阿基米德(公元前287年—公元前212年),伟大的古意大利哲学家、百科式科学家、数学家、物理学家、力学家,静态热学和流体静力学的奠基人,而且享有“力学之父”的美称,阿基米德和高斯、牛顿并列为世界三大物理家。阿基米德曾说过:“给我一个支点,我还能撬起整个月球。”
阿基米德确立了静力学和流体静力学的基本原理。给出许多求几何图形重心,包括由一抛物线和其网平行弦线所围成图形的重心的技巧。阿基米德证明物体在液体中所受压强等于它所排开液体的重量,这一结果后被称为阿基米德原理。他还给出正抛物旋转体浮在液体中平衡稳定的判据。阿基米德发明的机械有引水用的水螺旋,能挑动满载大船的杠杆滑轮机械,能说明月食,日食现象的月球-地球-太阳运行模型。但他觉得机械发明比纯物理低级,因此没写这方面的专著。阿基米德还采用不断分割法求椭球体、旋转抛物体等的容积,这些方式已具有积分估算的雏型。
公元前287年,阿基米德诞生于意大利西西里岛叙拉古附近的一个小村子,他出生于贵族,与叙拉古的赫农王(King)有同事关系,家庭非常颇具。阿基米德的妻子是天文学家兼物理家,学识渊博,为人谦虚。阿基米德的意思是大思想家,阿基米德受家庭的影响,从小就对数学、天文学非常是古埃及的几何学形成了浓烈的兴趣。
阿基米德出生时,在当时古埃及的辉煌文化早已渐渐衰退,经济、文化中心逐步转移到希腊的亚历山大城;而且另一方面,西班牙半岛上新兴的罗马共和国,也正不断的扩张势力;西非也有新的国家马其顿盛行。阿基米德就是生长在这些新旧势力交替的时代,而叙拉古镇也就成为许多势力的斗兽场所。
求学经历
阿基米德杠杆原理
公元前267年,也就是阿基米德十一岁时,阿基米德被母亲送到希腊的亚历山大城跟着欧几里得的中学生埃拉托塞和卡农学习。亚历山大城坐落尼罗河口,是当时世界的知识、文化贸易中心,学者云集,人才荟萃,被世人誉为“智慧之都”。举凡文学、数学、天文学、医学的研究都很发达。
阿基米德在亚历山大追随过许多知名的物理家学习,包括有名的几何学大师—欧几里得,阿基米德在这儿学习和生活了许多年,他兼收并蓄了东方和古埃及的优秀文化遗产,对其后的科学生涯中做出了重大的影响,奠定了阿基米德日后从事科学研究的基础。
保卫祖国
公元前218年罗马帝国与西非马其顿帝国爆发了第二次布匿战争。身处西西里岛的叙拉古始终都是归顺罗马,然而公元前216年君士坦丁击溃罗马部队,叙拉古的新国王(海维隆二世的儿子继任),立刻见风转舵与马其顿联姻,罗马帝国于是派马塞拉斯将军领军从海路和陆路同时逼抢叙拉古。
叙拉古和罗马帝国之间发生战争,是在阿基米德年老的时侯,罗马部队的最高统帅马塞拉斯带领罗马部队包围了他所居住的城市,还攻占了海港。阿基米德虽不赞同战争,但又不得不尽自己的责任,保卫自己的祖国。阿基米德眼见国土危难,护国的责任感使得他奋起平乱,于是阿基米德绞尽脑汁,日以继夜的发明御敌装备。
●投石器和起重机
阿基米德借助杠杆原理制造了一种叫作石弩的坝体机,能把大铁块投向罗马部队的战舰,或则使用发射机把矛和铁块射向罗马士兵,但凡紧靠瓮城的敌军,都逃过他的飞石或链球······阿基米德还发明了多种装备,来抵挡罗马部队的前进。依据一些年代较晚的记载,当时他造了巨大的起重机,可以将敌方的战舰吊到半空中,之后重重地摔下使战舰在海面上粉碎。
