《人類科學(xué)技術(shù)史-212》十六、十七世紀(jì)力學(xué)（下）

十六、十七世紀(jì)力學(xué)（下）
4.帕斯卡的成果

托里拆利的同時(shí)代人帕斯卡(1623-1662年），也做了一系列重要的力學(xué)實(shí)驗(yàn)并獲得了有意義的結(jié)果。

帕斯卡從小擅長(zhǎng)數(shù)學(xué)，16歲時(shí)就發(fā)表了關(guān)于圓錐曲線的論文，隨后在數(shù)學(xué)研究方面取得了不少成果，并為幫助父親計(jì)算稅收而制造了一個(gè)計(jì)算裝置，它被認(rèn)為是第一架數(shù)字計(jì)算器。不久，他的興趣轉(zhuǎn)向力學(xué)問(wèn)題。

帕斯卡在得知托里拆利所做的真空實(shí)驗(yàn)后，用汞和水重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。不久，他又設(shè)計(jì)了一個(gè)新實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證明了托里拆利的發(fā)現(xiàn)。他讓自己的親戚皮埃爾在家鄉(xiāng)克勒蒙菲朗的多姆山上，從山腳到山頂，在不同高度觀測(cè)托里拆利氣壓計(jì)中水銀柱的高度，發(fā)現(xiàn)越往山上走水銀柱高度越低。他自己在巴黎的高層大樓上做了同樣的實(shí)驗(yàn)。帕斯卡由此得出結(jié)論，大氣壓力隨高度的變化而變化，高度越高，壓力越小。他提出，可用氣壓計(jì)作為測(cè)量高度的儀器。雖然這種測(cè)量直到18世紀(jì)初才開始實(shí)際進(jìn)行，但帕斯卡的發(fā)現(xiàn)在以后的地學(xué)研究乃至現(xiàn)代航空技術(shù)中都得到了廣泛應(yīng)用。

帕斯卡還同皮埃爾一起，對(duì)同一地點(diǎn)大氣壓力的變化進(jìn)行了觀察和測(cè)量，對(duì)氣壓變動(dòng)與天氣情況的關(guān)系作了初步探索，為利用氣壓計(jì)預(yù)測(cè)天氣開辟了道路。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，帕斯卡對(duì)托里拆利的水銀氣壓計(jì)作了改進(jìn)，還發(fā)明了注射器。

在流體力學(xué)領(lǐng)域，帕斯卡也有重大貢獻(xiàn)，其中最主要的是提出了關(guān)于液體壓力的一個(gè)定律，即帕斯卡定律。帕斯卡通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在密閉的容器中，靜止流體的某一部分發(fā)生的壓力變化，都能毫無(wú)損失地傳遞到流體的各個(gè)部分和容器壁。例如，在水力系統(tǒng)中的一個(gè)活塞上施加一定的壓力，必將在另一個(gè)活塞上產(chǎn)生相同的壓力增量。如果第二個(gè)活塞的面積是第一個(gè)活塞的10倍，那么作用于第二個(gè)活塞上的力也將增大為原來(lái)的10倍，而兩個(gè)活塞上的壓強(qiáng)仍然相等。這個(gè)定律后來(lái)成為各種液壓機(jī)械的工作原理，得到極為廣泛的運(yùn)用。

5.居里克的實(shí)驗(yàn)

居里克(1602-1686年）的工作對(duì)于研究氣體的物理性質(zhì)極有價(jià)值。他生于馬德堡，曾先后就讀于萊比錫大學(xué)和萊頓大學(xué)。在當(dāng)時(shí)有關(guān)真空問(wèn)題的爭(zhēng)論的影響下，他開始研究氣體力學(xué)。

為了產(chǎn)生局部真空，居里克發(fā)明了空氣泵，并利用它做了一系列實(shí)驗(yàn)。他曾把一個(gè)裝滿水的木桶封閉起來(lái)，并用瀝青將其縫隙填死，然后用泵將水抽出。但空氣仍能通過(guò)微孔進(jìn)入木桶內(nèi)。于是，他改用銅制容器，并直接將容器中的空氣抽出。但抽到一定程度時(shí)，銅制容器便被壓扁。居里克認(rèn)識(shí)到，這是由于空氣壓力的作用以及容器沒(méi)有制成真正的球形。他又制作了一個(gè)銅球，終于成功地獲得了很高的真空度。上述這些工作，都是在著名的1654年公開實(shí)驗(yàn)之前就已完成的。

1654年，居里克在雷根斯堡為國(guó)王斐迪南三世和帝國(guó)會(huì)議演示了大氣壓力的存在。他在兩個(gè)空心的銅制半球之間放上墊圈，并將其合在一起，形成一個(gè)直徑35.5厘米的球體，然后通過(guò)球體上的氣嘴將其中的空氣抽出，關(guān)上閥門。兩個(gè)半球被空氣壓力緊緊地壓在一起，最后用16匹馬才將其拉開。這就是"馬德堡半球"實(shí)驗(yàn)。居里克第一次顯示了大氣壓力的巨大力量。為氣體力學(xué)作出了開拓性的貢獻(xiàn)。

居里克用天平比較了一個(gè)容器在被抽空前后的重量，證實(shí)了空氣是有重量的。他在空氣和真空性質(zhì)方面還有其他發(fā)現(xiàn)，如：被抽空的容器的視在重量在不同日子中存在著差異，是由于大氣壓力的微小變化以及大氣對(duì)懸浮容器所產(chǎn)生的阿基米德上推力的作用；光線能夠穿過(guò)真空，而聲音則不能，等等。

