材力论文-201231106-李聪

浅谈中国传统文化中的材料力学 （大连理工大学工程力学系钱令希班 2012 级 大连 116024） 李 聪 指导教师：王博 浅谈中国传统文化中的材料力学 2 浅谈 中国传统文化中的材料力学 李聪 （ 201231106） （大连理工大学工程力学系钱令希班 2012 级 大连 116024） 谨以此文献给拥有渊博的力学史知识的材料力学课王博老师！ 【 摘要 】 通过学习和了解我国古代的相关力学成就，在深入理解材料力学知识的同时也有助于了解我国对世界文明发展的贡献，促进大学生人文和综合素质的培养。本文主要介绍几个实例来说 明中国传统文化中有关材料力学的成就。 【 关键词 】 传统文化，材料力学 一， 最早的文字记载 关于材料力学有关的概念，我们最早可以从周人的古书周易中找到，若按此来算，中国人算得上是材料力学的开山鼻祖了。 在周易中卦二十八（大过）中有记载： （撰下兑上）大过：栋橈。利有攸往，亨。 初六：藉用白茅，无咎。 九二：枯杨生梯，老夫得其女妻。无不利。 九三：栋橈，凶。 九四：栋隆，吉。有它，吝。 九五：枯杨生华，老妇得其土夫。无咎无誉。 上六：过涉灭顶，凶，无咎。 文中 橈 即为挠，弯曲，向上凸为 隆。九三、九四卦象的含义是： 九三：屋梁压弯了，凶险。 九四：屋梁隆起不弯，吉利。但有意外事故，不妙。 周易描述了生活中可能出现的卦象，即房屋的大梁的形态来预测吉凶，这是十分符合材料力学常识的。在梁的力学性质一样的前提下，梁受力向下弯曲，挠曲线向下的状浅谈中国传统文化中的材料力学 3 态下的安全性能远远没有大梁向上弯曲的状态下高，因此周易言栋橈为凶是有科学道理的。 二， 材料力学的发展 除周易外， 西周至春秋中叶间形成的诗经、 春秋战国的时代的考工记、墨经、荀子、汉代的淮南子、宋代的营造法式、明朝的天工开物等著作中 ，已有关于刚性、韧性、挠度和复合材料的初步知识。这些都是我国古代人民在生活和工程实践中积累的丰富力学经验中得来的，是中国民族永远的瑰宝。 在人类的活动中 , 各种固体材料和器物往往由于强度不够而破坏。诗经中记载了一些破坏的事例。卫风氓中的“诡垣” ,就是毁坏的墙头， 圈风破斧说 :“既破我斧 ,又缺我析”，“既破我斧 ,又缺我漪”，“既破我斧 ,又缺我钵”。折 ,方孔的斧 (有的译成“方凿子” )。有的认为铸和辣都属于凿类；也有的认为铸是锯或三齿锄 ,袜是锹或独头斧 ,等等。它们是兵器、工具还是农具 ,亦众说不一但“ 破”和“缺”都指强度破坏 ,这点却是一致的。小雅小弃中“析薪她矣” ,是讲劈柴要顺着木的纹理，这是关于木材各向异性的记载，其他类似的观点还有很多，在此不再赘述。 “力，形之所以奋也”是我国古代中关于力的概念最早论述，它出自于墨经。 翻译过来便是：力是物体之所以改变运动状态的原因。这与牛顿提出的牛顿第一定律大相径庭，我们应当注意到，牛顿生于公元 17世纪，而墨经完成于公元前 388年，比西方早了 2000多年。 书中还曾记载“发均县 ( 悬 ) ，轻而发绝，不均也。均，其绝也莫绝”。这句话便有几种理解方式，均与 力学相关。古文中的“均”字可以有平衡或者均匀的意思。一种意见认为这句话是讲述平衡力的道理。用线或发悬物 , 会不会断裂决定于外力与应力平衡不平衡 , 或以头发拉力臂端 , 断绝与否取决于杠杆两边是否均衡。另一种意见认为这条经说明用毛发挂重物 , 断或不断的关键在于材料和受力是否均匀 , 材料结构的不连续性会使强度降低。此外 , 也有人认为“平衡” 和“ 均匀” 两意兼而有之。 考工记所载关于青铜的“ 六齐” 规则表明 , 春秋战国时就能针对青铜浅谈中国传统文化中的材料力学 4 器的不同用途 , 相应地选取比较适当的铜锡比例 ,控制材料的刚度和韧性， 使得钟声悦耳、镜面光泽、兵器和工具坚硬而锋利。 在 1637年出版的天工开物中 ,宋应星写道：“凡试弓力，以足踏弦就地，种钩搭挂弓腰，弦满之时，推移秤锤所压，则知多少。”并且书中还附有一张“以弓定力”的插图，所画的测量方法虽与文字略有差异 异 , 但其受力情况完全相同。用现在的术语来讲 , 所谓试弓力 , 实际上就是测量弓的刚度 一定变形 （ 弦满 ）下所需的力。这不仅是测量弹性体刚度的一个早期试验 , 而且用秤即利用杠杆原理来测力 , 与近代材料试验机的测力方法也有类同之处。 在北宋年间李诫的营造法式中，推荐矩形截面梁 的高宽比为 3:2，这一取值在最佳强度设计（ ： 1）和最佳刚度设计（ ： 1）之间。 我国著名材料力学史专家老亮曾统计了 34座古建筑中 121根梁类构件矩形截面高宽比的统计分布，发现 高宽比在（ ： 1） （ ： 1）， 这着实体现了中国古代高超的建筑艺术和 先进 的理论 基础。 最后尤其值得一提的是东汉是东汉经学家郑玄 ( 127 200 )的考弓记弓人。虽然是否认定其比胡克建立弹性定律早还存在一定的争议， 但最少它在胡克年代 (1678)的 1000多年前就以弓的拉力为研究对象建立了力与位移的比例关系，是朴素的弹性定律。前文所提到的天工开物也谈及弓拉力与拉长的线弹性关系。 三、总结 我国传统文化中有很多与材料力学息息相关的文字等材料，他们直接反应了我国古代人民在科学技术尤其是材料力学方面伟大的成就，但是我们仍然需要看到，我们过去虽然有如此卓越的成就，成功应用到了工程建设的实践活动中，但是我们缺乏理论上的总结和交流传播，以至于我们的一些科学技术成就得不到世人的认可，由于封建制度的长期延续，严重束缚了生产力的 发展，因而也限制了科学技术的成长，致使经典力学乃至材料力学作为一个系统的学科没能在中国产浅谈中国传统文化中的材料力学 5 生，而是于文艺复兴期间在欧洲建立并发展起来。 我们还需要继续努力！ 【参考文献】 1. 老亮 国防科技大学学报，19852. 老亮 力学与实践 . 19913. 老亮 长沙 : 国防科技大学出版社 4. 季顺迎 科学出版社 5. 季顺迎 . 力学史知识在材料力学教学中的结合与实践 . 科学殿堂的力学之光