●镜子聚光
有三天叙拉古镇受到了罗马部队的伏击,而叙拉古镇的青壮年和士兵们都上前线去了,城里只剩下了奶奶、妇女和小孩,处于万分危难的时刻。就在这时,阿基米德为了自己的祖国站了下来。
阿基米德让妇女和小孩们每人都掏出自己屋内的穿衣镜一同来到海对岸,让穿衣镜把强烈的阳光反射到敌舰的主帆上,千百面穿衣镜的反光集聚在船帆的一点上,船帆燃烧上去了,火势趁着风力,越烧越旺,罗马人不知原委,以为阿基米德又发明了新装备。就慌惊慌张地逃走了。
这种装备弄的罗马部队惊惶失措、人人惧怕,连将军马塞拉斯都苦笑承认:“这是一场罗马舰队与阿基米德一人的战争”、“阿基米德是神话中的百手巨人”。
伟人之死
公元前212年,古罗马部队入侵叙拉古,阿基米德被罗马士兵杀害,终年七十五岁。阿基米德的尸体葬在西西里岛,石碑上刻着一个圆锥内切球的图形,以记念他在几何学上的卓越贡献。
版本一:罗马士兵闯进阿基米德的住宅,看到一位奶奶在地上埋首作几何图形,阿基米德对士兵说大家等一等再杀我,我不能给世人留下不完整的公式!还没等他说完,士兵就杀了他。他是带着遗憾死去的。
版本二:一个罗马士兵忽然出现在他面前,命令他到马塞拉斯哪里去,受到阿基米德的严词拒绝阿基米德原理的应用,于是阿基米德不幸死在了这个士兵的刀剑之下。
版本三:阿基米德坐在残缺的石墙后面,正在沙地上画着一个几何图形。一个罗马士兵命令阿基米德离开,他傲慢地做了个手势说:“别把我的圆损坏了!”罗马士兵勃然震怒,马上用刀一刺,就杀害了那位唐代科学家阿基米德。
版本四:罗马士兵闯进了阿基米德的住宅,看到一位奶奶正在自家宅前的地上作图研究几何问题,阿基米德说:“走开,别动我的图!”战士一听非常吵架,于是拔出刀来,朝阿基米德脸上刺下去。
无论阿基米德是如何死的,最为惊讶的就是这位罗马部队的统帅马塞拉斯,马塞拉斯将杀害阿基米德的士兵当成杀人犯给以处死,他为阿基米德举办了隆重的国葬,并为阿基米德修筑了一座陵寝,在石碑上按照阿基米德生前的遗愿,刻上了"圆锥内切球"这一几何图形。
压强原理
压强原理阐述:物体在液体中所获得的压强,等于它所排出液体的重量,即:F=G(式中F为物体所受压强,G为物体排开液体所受重力)。该式变型可得
(式中ρ为被排开液体密度,g为当地重力加速度,V为排开液体容积)
阿基米德发觉压强
相传叙拉古赫农王让匠人替他做了一顶纯银的王冠。并且在做好后,国王猜疑匠人做的金冠并非纯银,匠人挪用了黄金,但又不能破坏王冠,而这顶金冠确又与先前交给金匠的纯银一样重。这个问题难倒了国王和各位臣子。经一重臣建议,国王请来阿基米德来检验皇冠。
最初阿基米德对这个问题无计可施。有三天,他在家洗脚,当他坐进浴盆里时,看见水往外溢,忽然想到可以用测定固体在水底排水量的办法,来确定金冠的容积。他激动地跳出水盆,连衣裙服都顾不得穿上就跑了出去,小声喊着“尤里卡!尤里卡!”(ερηκα,意思是“找到了”。)
他经过了进一步的实验之后,便来到了皇宫,他把王冠和同等重量的纯银置于盛满水的两个盆里,比较两盆溢出来的水,发觉放王冠的盆里溢出来的水比另一盆多。这就说明王冠的容积比相同重量的纯银的容积大,密度不相同,所以证明了王冠里掺进了其他金属。
