第一节 杠杆

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杠杆原理的发现

　　阿基米德将自己锁在海边的一间石头小屋里，夜以继日地写作《浮体论》。这天突然闯进一个人来，一进门就忙不迭地喊道：“哎呀呀!你老先生原来躲在这里。此刻国王正撒开人马，在全城四处找你呢。”阿基米德认得他是朝内大臣，心想，外面一定出了大事。他立即收拾起羊皮书稿，伸手抓过一顶圆壳小帽，飞身跳上停在门口的一辆四轮马车，随这个大臣直奔王宫。

　　当他们来到殿前阶下时，就看见各种马车停了一片，卫兵们银枪铁盔，森列两行，殿内文武满座，鸦雀无声。国王正焦急地在地毯上来回踱着步子。由于殿内阴暗，天还不黑就燃起了高高的烛台。灯下长条几案上摊着海防图、陆防图。阿基米德看着这一切，就知道他最担心的战争终于爆发了。

　　原来这地中海沿岸在古希腊衰落之后，先是马其顿王朝的兴起，马其顿王朝衰落，又是罗马王朝兴起。罗马人统一了意大利本土后向西扩张，遇到了另一强国迦太基。公元前264年到公元前221年两国打了23年仗，这是历史上有名的“第一次布匿战争”，罗马人获胜。公元前218年开始又打了四年，这是“第二次布匿战争”，这次迦太基起用了一个奴隶出身的军事家汉尼拔，一举轻获罗马人五万余众。地中海沿岸的两霸就这样长年争战，互有胜负。阿基米德的祖国——叙拉古，是个夹在迦、罗两霸中的城邦小国，在这种长期的风云变幻中，常常随着人家的胜负而弃弱附强，游移飘忽。阿基米德对这种眼色外交很不放心，曾多次告诫国王，不要惹祸。可是现在的国王已不是那个阿基米德的好友艾希罗。他年少无知，却又刚愎自用。当“第二次布匿战争”爆发后，公元前216年眼看迦太基人将要打败罗马人，国王很快就和罗马人决裂，与迦太基人结成了同盟，罗马人对此举非常恼火。现在罗马人又打了胜仗，就大兴问罪之师，从海陆两路向这个城邦小国压了过来，国王吓得没了主意。这时他看到阿基米德从外面进来，迎上前去，恨不得立即向他下跪，忙说：“啊，亲爱的阿基米德，你是最聪明的人。听 先王在世时说过，你都能推动地球。”

　　关于阿基米德推动地球之说，这还是他在亚里山大里亚留学时候的事。当时他从埃及农民提水用的“沙杜佛”(吊杆)和奴隶们撬石头用的撬棍，发现了可以借助一种杠杆来达到省力的目的，而且发现，手的握点至支点的这一段越长，就越省力气。由此他提出了这样一个定理：力臂和力(重量)的关系成反比例。这就是杠杆原理。用我们现在的表达方式就是：重量×重臂=力×力臂。为此，他曾给当时的国王艾希罗写信说：“我不费吹灰之力，就可以随便牵动任何重的东西；只要给我一个支点，给我一根足够长的杠杆，我也可以推动地球。”可现在这个小国王并不懂得什么叫科学，他只知道在这大难临头之际，赶快借助阿基米德的神力救他一驾。

　　可是这罗马军队着实厉害。他们作战时列成方队，前面和两侧的士兵将盾牌护着身子，中间的将盾牌举在头上，战鼓一响这一个个方队就如同现代化的坦克一样，向敌阵步步推进，任你乱箭射来也只不过是把那盾牌敲出无数的响声而已。罗马军队还有特别严的军纪，发现临阵逃脱立即处死，士卒立功晋级，统帅获胜返回罗马时要举行隆重的凯旋式。这支军队称霸地中海，所向无敌，一个小小的叙拉古哪放在眼里，况且旧仇新恨，早想来一次清算。

　　这时由罗马执政官马赛拉斯统帅的四个陆军军团已经推进到叙拉古城的西北。现在城外已是鼓声齐呜，喊杀声连天了。在这危急的关头，阿基米德虽然对因国王目光短浅造成的这场祸害很是不快，但木已成舟，国家为重，他扫了一眼沉闷的大殿，捻着银白的胡须说：“要是靠军事实力，我们决不是罗马人的对手。现在要能造出一种新式武器来，或许还可守住城池，以待援兵。”国王一听这话，立即转忧为喜说：“先王在世时早就说过，凡是你说的，大家都要相信。这场守卫战就由你全权指挥吧。”