居里克的研究及其成果，最早是由維爾茨堡大學(xué)教授朔特(1608-1666年）在其《流體——?dú)怏w力學(xué)》一書中進(jìn)行介紹和論述的。居里克的有趣實(shí)驗(yàn)吸引了玻意耳，并促使他進(jìn)一步深入地研究居里克實(shí)驗(yàn)中所涉及的問(wèn)題。

在羅伯特.胡克的協(xié)助下，玻意耳改進(jìn)了居里克的抽氣機(jī)，并用它作了大量實(shí)驗(yàn)。玻意耳發(fā)現(xiàn)了空氣的"彈性"，即在恒溫條件下，空氣的體積與壓力成反比。這個(gè)發(fā)現(xiàn)后來(lái)被稱為玻意耳定律，雖然玻意耳當(dāng)時(shí)還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這個(gè)發(fā)現(xiàn)的重要性。玻意耳的其他實(shí)驗(yàn)，還表明了空氣對(duì)于燃燒、動(dòng)物的呼吸、聲音的傳播等都是不可缺少的。

6.建筑中的力學(xué) （1）材料

達(dá).芬奇在自己的筆記中曾談到了關(guān)于柱和樑的強(qiáng)度，這表明他曾對(duì)材料在應(yīng)力下的性能進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)研究。雖然他使用的方法還較粗糙，表達(dá)也還欠嚴(yán)謹(jǐn)，但他仍提出了一些很有價(jià)值的見(jiàn)解，并表明自己已經(jīng)超越了純粹根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定建筑中如何使用材料的時(shí)代。達(dá).芬奇注意到，由一組柱子緊密結(jié)合在一起而構(gòu)成的一個(gè)立柱所能夠承受的荷載，要數(shù)倍于這些柱子在各自獨(dú)立狀態(tài)下所能承受的荷載。他指出，一根規(guī)定截面積的支柱的承載能力與其高度成反比。他還試圖算出支柱的高度和直徑發(fā)生變化時(shí)，其承載能力的變化。他對(duì)樑也作了類似的實(shí)驗(yàn)，得出了關(guān)于規(guī)定截面積的樑的承載能力與其跨度成反比的結(jié)論。

到17世紀(jì)初，伽利略對(duì)材料強(qiáng)度的問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。在《關(guān)于兩種新科學(xué)的談話》這本書中，他詳細(xì)考察了材料力學(xué)的一系列問(wèn)題，如樑的抗斷裂力及其與樑的長(zhǎng)度、厚度、截面積等因素的關(guān)系、金屬絲的抗拉性等等。由伽利略開始，許多學(xué)者在這一領(lǐng)域展開了研究。瑞典學(xué)者沃茨、法國(guó)建筑師布隆代爾、意大利學(xué)者馬什蒂和格蘭蒂等人，曾對(duì)伽利略關(guān)于樑的強(qiáng)度的結(jié)論作了某些修正。法國(guó)物理學(xué)家馬略特(1620-1684年）通過(guò)對(duì)樑的實(shí)際試驗(yàn)而提出，纖維在不同荷載下的延展程度也不同，延展程度與荷載成正比，但延展有一個(gè)度，超過(guò)這個(gè)度纖維就不能承受荷載而斷裂。

（2）結(jié)構(gòu)

在文藝復(fù)興的影響下，古典式建筑重新流行。同時(shí)，出現(xiàn)了一些介紹和說(shuō)明古典建筑結(jié)構(gòu)的著作，其中最有代表性的，是卓越的意大利建筑師帕拉弟奧(1518-1580年）所著的《安德列.帕拉弟奧的建筑學(xué)》。

帕拉弟奧早年曾在建筑工地當(dāng)石工，1540年開始從事設(shè)計(jì)，并多次到羅馬考察和測(cè)繪古羅馬建筑遺址，1544年出版了《古羅馬遺跡》一書。他設(shè)計(jì)的具有古典主義風(fēng)格的宅邸和別墅式樣長(zhǎng)期被人模仿，18世紀(jì)在歐洲達(dá)到鼎盛并傳播到世界其他地區(qū)。

在4卷本的《建筑學(xué)》中，帕拉弟奧用許多自己的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)明古羅馬的設(shè)計(jì)原則。其中第一卷研究了材料、柱式和裝飾；第二卷是他本人的建筑設(shè)計(jì)圖和古代建筑的復(fù)原圖，圖上均按比例標(biāo)出尺寸；第三卷是橋樑、會(huì)堂等公共建筑的設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃；第四卷是古羅馬神殿的復(fù)原圖。帕拉弟奧研究了跨度與拱座厚度的關(guān)系，認(rèn)為拱座的厚度不應(yīng)少于拱跨的1／5，但也不必多于其1／4。但他沒(méi)有考慮到拱高對(duì)于拱的水平推力的影響，并以為半圓形拱對(duì)其拱座沒(méi)有水平推力。他的這種有關(guān)拱的力學(xué)觀點(diǎn)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有受到懷疑。

17世紀(jì)上半期，法國(guó)建筑師德朗在《拱的建筑》一書中，提出了一種確定拱座應(yīng)有厚度的作圖方法。這種方法對(duì)半圓形、弓形和尖形的拱都適用，其主要之點(diǎn)是根據(jù)拱的弧度來(lái)決定拱座的厚度。不過(guò)這個(gè)方法也有缺點(diǎn)，它未把拱座的墩的高度和拱的荷載這兩個(gè)因素考慮進(jìn)去。