ——


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