　　两天之后，天刚破晓，罗马统帅马赛拉斯指挥着他那严整的方阵向护城河逼来。今天方阵两边还准备了铁甲骑兵，方阵内强壮的士兵肩扛着云梯。马赛拉斯在出发前宣布：“攻破叙拉古，到城里吃午饭去。”在喊杀声中，方阵慢慢向前蠕动。按常规，城上早该放箭了。可怎么今天城墙上却是静悄悄地不见一人?也许几天来的恶战使叙拉古人已筋疲力尽了吧。罗马人正在疑惑间，城里隐约传来吱吱呀呀的响声，接着城头上就飞出大大小小的石块，开始时如碗如拳，以后越来越大，简直如锅如盆，火山喷发般地翻将下来。石头落在方阵里，士兵们忙举盾来护，哪知石重速急，一下连盾带人都捣成一团肉泥。罗马人渐渐支持不住了，连滚带爬地逃命。这时叙拉古的城头又射出了飞蝗般的利箭，罗马人的背后无盾牌和铁甲，那利箭直穿背股，哭天喊地，好不凄惨。

　　　　　　　 正是：

　　　　　　　　　　你有万马和千军，我有天机握手中。

　　　　　　　　　　不怕飞瀑半天来，收入潭底静无声。

　　阿基米德到底造出了什么武器使罗马人大败而归呢?原来他制造了一些特大的弩弓——发石机。这么大的弓，人是根本拉不动的，他用上了杠杆原理。只要将弩上转轴的摇柄用力扳动，那与摇柄相连的牛筋又拉紧许多根牛筋组成的粗弓弦，拉到最紧处，再猛地一放，弓弦就能带动载石装置，把石头高高地抛出城外，落到一千多米远的地方。原来这杠杆原理并不只是简单使用一根直棍撬东西。比如水井上的辘轳吧，它的支点是辘轳的轴心，重臂是辘轳的半径，它的力臂是摇柄，摇柄一定要比辘轳的半径长，打起水来就很省力。阿基米德的抛石机也是用的这个原理。他真是把杠杆原理用活了。罗马人哪里知道叙拉古城有这许多新玩艺儿。

　　就在马赛拉斯刚败回大本营不久，海军统帅克劳狄乌斯也派人送来了战报。原来，当陆军从西北攻城时，罗马海军从东南海上也发动了攻势。罗马海军原来并不厉害，后来发明了一种接舷钩装在船上，遇到敌舰就可以钩住对方，军士跃上敌舰，变海战为陆战，奋勇杀敌。今天克劳狄乌斯，为对付叙拉古还特意将舰包上了铁甲，准备了云梯，号令士兵，只许前进，不许后退。奇怪的是，今天叙拉古的城头却分外安静，墙垛后面不见一卒一兵，只是远远望见直立着几副木头架子。当罗马战船开到城下，士兵们举起云梯正在往墙上搭的时候，突然那些木架上垂下一条条铁链，链头上有铁钩、铁爪，钩住了罗马海军的战船。任水兵们怎样使劲划桨，那船再不能挪动一步。他们用刀砍，用火烧，大铁链分毫不动。正当船上一片惊慌时，只见大架上的木轮又“嘎嘎”地转动起来，接着铁链越拉越紧，船渐渐被吊离了水面，随着船身的倾斜，士兵们被纷纷抛进了海里，桅杆也被折断。船身被吊到半空以后，这个大木架还会左右转动，于是那一艘艘战舰就像荡秋千一样在空中悠荡，然后被摔到城墙上，摔到礁石上，成了一堆碎木片。有的被吊过城墙，成了叙拉古人的战利品。这时叙拉古城头还是静悄悄的，没有 人弯弓射箭，也没有人摇旗呐喊，只有那件怪物似的木架，伸下一个大钩抓走了战船。罗马人看着这“嘎嘎”作响的怪物，吓得腿软手抖，海上一片哭喊声和落水碰石后的呼救声。克劳狄乌斯在战报中说：“我们看不见敌人，就像在和一只木桶打杖。”阿基米德的这件“怪物”原来也是用的杠杆原理，只是又加了滑轮。

