《人类科学技术史-212》十六、十七世纪力学（下）

十六、十七世纪力学（下）
4.帕斯卡的成果

托里拆利的同时代人帕斯卡(1623-1662年），也做了一系列重要的力学实验并获得了有意义的结果。

帕斯卡从小擅长数学，16岁时就发表了关于圆锥曲线的论文，随后在数学研究方面取得了不少成果，并为帮助父亲计算税收而制造了一个计算装置，它被认为是第一架数字计算器。不久，他的兴趣转向力学问题。

帕斯卡在得知托里拆利所做的真空实验后，用汞和水重复了这个实验。不久，他又设计了一个新实验，进一步证明了托里拆利的发现。他让自己的亲戚皮埃尔在家乡克勒蒙菲朗的多姆山上，从山脚到山顶，在不同高度观测托里拆利气压计中水银柱的高度，发现越往山上走水银柱高度越低。他自己在巴黎的高层大楼上做了同样的实验。帕斯卡由此得出结论，大气压力随高度的变化而变化，高度越高，压力越小。他提出，可用气压计作为测量高度的仪器。虽然这种测量直到18世纪初才开始实际进行，但帕斯卡的发现在以后的地学研究乃至现代航空技术中都得到了广泛应用。

帕斯卡还同皮埃尔一起，对同一地点大气压力的变化进行了观察和测量，对气压变动与天气情况的关系作了初步探索，为利用气压计预测天气开辟了道路。在实验过程中，帕斯卡对托里拆利的水银气压计作了改进，还发明了注射器。

在流体力学领域，帕斯卡也有重大贡献，其中最主要的是提出了关于液体压力的一个定律，即帕斯卡定律。帕斯卡通过实验发现，在密闭的容器中，静止流体的某一部分发生的压力变化，都能毫无损失地传递到流体的各个部分和容器壁。例如，在水力系统中的一个活塞上施加一定的压力，必将在另一个活塞上产生相同的压力增量。如果第二个活塞的面积是第一个活塞的10倍，那么作用于第二个活塞上的力也将增大为原来的10倍，而两个活塞上的压强仍然相等。这个定律后来成为各种液压机械的工作原理，得到极为广泛的运用。

5.居里克的实验

居里克(1602-1686年）的工作对于研究气体的物理性质极有价值。他生于马德堡，曾先后就读于莱比锡大学和莱顿大学。在当时有关真空问题的争论的影响下，他开始研究气体力学。

为了产生局部真空，居里克发明了空气泵，并利用它做了一系列实验。他曾把一个装满水的木桶封闭起来，并用沥青将其缝隙填死，然后用泵将水抽出。但空气仍能通过微孔进入木桶内。于是，他改用铜制容器，并直接将容器中的空气抽出。但抽到一定程度时，铜制容器便被压扁。居里克认识到，这是由于空气压力的作用以及容器没有制成真正的球形。他又制作了一个铜球，终于成功地获得了很高的真空度。上述这些工作，都是在著名的1654年公开实验之前就已完成的。

1654年，居里克在雷根斯堡为国王斐迪南三世和帝国会议演示了大气压力的存在。他在两个空心的铜制半球之间放上垫圈，并将其合在一起，形成一个直径35.5厘米的球体，然后通过球体上的气嘴将其中的空气抽出，关上阀门。两个半球被空气压力紧紧地压在一起，最后用16匹马才将其拉开。这就是"马德堡半球"实验。居里克第一次显示了大气压力的巨大力量。为气体力学作出了开拓性的贡献。

居里克用天平比较了一个容器在被抽空前后的重量，证实了空气是有重量的。他在空气和真空性质方面还有其他发现，如：被抽空的容器的视在重量在不同日子中存在着差异，是由于大气压力的微小变化以及大气对悬浮容器所产生的阿基米德上推力的作用；光线能够穿过真空，而声音则不能，等等。

