985博士穿越古代搞建设(沧海一帝)_第178章物理定律

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第178章物理定律（第1页）

显微镜下的细胞世界正被小心探察，而书院另一处场地——毗邻造船工坊的“格物验证场”上，一场关于宏观世界运行规律的、更为喧腾热烈的探究，也正渐入佳境。这里没有镜片的静谧聚焦，有的是绳索、滑轮、杠杆、水箱、各式各样的重物与测量工具，以及学子们被汗水浸湿的衣衫和因专注而亮的眼睛。

起初，驱动这些实验的并非抽象的理论兴趣，而是实实在在的工程难题。造船工坊在建造“探海一型”时，遇到了如何将沉重的龙骨精准吊装就位、如何估算不同船材的浮力与承重、如何设计更省力的舵机与帆索系统等问题。盐场和农技站也需要改良水车、设计更高效的提水工具、计算土方与物料运输。

问题反馈到书院，云湛并未直接给出答案，而是将其转化为一系列探究课题：“欲省力吊装，需明杠杆之理；欲知浮沉，需究阿基米德之律；欲算物料，需通力学平衡。此等皆天地间固有之‘理’，有待我辈格而致知。”

他组织起一个以工学院和应用数学学子为主的“力学探究组”，由柳文渊协助统筹。探究从最简单的工具——杠杆开始。

验证场上竖起了坚固的木架，架设了不同长度的硬木作为杠杆，支点可调，两端悬挂着标有重量的石砣或沙袋。最初的实验杂乱无章：学子们随意改变支点位置、两边重量，记录下杠杆是否平衡、哪边下沉。

数据积累了不少，但规律似乎隐藏在混乱中。直到一位名叫李冶的学子（擅长数学）将多组数据整理成表，尝试寻找关系。他注意到，当杠杆平衡时，似乎“重量x距离”的乘积在两边有某种关联。经过多次验算和排除错误数据，他激动地向小组展示：

“诸位请看！若以支点为界，左侧物重乘以它到支点的距离，与右侧物重乘以它到支点的距离，在平衡时，两者数值极为接近！其差或在测量误差之内。”

这便是杠杆原理的雏形现。小组立刻设计更精密的实验验证：使用更标准的砝码（用铜铸成规整立方体，由书院铁匠精心打造），用刻有精细刻度的木尺测量力臂距离，反复测试不同组合。结果反复证实了那个关系：力x力臂=阻力x阻力臂。他们甚至尝试用不同单位的重量和长度，现只要单位一致，比例关系恒成立。

“此规律可称之为‘杠杆平衡律’！”柳文渊总结道，“其妙处在于，可用小力撬动重物，只需加长力臂即可。于吊装、起重、乃至日常使用撬棍，皆有指导之实。”

他们将此规律写成初步公式，并开始绘制不同杠杆类型（省力、费力、等臂）的示意图，标注力、力臂、支点。工匠们闻讯前来观看，亲眼见到一个孩童用力按下长杆一端，缓缓撬起一块需要两个壮汉才能搬动的石块时，无不啧啧称奇。“原来撬石头不是全靠力气，还得会用巧劲！”一位老木匠恍然大悟。

杠杆原理的成功，极大地鼓舞了探究组。他们顺势开始研究滑轮组。通过组合定滑轮与动滑轮，测量提升相同重物所需的拉力，他们总结出理想情况下（忽略摩擦）拉力=物重承担重物的绳子股数这一简化关系，并绘制了多种省力滑轮组的绕绳方式图。这些成果迅被造船工坊采纳，用于设计帆索和吊装系统。

接下来是更具挑战性的浮力问题。这直接关系到“探海一型”的稳性与载重估算。探究组建造了一个大型水槽，用不同材质（木头、金属、陶土）、不同形状的物体进行沉浮实验。

起初，他们和许多人一样，认为物体的沉浮只与材质“轻重”有关。但很快现矛盾：一块沉重的实心铁块下沉，而用同样铁皮制成的中空盒子却能漂浮；同一块木头，形状改变，吃水深度也不同。

困惑之际，云湛提示：“何不测量物体排开之水重？”他讲述了古人称量皇冠的典故启。

他们改进了实验：将物体轻轻浸入盛满水的水槽，收集溢出的水并称重；同时精确称量物体本身的重量。大量的数据对比后，规律逐渐浮现：物体在水中所受的向上托力（浮力），等于其排开的水的重量。无论是浮是沉，这一关系似乎都成立。对于漂浮物体，浮力等于物体自身重量；对于下沉物体，浮力小于物体重量。