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古代机械史

　　古代机械史是指十八世纪欧洲工业革命之前，人类创造和使用机械的历史．

　　机械始于工具，工具是简单的机械．人类最初制造的工具是石刀、石斧和石锤．现代各种复杂精密的机械，都是从古代简单的工具逐步发展而来的．古代由于交通不便，文化交流很少，世界上几个基本独立的文化区域，如东亚和南亚、西亚和欧洲的机械发展情况各不相同．如中国古代机械起源早，发展较快，在13、14世纪曾居世界前列，是独立发展的，与其他地区联系不多．

　　公元前三千年以前(史前期)，人类已广泛使用石制和骨制的工具．搬运重物的工具有滚子、撬棒和滑橇等，如古埃及建造金字塔时就已使用这类工具．公元前3500年后不久，古巴比伦的苏美尔已有了带轮的车，是在橇板下面装上轮子而成．

　　史前期的重要工具有弓形钻和制陶器用的转台．弓形钻由燧石钻头、钻杆、窝座和弓弦等组成．往复拉动弓便可使钻杆转动，用来钻孔、扩孔和取火．弓形钻后来又发展成为弓形车床，成为更有效的工具．

　　埃及第三至第六王朝(约公元前2686～前2181)的早期，开始将牛拉的原始木犁和金属镰刀用于农业．铜制工具的制造多用锻打法．约公元前2500年，欧亚之间地区就曾使用两轮和四轮的木质马车．埃及古代墓葬中曾发现公元前1500年前后的两轮战车．叙利亚在公元前1200年制造了磨谷子用的手磨．

　　在建筑和装运物料过程中，已使用了杠杆、绳索滚棒和水平槽等简单工具．滑轮最早出现于公元前日世纪，亚述人用作城堡上的放箭机构．绞盘最初用在矿井中提取矿砂和从水井中提水．这时，埃及的水钟、虹吸管、鼓风箱和活塞式唧筒等流体机械也得到初步的发展和应用．

　　公元前六百年至公元四百年的古希腊和古罗马被称为古典文化时期．这一时期在古希腊诞生了一些著名的哲学家和科学家，他们对古代机械的发展作出了杰出的贡献．

　　如学者希罗关于五种简单机械(杠杆、尖劈、滑轮、轮与轴、螺纹)推动重物的理论，至今仍有意义．这一时期木工工具有了很大改进，除木工常用的成套工具如斧、弓形锯、弓形钻、铲和凿外，还发展了球形钻、能拔铁钉的羊角锤、伐木用的双人锯等．广泛使用的还有长轴车床和脚踏车床，用来制造家具和车轮辐条．脚踏车床一直延用到中世纪，为近代车床的发展奠定了基础．

　　冲制钱币也是这一时期金属加工方面的一大成就，是现代成批生产技术的萌芽．但随着罗马帝国的灭亡，这种技术失传了几百年．

　　约在公元前一世纪，古希腊人在手磨的基础上制成了石轮磨．这是机械和机器方面的进步．约在同时，古罗马也发展了驴拉磨和类似的石轮磨．

　　齿轮系在欧洲最早的应用是装在战车用来记录行车里程的里程计上．杠杆原理在机械上的应用此时已较普遍，如用在建筑上起吊重物的滑车和复式滑车．马车和战车也有了改进．

　　这时期在流体机械和动力机械方面的发展是，首先扩大了桔槔式提水工具和吊桶式水车的使用范围；创造了涡形轮和诺斯水磨等新的流体机械，前者靠转动螺纹形杆，将水由低处提到高处，主要用于罗马城市的供水，后者用来磨谷物，靠水流推动方叶轮而转动，其功率不到半马力．功率较大的有维特鲁维亚水磨，水轮靠下冲的水流推动，通过适当选择大小齿轮的齿数，就可调整水磨的转速，其功率约三马力，后来提高到五十马力，成为当时功率最大的原动机．

　　利用活塞和气缸制成的压力泵和吸水泵，在此时期也有发展．最早出现的是用来灭火的菲罗压力泵，后来又有了从井中提水的吸水泵和压力泵，以及罗马人用于灭火的双筒柱塞泵．

　　热力机械这时主要是作为希腊学者和哲学家们的玩物而出现的．在公元一世纪，希罗的汽转球(又叫风神轮)就是一例．汽转球下部的蒸锅盛水，其上用支管连接着一只空心球．球上有两支方向相反的切向喷口．当锅下烧火、球内的水沸腾变成蒸汽喷出时，如产生的喷气反作用推力足够大，便会推动球体不断转动．汽转球作为第一个把蒸汽压力转化为机械动力的装置而闻名于世，它也许是最早应用喷气反作用原理的装置．

