對材料和晶體的研究(1 / 3)

對材料和晶體的研究

在長期的器物製造和工程建築中,人們逐漸懂得了材料的性能。材料在使用過程中或經過加工後會發生彈性形變,我國古代對這一點也很早就注意到了,從而發現了彈性定律。

晶體是固體中的物質之一,它也是古人感興趣的研究對象。我國古代對於晶體的認識是比較豐富的,許多研究者的見解,豐富了固體物理學的研究內容。

在《墨經·經下》中分析了梁木的形變,認為梁木負載了重量並不撓曲,這是因為它勝任重量;而捆束在兩根柱子間的繩子不加重量也會發生彎曲。

從現在的觀點來看,梁木具有抵抗彎曲的能力,繩子隻能抵抗拉伸。《墨經》中以彎曲的情形憑經驗區分了這兩種不同性質的材料。當然,梁木負載重量也會發生形變,但是在許用應力的範圍之內,人是察覺不出的。

關於材料的彈性形變,東漢經學家鄭玄在為《考工記》“弓人”條中“量其力,有三鈞”一句作注說:“假令弓力勝三石,引之中主尺,弛其弦,以繩緩擐之,每加物一石,則張一尺。”其中的“緩擐”是很鬆地套上的,沒有力的作用。

唐代初期經學家賈公彥《周禮注疏》卷42中疏解鄭玄注時指出:

鄭又雲“假令弓力勝三石,引之中三尺”者,此即三石力弓也。必知弓力三石者,當“弛其弦,經繩緩擐之”者,謂不張之,別以一條繩係兩簫,乃加物一石張一尺,二石張二尺,三石張三尺。

其中的“兩簫”是指弓的兩端。

可以看出,鄭玄和賈公彥的論證都是非常樸素和簡捷的,並且也是很實用的。他們描述了弓的形變和它所受的外力成正比的關係,從而發現了彈性定律。

我國古人發現的彈性定律,比西方早1500多年。當然,無論是弓還是彈簧,這條定律隻適用於彈性體在初始形變的小範圍之內才是正確的。

在《荀子·勸學篇》中,還講到了在外力取消以後材料的形變會保留下來的問題,指出筆直的木材經火烤加工,變成輪子以後,即使枯幹了也不會再挺直。這就是現在力學中講的塑性形變。

在《考工記》“鮑人”條中,講到了皮革的彎曲和強度問題。它指明,在選用皮革的時候,要拉伸以後皮革各方麵都是直的才好,如果有不直的,那一定是一方緩一方急的緣故。如果一方緩一方急,那用不多久一定是急的一方先裂開。

古代人大概曾經利用發辮做繩,並且在生產實踐中發現有些發辮容易斷,有些卻不容易斷,這就引起了關於毛發引重的討論。

按照通常的理解,一根毛發是很容易被重物拉斷的。墨家認為,有被拉斷的,有不被拉斷的,這之間的關鍵是在於毛發的結構是否均勻。

當毛發均勻,並且它均勻地承受重量的時候,毛發就不會被拉斷。如果掛的物體很輕毛發就被拉斷了,那是毛發不勻的緣故。

同樣的觀點也見於《列子·湯問篇》。晉代學者張湛在這部書的注中講道:“發甚微脆而至不絕者,至均故也。今所以絕者,猶輕重相傾,有不均處也。”

這些關論斷,在思想上與墨家是一致的。

戰國後期的名家又對這一論題加以解釋說:“發引千鈞,勢至等也。”這意思是說,之所以一根毛發能引千鈞重物,是由於重物作用在毛發上的“勢”到處相等的緣故。正是在這種認識上,後來又出現了“一發千鈞”的成語。

從科學觀點來看,“發引千鈞”當然是不可能的,因為任何材料都有它的極限強度,超過這個極限,材料就會斷。但是從材料結構均勻可以承受更大重力這一點認識來說,卻是正確的。