居里克的研究及其成果，最早是由维尔茨堡大学教授朔特(1608-1666年）在其《流体——气体力学》一书中进行介绍和论述的。居里克的有趣实验吸引了玻意耳，并促使他进一步深入地研究居里克实验中所涉及的问题。

在罗伯特.胡克的协助下，玻意耳改进了居里克的抽气机，并用它作了大量实验。玻意耳发现了空气的"弹性"，即在恒温条件下，空气的体积与压力成反比。这个发现后来被称为玻意耳定律，虽然玻意耳当时还没有认识到这个发现的重要性。玻意耳的其他实验，还表明了空气对于燃烧、动物的呼吸、声音的传播等都是不可缺少的。

6.建筑中的力学 （1）材料

达.芬奇在自己的笔记中曾谈到了关于柱和樑的强度，这表明他曾对材料在应力下的性能进行过实验研究。虽然他使用的方法还较粗糙，表达也还欠严谨，但他仍提出了一些很有价值的见解，并表明自己已经超越了纯粹根据经验来决定建筑中如何使用材料的时代。达.芬奇注意到，由一组柱子紧密结合在一起而构成的一个立柱所能够承受的荷载，要数倍于这些柱子在各自独立状态下所能承受的荷载。他指出，一根规定截面积的支柱的承载能力与其高度成反比。他还试图算出支柱的高度和直径发生变化时，其承载能力的变化。他对樑也作了类似的实验，得出了关于规定截面积的樑的承载能力与其跨度成反比的结论。

到17世纪初，伽利略对材料强度的问题进行了深入的研究。在《关于两种新科学的谈话》这本书中，他详细考察了材料力学的一系列问题，如樑的抗断裂力及其与樑的长度、厚度、截面积等因素的关系、金属丝的抗拉性等等。由伽利略开始，许多学者在这一领域展开了研究。瑞典学者沃茨、法国建筑师布隆代尔、意大利学者马什蒂和格兰蒂等人，曾对伽利略关于樑的强度的结论作了某些修正。法国物理学家马略特(1620-1684年）通过对樑的实际试验而提出，纤维在不同荷载下的延展程度也不同，延展程度与荷载成正比，但延展有一个度，超过这个度纤维就不能承受荷载而断裂。

（2）结构

在文艺复兴的影响下，古典式建筑重新流行。同时，出现了一些介绍和说明古典建筑结构的著作，其中最有代表性的，是卓越的意大利建筑师帕拉弟奥(1518-1580年）所著的《安德列.帕拉弟奥的建筑学》。

帕拉弟奥早年曾在建筑工地当石工，1540年开始从事设计，并多次到罗马考察和测绘古罗马建筑遗址，1544年出版了《古罗马遗迹》一书。他设计的具有古典主义风格的宅邸和别墅式样长期被人模仿，18世纪在欧洲达到鼎盛并传播到世界其他地区。

在4卷本的《建筑学》中，帕拉弟奥用许多自己的设计来说明古罗马的设计原则。其中第一卷研究了材料、柱式和装饰；第二卷是他本人的建筑设计图和古代建筑的复原图，图上均按比例标出尺寸；第三卷是桥樑、会堂等公共建筑的设计和城市规划；第四卷是古罗马神殿的复原图。帕拉弟奥研究了跨度与拱座厚度的关系，认为拱座的厚度不应少于拱跨的1／5，但也不必多于其1／4。但他没有考虑到拱高对于拱的水平推力的影响，并以为半圆形拱对其拱座没有水平推力。他的这种有关拱的力学观点在很长时间内没有受到怀疑。

17世纪上半期，法国建筑师德朗在《拱的建筑》一书中，提出了一种确定拱座应有厚度的作图方法。这种方法对半圆形、弓形和尖形的拱都适用，其主要之点是根据拱的弧度来决定拱座的厚度。不过这个方法也有缺点，它未把拱座的墩的高度和拱的荷载这两个因素考虑进去。