　　公元400～1500年时期属于中世纪，1000年以前为中世纪的前期，1000～1500年为后期，以后的250年为临近工业革命时期．

　　中世纪的前期延绵约600年，机械技术的发展因古希腊和罗马的古典文化处于消沉而陷于长期停顿．后期，随着农业和手工业的发展，意、法，英等国相继兴办大学，发展自然科学和人文科学，培养人才，同时又吸取了当时中国、阿拉伯和伊斯兰帝国的先进科学技术，机械技术开始恢复和发展．

　　首先在西欧开始用煤冶炼生铁，制造了大型铸件．随着水轮机的发展，已有足够的动力来带动用皮革制造的大型风箱，以获得较高的熔化温度，铸造大炮和大钟的作坊逐渐增多，铸件重量渐渐增大．在农业方面创造出装有曲凹面犁板的犁头，以取代罗马时代的尖劈犁头．

　　这个时期还出现了手摇钻，其构造表明，曲柄连杆机构的原理已用于机械．加工机械方面出现了大轮盘的车床．12世纪和13世纪后半期，先后出现了装有绳索擒纵机构的原始钟和天平式的钟．天平式的钟是第一种实际应用的机械式的钟，其中装有时针和秒针，表明时钟齿轮系有了进一步的发展，在15世纪的欧洲家庭中已得到较为普遍的应用．

　　表是公元1500年前开始制造的．重要的改进是用螺旋弹簧代替重物以产生动力，此外还加了棘轮机构．机械式钟表创造的成功，不仅为现代文明所必需，也推动了精密零件的制造技术．机械式钟表后来又得到全面改进，如单摆式时钟取代了原来的天平式时钟．1676年，英国为格林威治天文台制作了摆长不同的两种精密时钟．这时期的怀表采用双金属条，解决了平衡轮的温度补偿问题．

　　在流体机械方面，出现了下冲或上冲式水轮机(水磨)，以及风磨和风轮机．水平下冲式水轮机是由早期水磨改进而成的，到12、13世纪已用作采矿、粉碎、冶炼等作业的动力．这种水轮机经过改进后，于14世纪又发展成为大型上冲式水轮机，用于提升矿石．这一时期西欧在水力利用方面有很大进展，水轮机作坊迅速增加．

　　公元1500～1750年，机械技术发展极为迅速．材料方面的进展主要表现在用钢铁、特别是用生铁代替木材制造机器、仪器和工具．同时，为了解决采矿中的运输问题，在1770年前后，英国发展了马拉有轨货车．先是用木轨，后又换成铁轨．

　　这一时期工具机也获得了不少成就，比如制造出水力辗轧机械和几种机床，如齿轮切削机床、螺纹车床、小型脚踏砂轮磨床及研磨光学仪器镜片的抛光机等．水泵在此时期也有了发展，它主要用于解决当时矿井排水和城市供水问题，包括矿井排水泵、正向旋转泵(1588)和离心泵(1689)等．

　　这时意大利发明了水压空气压缩机(俗称水风箱)，它可用作熔炼钢铁的鼓风机，以取代旧式的皮老虎．1759年又出现了大型鼓风机．风力机械如风磨的应用也更广泛，数量增加，仅英国就已有数千台之多，用于磨粉、泵水和锯木．

　　在动力机械方面，1698年，英国的萨弗里制造的矿井蒸汽水泵，被称为“矿工之友”，它开创了用蒸汽作功的先河．1705年，英国的纽科门发明大气式蒸汽机，它虽然很不完善，但却是第一台工作比较可靠的蒸汽机，主要用于提水，功率可达六马力，这种蒸汽机在1750在前已在欧洲推广，后来又传到美国．

　　这一时期，在欧洲诞生了工程科学．许多科学家，如牛顿、伽利略、莱布尼兹、玻意耳、胡克等，他们为新科学奠定了多方面的理论基础．

　　为了鼓励创造发明，意大利和英国分别在1474和1561年建立了专利机构．十七世纪60年代还建立了科学学会，如英国皇家学会．英国于1665年开始出版科学报告会文献，法国约于同时建立了法国科学院．俄、德两国也分别于1725和1770年建立了俄国科学院和柏林科学院．这些学术机构冲破了当时教会的禁锢展开自由讨论，交流学术观点和实验结果，因而极大的促进了科学技术以及机械工程的发展．

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