第二章 力學 第二節 滑輪與轆轤

滑輪,古代人稱它為「滑車」。應用一個定滑輪,可以改變力的方向;應用一組適當配合的滑輪,可以省力。至少從戰國開始,滑輪在作戰器械、井中提水等生產勞動中被廣泛應用。傳說公元前第4世紀,巧匠公輸般為季康子葬母下棺,使用了滑輪。漢代畫像磚和陶井模型都有滑輪裝置。

山東武梁祠一漢代畫像磚,描繪了人們從水中打撈鐵鼎的畫面(圖2-3):河岸兩邊各有三人前後拉著繩子,腳蹬河岸斜坡,彎腰使勁;繩子一端通過滑輪連結在鐵鼎上;上下左右,眾人圍觀。它描述的是秦始皇「泗水取鼎」(《史記·秦始皇本紀》)的故事。傳說,大禹造了九個巨鼎,以便人們識別善惡。九鼎從夏傳到商、周,成了最高統治者權力的象徵。在周赧〔nan蝻〕王十九年(公元前296年),秦昭王從周王室取走了九鼎,不幸途中一鼎竟然飛入泗水河。後來,秦始皇去東海覓神仙,路過此地,便命令千人入泗水河打撈寶鼎。可是,當寶鼎剛拉出水面,一條龍(在畫面鼎上)衝出,咬斷繩索,寶鼎又沉落河底。畫面左邊生動地刻划了繩子斷裂一剎那,拉繩人朝天仰倒的情景。這幅畫和這個故事表明那時候已普遍使用滑輪。

滑輪的另一種形式是轆轤(圖2-4)。將一根短圓木固定於井旁木架上,圓木上纏繞繩索。索的一端固定在圓木上,另一端懸吊木桶。轉動圓木即可提水。只要繩子纏繞得當,繩索兩端都可懸吊木桶。一桶提水上升,另一桶往下降落,這就可以使轆轤總是在作功。「史佚始作轆轤」(《物原》),史佚是周代初年的史官,表明轆轤大概起源於商末周初。據曾公亮在《武經總要前集·水攻·濟水府》中記載,周武王時有人以轆轤架索橋,穿越溝塹。唐代劉禹錫(公元772-842年)描寫了他親自所見的一種稱為「機汲」(《劉夢得文集·機汲記》)的提水機械(圖2-5),它是將轆轤與架空索道聯合併用,以便將山下流水一桶桶地提上山頂,既澆田地又省力。

山頂上隱約可見絞轉繩索的轆轤。

現有史籍中最早討論滑輪力學的還是《墨經》。書中將向上提舉重物的力稱為「挈」〔qie竊〕,將自由往下降落稱為「收」,將整個滑輪機械稱為「繩制」。《墨經·經下》寫道,以「繩制」舉重,「挈」的力與「收」的力方向相反,但同時作用在一個共同點上。提挈重物要用力,「收」不費力。若用「繩制」提舉重物,人們就可省力而輕鬆。在「繩制」一邊,繩較長、物較重,物體就越來越往下降;在其另一邊,繩較短、物較輕,物體就越來越被提舉向上。如果繩子垂直,繩兩端的重物相等,「繩制」就平衡不動。如果這時「繩制」不平衡,那麼所提舉的物體一定是在斜面上,而不是自由懸吊在空中。(圖2-6)對於墨家豐富的力學知識我們不能不欽佩!

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