《人類科學技術史-212》十六、十七世紀力學（下）

十六、十七世紀力學（下）
4.帕斯卡的成果

托里拆利的同時代人帕斯卡(1623-1662年），也做了一系列重要的力學實驗并獲得了有意義的結果。

帕斯卡從小擅長數學，16歲時就發表了關于圓錐曲線的論文，隨后在數學研究方面取得了不少成果，并為幫助父親計算稅收而制造了一個計算裝置，它被認為是第一架數字計算器。不久，他的興趣轉向力學問題。

帕斯卡在得知托里拆利所做的真空實驗后，用汞和水重復了這個實驗。不久，他又設計了一個新實驗，進一步證明了托里拆利的發現。他讓自己的親戚皮埃爾在家鄉克勒蒙菲朗的多姆山上，從山腳到山頂，在不同高度觀測托里拆利氣壓計中水銀柱的高度，發現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驗。帕斯卡由此得出結論，大氣壓力隨高度的變化而變化，高度越高，壓力越小。他提出，可用氣壓計作為測量高度的儀器。雖然這種測量直到18世紀初才開始實際進行，但帕斯卡的發現在以后的地學研究乃至現代航空技術中都得到了廣泛應用。

帕斯卡還同皮埃爾一起，對同一地點大氣壓力的變化進行了觀察和測量，對氣壓變動與天氣情況的關系作了初步探索，為利用氣壓計預測天氣開辟了道路。在實驗過程中，帕斯卡對托里拆利的水銀氣壓計作了改進，還發明了注射器。

在流體力學領域，帕斯卡也有重大貢獻，其中最主要的是提出了關于液體壓力的一個定律，即帕斯卡定律。帕斯卡通過實驗發現，在密閉的容器中，靜止流體的某一部分發生的壓力變化，都能毫無損失地傳遞到流體的各個部分和容器壁。例如，在水力系統中的一個活塞上施加一定的壓力，必將在另一個活塞上產生相同的壓力增量。如果第二個活塞的面積是第一個活塞的10倍，那么作用于第二個活塞上的力也將增大為原來的10倍，而兩個活塞上的壓強仍然相等。這個定律后來成為各種液壓機械的工作原理，得到極為廣泛的運用。

5.居里克的實驗

居里克(1602-1686年）的工作對于研究氣體的物理性質極有價值。他生于馬德堡，曾先后就讀于萊比錫大學和萊頓大學。在當時有關真空問題的爭論的影響下，他開始研究氣體力學。

為了產生局部真空，居里克發明了空氣泵，并利用它做了一系列實驗。他曾把一個裝滿水的木桶封閉起來，并用瀝青將其縫隙填死，然后用泵將水抽出。但空氣仍能通過微孔進入木桶內。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，銅制容器便被壓扁。居里克認識到，這是由于空氣壓力的作用以及容器沒有制成真正的球形。他又制作了一個銅球，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年公開實驗之前就已完成的。

1654年，居里克在雷根斯堡為國王斐迪南三世和帝國會議演示了大氣壓力的存在。他在兩個空心的銅制半球之間放上墊圈，并將其合在一起，形成一個直徑35.5厘米的球體，然后通過球體上的氣嘴將其中的空氣抽出，關上閥門。兩個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"實驗。居里克第一次顯示了大氣壓力的巨大力量。為氣體力學作出了開拓性的貢獻。

居里克用天平比較了一個容器在被抽空前后的重量，證實了空氣是有重量的。他在空氣和真空性質方面還有其他發現，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懸浮容器所產生的阿基米德上推力的作用；光線能夠穿過真空，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教授朔特(1608-1666年）在其《流體——氣體力學》一書中進行介紹和論述的。居里克的有趣實驗吸引了玻意耳，并促使他進一步深入地研究居里克實驗中所涉及的問題。

在羅伯特.胡克的協助下，玻意耳改進了居里克的抽氣機，并用它作了大量實驗。玻意耳發現了空氣的"彈性"，即在恒溫條件下，空氣的體積與壓力成反比。這個發現后來被稱為玻意耳定律，雖然玻意耳當時還沒有認識到這個發現的重要性。玻意耳的其他實驗，還表明了空氣對于燃燒、動物的呼吸、聲音的傳播等都是不可缺少的。

6.建筑中的力學 （1）材料

達.芬奇在自己的筆記中曾談到了關于柱和樑的強度，這表明他曾對材料在應力下的性能進行過實驗研究。雖然他使用的方法還較粗糙，表達也還欠嚴謹，但他仍提出了一些很有價值的見解，并表明自己已經超越了純粹根據經驗來決定建筑中如何使用材料的時代。達.芬奇注意到，由一組柱子緊密結合在一起而構成的一個立柱所能夠承受的荷載，要數倍于這些柱子在各自獨立狀態下所能承受的荷載。他指出，一根規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生變化時，其承載能力的變化。他對樑也作了類似的實驗，得出了關于規定截面積的樑的承載能力與其跨度成反比的結論。

到17世紀初，伽利略對材料強度的問題進行了深入的研究。在《關于兩種新科學的談話》這本書中，他詳細考察了材料力學的一系列問題，如樑的抗斷裂力及其與樑的長度、厚度、截面積等因素的關系、金屬絲的抗拉性等等。由伽利略開始，許多學者在這一領域展開了研究。瑞典學者沃茨、法國建筑師布隆代爾、意大利學者馬什蒂和格蘭蒂等人，曾對伽利略關于樑的強度的結論作了某些修正。法國物理學家馬略特(1620-1684年）通過對樑的實際試驗而提出，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，但延展有一個度，超過這個度纖維就不能承受荷載而斷裂。

（2）結構

在文藝復興的影響下，古典式建筑重新流行。同時，出現了一些介紹和說明古典建筑結構的著作，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》。

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

在4卷本的《建筑學》中，帕拉弟奧用許多自己的設計來說明古羅馬的設計原則。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計圖和古代建筑的復原圖，圖上均按比例標出尺寸；第三卷是橋樑、會堂等公共建筑的設計和城市規劃；第四卷是古羅馬神殿的復原圖。帕拉弟奧研究了跨度與拱座厚度的關系，認為拱座的厚度不應少于拱跨的1／5，但也不必多于其1／4。但他沒有考慮到拱高對于拱的水平推力的影響，并以為半圓形拱對其拱座沒有水平推力。他的這種有關拱的力學觀點在很長時間內沒有受到懷疑。

17世紀上半期，法國建筑師德朗在《拱的建筑》一書中，提出了一種確定拱座應有厚度的作圖方法。這種方法對半圓形、弓形和尖形的拱都適用，其主要之點是根據拱的弧度來決定拱座的厚度。不過這個方法也有缺點，它未把拱座的墩的高度和拱的荷載這兩個因素考慮進去。