平衡是物體機械運動的特殊形式,嚴格地說,物體相對於慣性參照係處於靜止或做勻速直線運動的狀態,即加速度為零的狀態稱為平衡狀態。靜力學作為力學的一個分支,它主要研究物體在力的作用下處於平衡的規律,以及如何建立各種力係的平衡條件。靜力學的基本物理量有3個:力、力偶、力矩。
靜力學的全部內容是以幾條公理為基礎推理出來的。這些公理是人類在長期的生產實踐中積累起來的關於力的知識的總結,它反映了作用在剛體上的力的最簡單最基本的屬性,這些公理的正確性是可以通過實驗來驗證的,但不能用更基本的原理來證明。
在甲骨文中,“力”字像一把尖狀起土農具“耒”。用耒翻土,需要力。這大概是當初造字的本意。《墨經》最早對力作出有物理意義的定義:
“力:刑之所以奮也。”“刑”即今天的“形”,表示一切有生命的物體。“奮”的原意是鳥張開翅膀從田野裏飛起,墨家用它描述物質的、運動的或精神的狀態改變,就像今天常用“奮飛”、“奮發”、“振奮”等詞的含義一樣。由此可見,墨家定義力,是指有形體的狀態改變;如果保守某種狀態就談不上奮,也就無需用力了。《墨經》還舉了一個例子,從地麵上舉起物體,就要發“奮”,需要用力。墨家定義力,雖然沒有明確與加速度聯係起來,但他們從狀態改變中尋找力的原因,實際上包含了加速度的概念,它的意義是很深刻的。
在浩瀚的中國曆史文獻中,記述了各種各樣的力,其中古人對慣性力和重力的認識是值得稱道的。《考工記》是最早記述慣性現象的。《考工記》在描述趕馬車的經驗時寫道:“勸登馬力,馬力既竭,輈猶能一取焉。”這句話的意思是,在趕馬車的時候,即使馬不再用力拉車了,但車還是能繼續往前行一段路。
古人不僅記述了慣性現象,而且充分認識和利用了慣性力。張衡(78—139)於東漢順帝陽嘉元年(132)創製的候風地動儀就是其中之一。地動儀中的主要部件是一根倒立柱,稱它為“都柱”。在其受到來自某方向的地震橫波襲擊時,由於慣性力的作用,它將倒向震源方向,從而來帶動有關方向的杠杆牙機,使龍嘴張開,銅丸掉落於地上蟾蜍口中。
對重力現象最早作出描寫的是《墨經》。它指出,凡是重物,它的上方沒有提挈,它的下麵沒有支撐的,它的旁邊又沒有牽引的,那麼就一定會垂直下落。也就是說,當物體不受到任何外力作用時,它就會垂直下落。這正是重力對物體作用的結果。
《墨經》還討論過合力。明確提出“合力”一詞的是明代茅元儀。他寫道:“合力者積眾弱以成強也。今夫百鈞之石,數十人舉之而不足,數人舉之而有餘,其石無加損,力有合不合也。”
但是,中國傳統文化中卻很少述及力的方向,而討論分力與合力時是必需指出力作用方向的。然而在生產實踐中,古人卻有許多利用合力的經驗及創造發明。諸如眾人抬木頭,利用兩頭牛耕地的耦耕操作、戽鬥的應用等。戽鬥取水,兩人用力拉動鬥側雙繩,盛滿水的鬥就沿合力方向運動,正好構成力的平行四邊形法則的實際圖。