关于材料和固体的知识

在长期的器物制造和工程建筑中，人们逐渐懂得了材料的性能。材料在使用过程中或经过加工后会发生形变，人们对这一点也很早就注意到了。在

《墨经·经下》中分析了梁木的形变，认为梁木负载了重量并不挠曲，这是因为它胜任重量；而捆束在两根柱子间的绳子不加重量也会发生弯曲。（“负而不挠，说在胜。”“衡木加重焉而不挠，极胜重也。若校交绳，无加焉而挠，极不胜重也。”）从现在的观点来看，梁木具有抵抗弯曲的能力，绳子只能抵抗拉伸。《墨经》中以弯曲的情形凭经验区分了这两种不同性质的材料。当然，梁木负载重量也会发生形变，但是在许用应力的范围之内，人是察觉不出的。

关于材料的弹性形变，西方在 1660 年英国物理学家胡克（1635—1703） 在进行螺旋弹簧拉伸实验时发现所谓弹性定律：在外力作用下，弹性物体的形变和外力成正比。这一关系我国早在东汉时就在测试弓的弹力中已经作出了类似的发现。东汉经学家郑玄（127—200）在为《考工记》“弓人”条中“量其力，有三钧”一句作注说：“假令弓力胜三石，引之中三尺，弛其弦， 以绳缓擐之，每加物一石，则张一尺。”唐代贾公彦在《周礼注疏》卷四十二中疏解郑玄注时指出：“加物一石张一尺，二石张二尺，三石张三尺。” 这些叙述正好描述了弓的形变和它所受的外力成正比的关系。可以说弹性定律的发现我国比西方早一千五百年，当然，无论是弓还是弹簧，这条定律只适用于弹性休在初始形变的小范围之内才是正确的。

在《荀子·劝学篇》中，还讲到了在外力取消以后材料的形变会保留下来的问题，指出笔直的木材经火烤加工，变成轮子以后，即使枯干了也不会再挺直。（“木直中绳，輮以为轮，其曲中规，虽有槁暴，不复挺者，輮使之然也。”）这就是现在力学中讲的塑性形变。在《考工记》“鲍人”条中， 讲到了皮革的弯曲和强度问题，它指明，在选用皮革的时候，要拉伸以后皮革各方面都是直的才好，如果有不直的，那一定是一方缓一方急的缘故。如果一方缓一方急，那用不多久一定是急的一方先裂开。

古代人大概曾经利用发辫作绳，并且在生产实践中发现有些发辫容易

断，有些却不容易断，这就引起了关于毛发引重的讨论，按照通常的理解， 一根毛发是很容易被重物拉断的。但是，墨家认为，有被拉断的，有不被拉断的，这之间的关键是在于毛发的结构是否均匀。当毛发均匀，并且它均匀地承受重量的时候，毛发就不会被拉断。如果挂的物体很轻毛发就被拉断了，那是毛发不匀的缘故。（《墨经·经下》：“均之绝，不，说在所均。” “发，均。县轻而发绝不均也。均其绝也，莫绝。”）同样的观点也见于《列子·汤问篇》。晋代张湛在这部书的注中讲道：“发甚微脆而至不绝者，至均故也。今所以绝者，犹轻重相倾，有不均处也。”

战国后期的名家公孙龙根据墨家毛发引重的讨论，又提出了大胆的设想，说“发引千钧”（《列子·仲尼篇》）。和公孙龙几乎同时的公子牟又对这一论题加以解释，说：“发引千钧，势至等也”（《列子·仲尼篇》）。这意思是说，之所以一根毛发能引千钧重物，是由于重物作用在毛发上的“势”到处相等的缘故。正是在这种认识上，后来又出现了“一发千钧”的成语。从科学观点来看，“发引千钧”当然是不可能的，因为任何材料都有它的极限强度，超过这个极限，材料就会断。但是从材料结构均匀可以承受更大重力这一点认识来说，却是正确的。这里实际上包含有近代力学上的“应力”的概念，所谓应力就是单位截面积上所承受的重力。

固体中的晶体是人们感兴趣的物质之一，也是固体物理学研究的主要对象。对晶体最显著的外表特征、晶体的有规则的几何形状的认识，特别是对雪花晶体的认识，我国比西方人至少早十五个世纪。早在公元纪元前后，我国就发现了雪花是六角形的。（《太平御览》引《韩诗外传》）在西方，直到 1611 年，开普勒才发现这个奥秘。

除了对雪花和水池结冰的花纹在我国古籍中屡有描述以外，在各种药书和炼丹书中，还提到了许多物质的晶体，讲明晶体外形的物质不下于一百种。在某些地方还讲到晶体的生长情形。这在近代科学诞生以前是不能不使人惊叹的①。

南北朝时期陶弘景（456—536）讲到一种白石英，“大如指，长二三寸， 六面如削，白沏有光。”宋代沈括在《梦溪笔谈》卷二十六中，对一种石膏的矿物晶体的几何形状作了清楚的记述：“太阴玄精，生解州盐泽大卤中， 沟渠土内得之。大者如杏叶，小者如鱼鳞，悉皆六角，端正如刻，正如龟甲。其裙襴小椭，其前则下剡，其后则上剡，正如穿山甲，相掩之处全是龟甲， 更无异也。色绿而莹彻，叩之则直理而拆，莹明如鉴，折处亦六角如柳叶。火烧过则悉解析，薄如柳叶，片片相离，白如霜雪，平洁可爱。”就是说晶体大的像杏叶，小的像鱼鳞，都是六角形的，很有规则，如同龟甲状。四周围像裙襴那样有小的凸出。前面的晶面斜向下，后面的晶面斜向上，一片掩盖着一片，就像穿山甲的鳞片相叠一样。打碎后的小晶体也成六角形。明代

① 见恩格斯：《自然辩证法》，《马克思恩格斯选集》第三卷，人民出版社 1972 年版，第 523 页。

李时珍（1518—1593）在《本草纲目》里，讲到的结晶矿石几乎都有面、棱或角的记述。这些都表明我国古代人对晶体的几何形状有很认真的考察。

在唐初的《黄帝九鼎神丹经诀》中，讲到用朴硝（硫酸钠）、硝石（硝酸钾）制取结晶硫酸钾的情况：把前两种矿石捣碎、混合，用热水淋汁，待澄清后再用温火煮到大约一半分量。然后放入小盆中，在盆外用冷水冷却。经过一夜就有结晶硫酸钾出现，“状如白英，大小皆有楞角起。”这里讲到的就不单是晶体的外部几何形状，而且讲到它的形成过程和形成条件。

在一些古籍中还对某些晶体的光学的、力学的特性有所叙述。