第二章 力學 第九節 彈性變形與彈性定律

許多固體材料在外力作用下會產生形狀變化;當外力撤銷時,它又恢複其原來形狀。這在物理學上稱為彈性變形。竹片、弓干、金屬彈簧等等,都具有彈性變形的性能。

中國是毛竹的故鄉。竹片所具有的彈性和彈性變形在歷代曾被廣泛應用。射鳥的彈弓、弓弩的干體,彈棉、碎石、甚至織機上的彈弓,都以竹片製成。20多年以前,曾長期認為中國古代無金屬彈簧,彈簧是西方文明的產物。近幾十年的考古發掘表明,中國人早在春秋戰國時期就製造了金屬彈簧。在湖北隨縣曾侯乙墓中、在襄陽和當陽兩地的春秋末到戰國中期的墓葬中,都出土了以金屬絲繞成的螺旋彈簧,有的迄今尚有彈性。在河北新樂、山西原平等地出土的戰國墓中,還發現了金絲盤簧。遺憾的是,它們在漢代之後沒有得到進一步發展。中國特有的鎖簧和摺疊式金屬簧(又稱「繃子」)得到普遍應用和發展。

金屬的彈性和彈性變形是隨冶煉技術的發展而提高的。古代中國人在鑄造彈性刀劍上曾創造了世界之最。宋代沈括曾記述過與他同時代的人所珍藏的幾把寶劍,它們不僅削鐵如泥,而且「用力屈之如鉤,縱之鏗然有聲、復直如弦」。其中一劍「可以屈置盒中,縱之復直」(《夢溪筆談·異事》)。如此屈伸自如的寶劍,猶如今日以彈簧鋼製成的捲尺。其實,類似的寶劍一直可以追溯到三國時期,那時,魏文帝曹丕的「靈寶」劍能「舒屈無方」。其後,西晉劉琨在其詩中描述百鍊鋼的彈性變形,說「何意百鍊鋼,化為繞指柔」(《文選》卷二五)。宋以後,類似刀劍仍在不斷製造,且成為中國傳統的冶煉工藝之一。凡此種種,都是古代中國人應用金屬的彈性及彈性變形的例證。

至於利用彈性變形的弓箭,中國更有悠久的歷史。距今30000年左右的舊石器文化遺址中出土的石鏃,就是使用弓箭的證明。西周后期,弓的彈性變形被載入詩歌之中。《詩·小雅·角弓》寫道:「騂騂〔xin辛〕角弓,翩其反矣。」大意是:裝調好的角弓,總是以反其作用力的方向彈回。

古代人不僅知道彈性變形,而且「彈力」一詞也使用甚早。唐代段成式在記述某人踢球時所用的「彈力五斗」(《酉陽雜俎·前集·詭習》),就是最好的見證。先秦時期,測定弓弩的彈力是宮廷作坊規定的制度之一。《考工記·弓人》記述弓箭製造技術中指出要「量其力」。這表明當時已有測量弓弩彈力的器具與方法。許多典籍中也留下了測量數據的記載。如,《左傳·定公八年》說:「顏高之弓六鈞」;《管子·輕重甲》說:「十鈞之弩」,等等。令人驚訝的是,在居延漢簡中,內載弓弩彈力數值者達94處之多,其計量單位不僅準確到石、鈞 ,有的甚至精確到斤、兩。更值得一提的是這些測量數值居然和現代力學中用以表示材料剛度(即材料抵抗變形的能力)的大小達到驚人的一致。由此可知,古代中國人早就開始測量材料的剛度了。

究竟如何測量弓弩的剛度?宋應星在《天工開物·佳兵·弧矢》中寫道:

凡試弓力,以足踏弦就地,秤鉤搭掛弓腰。弦滿之時,推移秤錘所壓,則知多少。

宋應星稱這個過程為「試弓定力」,並畫圖示之(圖2-17)。可惜,他的圖中尚未畫出「以足踏弦」的情景。應當說,這只是測量方法之一。漢代以前,或許有更簡單的方法。例如,將弓弦放鬆,或另以一繩鬆弛地系在弓的兩簫(兩端)。提起弓腰,在松繩中間掛上砝碼或秤錘。直到弓的變形達到這種情況為止:再加上砝碼,弓干就會有折斷的危險。這就是我們現在所說的「彈性限度」。此時,弦上所掛砝碼的總重量,就是古代所說的「弓力」,即我們所說的剛度。自然,還可以直接地將砝碼分別掛在弓乾的兩簫,這更符合測量彎弓剛度的物理意義。

正是在「試弓定力」的基礎上,古代人才會有彈性定律的偉大發現。所謂彈性定律,就是指在一定彈性限度內,彈性物體在外力作用下,其變形量的大小與作用其上的外力成正比。這一數學關係最早是由東漢經學家鄭玄發現的。

成書於春秋末的《考工記·弓人》在敘述弓的製造時曾寫道:「量其力,有三均」。鄭玄對此作出了解釋:假定某弓的弓力勝任三石之重,此時其形變數為三尺。若將其弓弦解開,以另一繩索鬆緩地系其兩簫,並在該繩索中央加以重鎚,其結果是:

每加物一石,則張一尺。

唐代賈公彥又對鄭玄的解釋作進一步闡述:

乃加物一石張一尺,二石張二尺,三石張三尺。

可以說,他們既將弓的變形與其所受外力的正比關係講得清清楚楚,又「假定了某弓的弓力勝任三石之重」,顯然已考慮了弓的彈性限度,真是言簡意賅。

在鄭玄之後約1500年,英國科學家胡克(Hooke,Robert,公元1635-1703年)於1676年,在作彈簧實驗時也發現了彈性定律。他就其結果寫道:

在一定的彈性限度內,如果一個單位重量的重體把螺旋絲拉伸了某一個長度單位,那麼二個重量單位的重體就能將它拉伸二個長度單位,三個重量單位的重體就能將它拉伸三個長度單位,如此類推。

胡克還將他的這個發現推廣到金屬、木材、石塊、干土、毛髮、肌肉、玻璃等物體。這個彈性規律後來就被人們命名為「胡克定律」。鑒於鄭玄早於胡克約1500年發現了它,因此,有人建議應當將它稱為「鄭玄—胡克定律」。

鄭玄(公元127—200年),字康成,北海高密(今屬山東)人。幼時入太學,「日夜尋誦,未嘗怠倦」。後遊學10餘年。歸里後,聚徒講學,弟子多達千人。他「博稽六藝」,「質於辭訓」,又「精通曆算」。因黨錮事被禁,遂潛心著述。史稱鄭玄註解《周禮》(《考工記》為其中之一)是「囊括大典,網羅眾家」(《後漢書·鄭玄傳》)。因此,關於弓的彈性規律乃鄭玄之前的發現,甚至是春秋戰國之際「百工」中的「弓人」所為,也不是沒有可能的。當然,鄭玄也完全有條件發現它。至少可以說,他記下了他以及與他同時代人的有關發現。總之,從《考工記》成書時代起,中國人對彈性定律並不陌生。

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