静力学的发展

静力学的发展

古代自然科学经过古希腊的辉煌时代，随着罗马帝国的崛起并且于公元前2世纪征服希腊而逐渐失去了光芒。而紧接着却是西方长达一千年的黑暗的中世纪。在这漫长的历史时期中，每一代都是优者亡劣者存，国民素质代代下降，愚昧变成了大家恭维的德性，人类已经远离古希腊对生活的乐观态度，禁欲主义变成了人类精神枷锁。

处在埃及北边，地中海沿岸的亚力山大城，在古希腊时期，由于与希腊毗连，希腊人、埃及人、阿拉伯人混居，就一直受希腊文化的影响而成为古希腊文化的一部分。在希腊被征服后，起到了延续与保存希腊文化的作用。

在欧洲处于黑暗时代，阿拉伯吸收了古希腊文化并将它保存了下来。文艺复兴后，许多古希腊失传的书籍如欧几里得的《几何原本》，从阿拉伯文翻译回去。阿拉伯这个地区，在人类文明史上起了东西交流的作用，中国的发明如火药、印刷术也是经过阿拉伯传入欧洲的。

从14世纪末开始了的欧洲文艺复兴时期，科学精神又逐渐复活。在力学中出现了空前的景象，它以致于成为整个自然科学最活跃的中心。

这一时期在力学上的主要进展乃是：静力学体系的建立与完成；哥白尼日心说的提出与胜利；第谷、开普勒对天体运行的精密观测；伽利略、牛顿关于动力学基本原理的建立等等。本章我们先就静力学的成就作一介绍。内容基本上是17世纪的成果。

1 埃及与阿拉伯的古代的科学技术与力学

1．1 亚力山大的希罗与帕普斯

亚力山大的希罗（Hero of Alexandria,约公元62年前后）是一位埃及人，关于他的生活事迹除了他留下的著作外什么也不知道。连他的名字也不确实，一说是Heron。

希罗留下的重要著作有两本，一本是《气体力学》（Pneumatics），另一本是《力学》（Mechanics）。这两本书的名字说明他是一位著名的力学家，书的内容说明他可能在亚力山大一带的大学里教授过数学、物理、气体力学与力学。

《气体力学》这本书很像是一本教学随笔，其中涉及有真空、水与空气的压力、虹吸管、一种火泵、水乐器、大量玩具、室内魔术用具等内容，其中有些玩具是用热空气或水蒸汽来驱动的。气体力学的理论部分有对有错，不过还是当时理论的最高水平。

希罗的最著名的发明是一个空心球体上面连上两段弯管，当球内的水沸腾时，蒸汽通过管子喷出，这个球就迅速旋转，这是最早的蒸汽机。不过那时只是用于祭神与玩耍。

在1896年，又发现了希罗的一种著作：《测量学》，在发现这本书之前，人们认为他是一位技师，由于这本书的发现，人们才了解到他还是一位训练有素的应用数学家。

帕普斯（Papusof Alexandria，约300－350）出生在亚力山大，并且晚年卒于亚力山大城。他最重要的贡献是把古希腊的全部数学汇编于八本书中，除了一本失传外其他七本都流传了下来。他的这些著作培育了后来的希腊科学家。我们现在所知道的古希腊的数学大部分是从他的著作中得到的。此外他还仔细地批注了托勒密的天文体系，对于推进托勒密体系的传播起了很大的作用。

1．2 阿拉伯古代的科学技术与力学

阿拉伯人在公元7世纪征服了印度、西班牙、北非、南意大利等的大片土地。到了公元8世纪他们分裂为东西两个王国。东部的以巴格达为首都，西部的以西班牙的哥尔多华为首都。他们吸收了古代埃及、古希腊、古印度、波斯的文化，把那些地方的著作翻译为阿拉伯文。他们还开办学院、设天文台，聘请印度、希腊、波斯等地的学者来讲学。所以在中世纪的一个时期科学技术非常发达。

在8到9世纪后阿拉伯逐渐分裂为若干小国家，在强有力的国家专制之下，修建了许多工程设施，如灌溉工程、给水设施、运河、防砂墙、水库等。抽水机、风车与水磨被大量使用。手工业与农业有了分离。在城市有新兴的纺织、造纸、陶瓷、金属加工等手工业。

相应地，数学、天文学与力学也有很高的水平。在数学上，从公元8世纪引进了印度的记数法，至今世界通用的十进数字，阿拉伯数字就是那时形成的。现今世界通称的代数（Algebra）一字，就是从阿拉伯文al-jebr 来的，其中al是冠词没有什么意思，jebr是!恢复!与!还原!的意思。在天文学上，那里出现了天文学家阿卜!利汗!比鲁尼(Abu-Reihan-MehanmedeBiruni,973－1048)，他制造了许多天文仪器，利用他的仪器可以把星球的轨道的测量精确到，他还测量过地球的半径。

在力学方面阿拉伯最杰出的学者，要数阿勒哈齐尼（Al-Khazini,约12世纪）了，在大约1121年，他写了一本名为《智慧的天平》的书。书中系统介绍了具有等臂天平和秤盘的使用，秤杆上刻有刻度，秤盘共有5个，其中有的是活动的，因而可以当杆秤使用，也可以把一个秤盘挂在另一个秤盘下面用来在水中称东西。阿勒哈齐尼利用这种天平确定了许多物质的比重。他研究清楚了水的比重与温度的依赖关系。

他发现了空气有重量，而且它的密度越接近地面就越大。阿勒哈齐尼指出阿基米德的液体浮力定律也适用于空气。由于空气的浮力所以物体的重量在不同的高度是不同的，越在高处称量就越重。

1．3 约丹努对静力学的贡献

约丹努（Jordanusde Nemore,大约在1220年前后）是中世纪最伟大的力学家。关于他的身世没有留下什么，也无从考查。"De Nemore"是"一个未知的地方"的意思。他留下来的著作主要是力学，特别是《重物的科学》，即静力学。有12篇论文留下来，这些论文是否他的著作，众说不一，不过能肯定其中的一篇是属于约丹努的。在这篇论文中，他以"位置的重力"的概念引进了力的分量。他引进了无限小的思想来讨论静力学，在讨论杠杆平衡时，他的假定类似于用现在的语言来说，以在无限小虚位移上作的功证明了杠杆原理。

约丹努提出了他的原理为："所有的重物都趋向于中心，其强度是抵抗一个向下运动的能力。一个运动的物体在下降时较重是当它向中心运动时更直接。一个更斜的下降是对于采取更不直接的路径而说的。"

约丹努的这个原理可以用图1来说明。图中处于铅垂圆上的与a两b个重物，分别由杆与ca与中心相连。比起b来说重力较小，是因为当它们沿圆周各下降相等的距离与时，垂直下降的高度比对应的为小。bh换一种说法oz，沿圆弧运动比起沿圆弧运动更斜，它的下落路径更不直接

虚功原理的早期萌芽

约丹努利用上述这种想法证明了直杠杆的平衡问题。他的证明是"令是要讨论的梁，为支点，与是梁端所悬的重物，设它们的重量之比为。则杠杆保持平衡不动。事实上，若下落且梁有一个新位置，下落了而上升了距离。若有等于的重物置于点，距离，它将要升起的距离为。显然对于之比和对之比一样。所以，能够把升到相当于能够把升到。但是和是平衡的，所以假设的运动是不可能的，反方向的运动也是一样不可能。"

2 斯梯芬的生平及其贡献