明朝物理学
韩彩雅-
明朝物理学
明代的物理学在某些方面，如声学
，
有突出的成就。
但物理学同其他传统科学一样，
发
展十分缓慢。明末西方传教士来华，西方近代物理学知识也开始传入。
第一节力学
材料力学知识
宋应星在《天工开物》
中叙述了测量弓的弹力的方法：
“凡试弓力，以足踏弦就地，秤
钩搭挂弓腰，弦满之时，推移秤锤所压，则知多少。
”①这里涉及到力与形变的关系及其
测
量方法。
风力与水力的利用我国古代很早就知道在航行中利用风力和水
力。
宋应星在
《天工开物》
中指出：<
/p>
“凡风篷尺寸，其则一视全舟横身，过则有患，不及则力软”
，<
/p>
“凡风篷之力，其末
一叶敌其本三叶。调匀和畅，顺风则绝顶张篷
，行疾奔马。若风力洊至，则以次减下。狂甚
则只带一两叶而已”
，
“凡风从横来，名曰抢风。顺水行舟，则挂篷之玄游走。或一抢向东，
止寸平过，甚至却退数十丈。未及岸时，捩舵转篷，一抢向西，借贷水力，兼带风力轧下，
则顷刻十余里”
①。
这里宋应星述及了帆的宽度与
受风力的关系、
帆的顶部与底部受力的大
小，以及船在顺风和侧
向风（甚至逆风）时的航向和张帆方向。宋应星还指出：
“凡舵尺寸，
< br>与船腹切齐。若长一寸，则遇浅之时船腹已过，其梢尾舵使胶住，设风狂力劲，则寸木为难
不可言。舵短一寸，则转动力怯，回头不捷。
..
舵上
所操柄名曰关门棒，欲船北则南向捩转，
欲船南则北向捩转。
”
②论述了舵的长短对舵力大小、舵的方向对船航行方向的影响。从这
些文字中可知，
当时对于作用力和反作用力的大小和方向、
船的受力状况与变化等已
有充分
的认识，因此能操作自如，安全航行。
比重的概念及其应用
程大位在《算法
统宗》卷一中，列出了金、银、玉、铅、铜、铁、石等七种物质的“轻
重率”
（即比重）
，
“谓诸物皆见方一寸，其轻重不同如
此”
。程大位所列数值系引自《孙子算
经》卷上，但由于历代度
量衡的变迁，数值已不准确。
在比重的应用方面，
明代基本上沿袭宋元时代制盐工业发展而创造的测卤法，
即用莲子
检验盐卤浓度的方法。
陆容在
《菽园杂记》
中记曰：
“
..
以
重三分莲子试之。
先将小竹筒装卤，
入莲子于中。若浮而横倒者
，则卤极咸，乃可煮烧；若立浮于面者，稍淡；若沉而不起者，
全淡，俱弃不用。
”①方以智在《物理小识》中写道：
“卤积则能载物，故淘土为巨器，
泛中
流必无沉溺。姚宽曰：煮海试卤者，杓卤而置莲子数枚，三浮五沉者淡；七八浮则淳
卤矣。
取其浮而直。闽人以鸡子、桃仁试之。饭豆亦可试也。
”
②他补充了一种用“饭豆”测试的
方法。另外，方以智还记述了在冶炼多种金属混合其中
的矿石时，由于比重的不同，
“重者
在下，浮土在上，以次分焉
”③。对虹吸现象的进一步认识明代，人们对虹吸现象的认识已
深入一步。徐光启述及“
过山龙”
（即虹吸管）的引水条件是“必上水高于下水，则可为之，
至平则止”
，在流水中“必须上流高于下流”④。徐霞客在游历云南鸡足山时，曾推
断寺庙
里喷泉的高度，
“此必别有一水，其高与此并”⑤。方以
智也认为，过山龙“其来处何高，
则所激之高可与之比。
或故使
之瀑下，
就以筒承瀑，
则水激而上。
上
既出，
则流通而不止矣”
⑥。
①
《天工开物》卷十五《佳兵》
。
①
《天工开物》卷九《舟车·漕舫》
。
②
《天工开物》卷九《舟车·漕舫》
。
①
《菽园杂记》卷十二。
传入的西方力学知识
明末传入我国的
西方近代力学和机械学知识，主要集中在邓玉函（
z
，
1576
—
1
1630
）口授、王徵笔述并绘图的《远西奇器图说录最》
（
1627
）中。该书共三卷。第一卷六
十一款，叙述力学基本知识与原理。包括地心引力，重心，各种几何图形重心的求法，重心
与稳定性的关系，各种物体的比重，
浮力等。
第二卷九十二款，叙述各种简单机械的原理与
计算，包括杠杆、滑轮、螺旋、斜面等一
般知识。第三卷介绍各种实用机械，共五十四幅图
说。
该书汇总
了从阿基米德到十六世纪初的西方力学和机械学知识，
并且其中有些内容引用
了伽利略的著述①。
②
《物理小识》卷七《金石类·盐》
。
③
《物理小识》卷七《金石类·分金炉》
。
④
《农政全书》卷十七《灌溉图谱》
。
⑤
《徐霞客游记》卷七上《滇游日记》
。
⑥
《物理小识》卷八《器用类·转水法》
。
①
参阅严敦杰：
《伽利略的工作早期在中国的传布》
< br>，载《科学史集刊》第七期（
1964
）
，第
8
—
27
页。
第二节声学
对声的认识及应用
宋应星在
《论气》
中写道：
“气本浑沦之物，
..