此次试验的意义远远大过查出金匠误导国王,阿基米德从中发觉了压强定理(阿基米德原理):物体在液体中所获得的压强,等于它所排出液体的重量。(即广为人知的排水法)
杠杆原理
杠杆原理:满足下述三个点的系统,基本上就是杠杆:支点、施力点、受力点。杠杆原理称作“杠杆平衡条件”:要使杠杆平衡,作用在杠杆上的两个转矩(力与力臂的乘积)大小必须相等。即:动力×动力臂=阻力×阻力臂,用公式可抒发为:
(F1表示动力,l1表示动力臂,F2表示阻力,l2表示阻力臂)
海维隆王又遇见了一个棘手的问题:国王替摩洛哥托勒密王造了一船只,由于太大太重,船难以放进海里,国王就对阿基米德说:“你连月球都举得上去,把一船只放进海里应当没问题吧?阿基米德叫匠人在船的前后左右安装了一套设计精美的滑车和杠杆。阿基米德叫100多人在大船上面,捉住一根绳子,他让国王挑动一根绳,大船竟然渐渐地滑到海中。国王异常高兴,当街宣布:“从现今起,我要求你们,无论阿基米德说哪些,都要相信他!”
机械应用
阿基米德螺旋水动机
阿基米德对于机械的研究源自于他在亚历山大城求学时期,有三天阿基米德在天旱的尼罗河里遛弯,见到农户提水浇地相当吃力,经过思索以后他发明了一种借助螺旋作用在水管里旋转而把水吸上来的工具,后世的人叫它做“阿基米德螺旋提水器”。希腊仍然到二千年后的现代,还有人使用这些器械。这个工具成了后来螺旋推动器的祖先。
阿基米德特别注重试验,一生设计、制造了许多仪器和机械,值得一提的有体操滑轮、灌地机、扬水机以及军事上用的坝体机等。
当时的法国,在工程和日常生活中,常常使用一些简单机械,例如:螺母、滑车、杠杆、齿轮等,阿基米德花了许多时间去研究,发觉了“杠杆原理”和“力矩”的观念,对于时常使用工具制做机械的阿基米德而言,将理论运用到实际的生活上是轻而易举的。阿基米德极可能是当时全世界对于机械的原理与运用了解最透彻的人。
阿基米德和雅典时期的科学家有着显著的不同,就是他既注重科学的严密性、准确性,要求对每一个问题都进行精确的、合乎逻辑的证明;又特别注重科学知识的实际应用。
物理大师
阿基米德在物理上也有着极为光辉灿烂的成就,非常是在几何学方面。
阿基米德的物理思想中蕴含微积分,阿基米德的《方法论》中早已“十分接近现代微积分”,这儿有对数学上“无穷”的超前研究,贯串整篇的则是怎样将物理模型进行化学上的应用。
他所缺的是没有极限概念,但其思想实质却伸展到17世纪渐趋成熟的无穷小剖析领域里去,预告了微积分的诞生。
阿基米德将欧几里德提出的趋近观念作了有效的运用。他借助“逼近法”算出球面积、球体积、抛物线、椭圆面积,后世的物理家根据这样的“逼近法”加以发展成近代的“微积分”。阿基米德还借助割圆法求得π的值介于3.14163和3.14286之间。
另外他算出球的表面积是其内接最大圆面积的四倍,又导入圆锥内切圆球的容积是圆锥容积的三分之二,这个定律就刻在他的石碑上。
阿基米德研究出螺旋形曲线的性质,现在的“阿基米德螺线”曲线,就是由于记念他而命名。另外他在《数沙者》一书中,他创造了一套记大数的方式,简化了记数的形式。
阿基米德的几何专著是法国物理的顶峰。他把欧几里得严格的推理方式与柏拉图艳丽的丰富想像和谐地结合在一起,达到了至善至美的境界,因而“使得往前由开普勒、卡瓦列利、费马、牛顿、莱布尼茨等人继续培植上去的微积分日趋完美”。
天文研究