李冶再次挥数学特长，尝试用公式表达：f浮=p液xgxv排（他们尚未精确定义密度p和重力加度g，但用了“单位体积水重”和“排开体积”的概念来等价描述）。他们还通过实验现，浮力方向总是竖直向上，且与物体形状无关（尽管形状影响v排），与液体种类有关（盐水浮力略大于淡水）。

这一“浮力定律”的初步总结，令造船工坊的匠师们如获至宝。他们开始有意识地计算船体不同载重状态下的排水体积，估算最大安全载荷，甚至讨论通过调整压舱物分布来改善稳性。

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与此同时，关于运动与力的关系，也在一些更基础的实验中摸索。斜面省力原理被验证和量化（沿斜面推拉物体所需的力，约等于物体重量乘以斜面高与斜面长的比值），这直接应用于盐场和农技站的物料搬运坡道设计。对于抛射体轨迹、单摆的等时性（虽然周期公式尚未得出，但已观察到摆长影响周期、与重量无关的现象），也进行了初步观察和记录。

这些分散的现，被云湛引导着向系统化整理。他要求探究组为每一条初步验证的“定律”或“原理”撰写简要说明，包括：陈述内容（用尽可能清晰的语言）；实验验证方法与关键数据示例；数学表达式（如果可能）；已知应用实例；尚未解决的疑问或适用范围限制。

于是，《格物书院力学初探》的手稿开始成形。里面包含了：

·杠杆平衡律：文字描述、公式、三类杠杆图示与应用举例。

·滑轮组省力原理：公式、常见滑轮组绕法图示、效率讨论（提到摩擦损耗）。

·浮力定律：阿基米德原理陈述、实验方法、公式表达（用单位体积重与体积）、沉浮条件、应用举例（船只、浮筒）。

·斜面原理：省力原理陈述与近似公式、应用举例。

·其他观察记录：抛体轨迹大致规律、单摆等时性现象、对“力是改变物体运动状态的原因”的定性讨论（基于推车、阻挡运动等简单实验）。

这些内容远非完备，数学表达粗糙，许多概念（如质量、加度、动量、能量）尚未明确定义，更未形成牛顿力学那样的公理化体系。但它们标志着一个关键的转变：从对自然现象的零散经验描述，开始转向寻找可量化、可验证、可表达的普遍规律。

赵德柱最初对这些“匠作之事”涉入数理不以为然，认为“奇技淫巧”。但当他看到学子们用杠杆公式精准预测出需要多少配重才能平衡一个难以估量的不规则石锁时，态度生了微妙变化。“虽非经史大道，然其推算之准，竟合若符节……天地间，似确有可依之数理。”他捻须感叹。

最兴奋的莫过于工坊的工匠和参与项目的学子。他们现，许多世代口耳相传的“手艺”、“窍门”，背后竟然有着共通的道理，而且可以用数字和规则讲明白！这让他们在应用时更有底气，也敢于尝试新的设计。

柳文渊在整理手稿时，对云湛感慨：“先生，以往读《考工记》等书，只觉得是经验之谈。如今我们将这些道理一点点剥离出来，写成条文公式，仿佛……仿佛是在为天地间的‘工匠之法’立下文字规矩。”

云湛看着验证场上那些忙碌而专注的身影，缓声道：“文渊，这便是‘格物’之要义。非仅为知晓一器一物之然，更要探究其背后之‘所以然’。这些定律，便是我们目前窥见的、万物运动变化所遵循的些许‘所以然’。它们或许只是冰山一角，表述亦不完美，然此方向一旦确立，后续便可不断修正、深化、扩展。科学体系之雏形，便在于此——从现象中归纳规律，用数学描述规律，以实验验证规律，再以规律指导实践。”

他顿了顿，望向海湾中正在铺设船板的“探海一型”：“你看，有了浮力定律，匠人造船时，心中便多了一份计算的底气；有了杠杆滑轮原理，搬运重物便多了十分巧思。这便是‘致用’。而将这些定律教授给更多学子、工匠，使之成为共有知识，而非独门秘诀，便是‘推广’。”

《力学初探》的手稿并未立即对外公开，只在书院内部作为高级教程，供相关项目的学子研习，并在工坊匠师中择人讲授。但其影响已悄然扩散。书院的知识体系，在微观的细胞学说之外，又增添了宏观物理定律这一坚实支柱。

海风拂过验证场，吹动记录数据的纸页。年轻学子们正在设计新的实验，试图探究更复杂的力的合成与分解，或测量不同材质的弹性。格物书院对自然规律的探索，如同他们正在建造的海船，正鼓起风帆，向着更系统、更数理化的科学海洋，启航前行。一条由实验、数据、公式与实用验证交织而成的道路，在岭南的海滨，日益清晰地显现出来。

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