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这是一个非常科学的比例数字(如图1.1所示)。
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西方是砖石结构的建筑传统。因此,直到达·芬奇(L. Da Vinci, 1452~1519年)时,才进行初步的梁木承重实验。伽利略在《两门新科学对话》中作了矩形木平放与竖放的承重实验,得到竖放时材料强度大的结论。但他未进一步取得一个合理的比数。1702年,法国数学家和物理学家帕朗特(A.Parent,1666~1716年)讨论了从圆木中截取最大强度矩形梁的方法(如图1.2所示),结论是:梁断面高宽比应为。这个比数相当于2.8∶2。又一个多世纪后,英国物理学家托马斯·杨(Thomas Young,1773~1829年)在1807年证实,刚性最大的梁,其高宽比为。这个比数相当于3.46∶2。李诫的比数在这两者之间,既考虑材料的强度,又照顾到它的刚度。
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帕朗特从圆木中截取最大强度矩形梁的方法是:将圆木直径AB分为三等分,在等分点E、F上分别对直径两侧作垂线、交圆于C、D,矩形ABCD即要截取的梁,如图1.2所示。图中,是个中学几何题,读者不妨去试作证明。
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八、水箱放水实验
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水箱放水实验是这样进行的:两个完全相同的等容水箱A与B,盛满同质等高h的水;一个水箱底部开一大孔Sa,另一个底部开数小孔Sab,令数小孔面积之和等于大孔面积,即
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同时打开箱A与B的孔,问哪个水箱内的水先放完(如图1.3所示)?
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这个实验最早是明代徐有贞(1407~1472年)做的。
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明代方以智在《物理小识》卷二《地类》中有段文字:
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徐有贞张秋治水,或谓当浚一大沟,或谓多开支河。乃以一瓮窍方寸者一,又以一瓮窍方分者十,并实水发窍,窍十者先竭。
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这里的瓮也即水箱。从文字上看,似乎并未明指两瓮开孔窍的面积相等。其实,按中国文化传统,比较事物的快慢、轻重、大小等问题时,必要以等距、等时或等积、等面为前提。《孟子·告子下》说:“金重于羽者,岂谓一钩金与一舆羽之谓哉?”方以智记述了徐有贞实验的前提条件:两瓮中一个开一大孔,以方寸为单位,设为1平方寸;另一个开十小孔,以方分为单位,则每个小孔面积当为:2分×5分或10分×1分。实验结果是,窍10个小孔的水箱先将水放完。
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徐有贞放水实验,除了方以智的文字,还有《明史·徐有贞传》、李东阳(1447~1516年)的《宿州符离桥月河记》均有记述。徐有贞于景泰三年(1452年)官左佥都御史而往山东张秋治河。在如何治理黄河的问题上,历代两派剧争:一者主张疏通原河道;一者主张多开支河。徐有贞此时遇到了与他前辈治河者相同的问题。为了说服皇朝近臣,他在明代宗室朱祁钰面前做了这个水箱放水实验。他以开分支河治黄成功后,得到当地百姓和史家赞颂。张秋河湾地区百姓唱道:“昔也,河湾如地之狱;今也,河湾如天之堂。”皇朝天子对他奖劳有加,品爵再升。
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类似徐有贞的水箱放水实验,在西方是于19世纪时进行的。法国数学家、工程师蓬瑟勒(Jean-Victor Poncelet,1788~1867年)及其合作者洛斯布罗斯(Losbros)于1827~1835年做了这样的实验;美国矿业工程师、流体力学家史密斯(Hamilton Smith,1840~1900年)于1885年又重复了这个实验。从理论上讲,水箱底部孔窍的出水量Q与孔面积S、放水时间t和箱内水高h关系:
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但实际上的放水量要在这个等式间加入一个放水系数k,即
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西方人是为了测定这个放水系数k而做种种放水实验的。他们发现,当小孔直径小于1英寸时(1英寸=2.54cm),k随孔径减少而增加。因此,当两个箱的孔面积相等时,开小孔的水就先放完。当然,实际放水量还与小孔形状,开孔边的几何形状都有关系。
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