及夫冲之有声焉，
飞矢是也；
界之有声焉，
跃鞭是也；振之有声焉，弹弦是也；辟之有声焉，裂缯是也；合之
有声焉，鼓掌是也；持物
击物，气随所持之物而逼及于所击之物有声焉，挥椎是也。
”②说明一切声现象都离不开气
的因素，
声
音的产生是因为物体的振动或急速运动对空气的冲击。
他还写道：
“物之冲气也，
如其激水然。气与水，同一易动之物。以石投水，水面迎石之位，一拳
而止，而其文（纹）
浪以次而开，至纵横寻丈而犹未歇。其荡气也，亦犹是焉，特微渺而
不得闻耳。
”①在此宋
应星明确地用水波与声波相比较，
认为声音传播过程中空气的振动与水波的振动类似。
当然
他那个时代还不可能知道声波是纵波而水波是横波的差别。
方以智曾进行声波共鸣现象的观察和实验，他说：
“
《
梦溪笔谈》曰：今有琵琶，以管色
奏双调，则琵琶有声应之，以为异物。殊不知乃常理。
二十八调，但有声同者即应，若遍二
十八调而不应，
则是逸调也
。
古法一律七音，
共八十四调，
更细分
之，
逸调至多，
偶见其应，
便以为奇耳
。智（方以智）按洛钟西应，即此理也。今和琴瑟者，分门内外，外弹仙翁，则
内弦亦动
，如定三弦子为梅花调，以小纸每弦帖之，旁吹笛中梅花调一字，此弦之纸亦动。
曹师夔
鑢磬不应钟，犹之茂先（张华）知铜山崩也。声音之和足感异类。岂诬也哉！
”②他
还记述了一种原始的隔声技术：
“私铸者匿于湖（地洞）中，人犹闻
其锯锉之声，乃以瓮为
甃，累而墙之，其口向内，则外过者不闻其声。何也？声为瓮所收
也。
”③与隔音消声相反，
在音乐演奏中常常为了增强效果而需
要共鸣装置。文震亨写道：
“古人有于平屋中埋一缸，
缸悬铜钟
以发琴声者然。
不如层楼之下，
盖上有楼板，
< br>则声不散；
其下空旷清幽，
则声透彻；
< br>或于乔木、修竹、岩洞、石室之下，地境清绝，更为雅称耳。
”④具有声学特性的
建筑驰名
中外的北京明代建筑物天坛，
其中的回音壁、
三音石和圜丘具有奇妙的声学效果。
“回音壁”
是一道圆形的围墙，高约
6
米，半径约
32.5
米。围墙内有三
座建筑物，北面一座皇穹宇距
离围墙最近处约
2.5
米。
整个围墙整齐光滑，
是良好的声反射体。<
/p>
围墙的弧形使得当入射角
小于
22
°时，声波可被围墙连续反射而不受皇穹宇的散射。因此，如果一人贴近围墙讲话，
而相距较远的另一人如也贴近墙壁，则可听得很清楚。
“三音石”是位于回
音壁中心的一块
石板，人若站在此处击掌，可听到三次甚至多达五六次回响。
②
《论气》气声二。
①
《论气》气声七。
②
《物理
小识》卷一《天类·同声相应之征》
。
③
《物理小识》卷一《天类·隔声》
。
2