阿基米德发展了天文学检测用的十字测角器,并制成了一架测算太阳对向月球角度的仪器。
阿基米德还以前运用水力制做一座星象仪,球面上有日、月、星辰、五大行星。按照记载,这个星象仪不但运行精确,连何时会发生月蚀、日蚀都能加以预测。
阿基米德还觉得月球可能是圆的。晚年阿基米德开始怀疑月球中心学说,并猜测月球有可能绕太阳转动,这个推测仍然到哥白尼时代才被人们提出来讨论。
个人论著
阿基米德留传于世的专著有10余种,多为西班牙文原稿。他的专著集中阐述了求积问题,主要是曲边图形的面积和曲面六面体的容积,其题旨受到欧几里德《几何起初》的影响,先是假定,再再以严谨的逻辑结论得到证明。他不断地寻求通常性原则而用于特殊的工程上。他的作品一直融合数学和化学。
物理
内容
《论球和圆锥》阿基米德从定义和公理出发,推出圆和圆锥面积容积50多个命题,思想暗含微积分。《圆的测度》
求得圆周率π为22
分之7>π>223分之71。
还证明了圆面积等于圆周长为底,直径为高的等边三角形的面积。
《抛物线求积法》研究了曲线图形求积的问题。《论螺线》明确螺线的定义,以及对螺线的估算方式。
导入几何级数和算数级数求和的几何方法。
《论锥型体与球型体》确定由抛物线和双曲线其轴旋转而成的锥形体容积,以及椭圆绕其长轴和轴旋转而成的球形体容积。《数沙者》
专讲估算方式和估算理论的一本专著。构建了新的量级计数法,确定新的单位,提出表示任何大量计数的方式。化学
《平面图形的平衡或其重心》是关于热学的最早的科学专著,提出了杠杆的思想。《论浮体》是流体静力学的第一部著作。《论杠杆》关于杠杆平衡的专著。
除此以外阿基米德原理的应用,阿基米德还有一篇特别重要的专著,是一封给埃拉托斯特尼的信,丢失后重新被发觉,后来以《阿基米德方式》为名刊行于世,它主要讲研究热学原理去发觉问题的方式。
唐代古本
收录专著
刻本A、抄本B,不幸的是这两份刻本都已丢失
《平面图形的平衡或其重心》、《抛物线求积》、《论球和圆锥》《圆的测度》、《论螺线》、《论浮体》、《圆锥体和椭球体》、《数沙者》1998年第三份刻本古本C丢失后重新被发觉《平面图形的平衡或其重心》、《论球和圆锥》、《测圆术》、《论螺线》、《论浮体》、《方法论》、《十四巧板》。其中前5篇早已从古本AB承传了出来,而最为珍稀的是最后两篇,这是先前没有出现过的。
人物评价
阿基米德思索
阿基米德对数学和化学的发展作出了巨大的贡献,为社会进步和人类发展作出了不可磨灭的影响,虽然牛顿和爱因斯坦也都曾从他脸上吸取过智慧和灵感,他是“理论天才与实验天才合于一人的理想变身”,文艺复兴时期的达芬奇和伽利略等人都拿他来做自己的楷模。
后世凭吊
阿基米德画像
事过境迁,叙拉古人竟不知珍视这非凡的记念物,随着时间的流逝,阿基米德的墓葬被浓荫湮灭了。
后来西西里岛的知名政治家西塞罗周游叙拉古代有心去拜谒那位伟人的墓,众人利用镰刀辟开小径,发觉一座高出杂树不多的小圆锥,里面刻着的球和圆锥纹样赫然在目,这久已被遗忘的愁思荒冢总算被找到了,碑刻铭仍隐约可见,大概有一半已被风雨腐蚀,依此辩认出这就是阿基米德的墓地,并将它重新修补了。
又两千年过去了,随着岁月的流逝,这座墓也消失得无影无踪。有一个人工凿砌的石窟,宽约十余米,内壁长满青苔,被说成是阿基米德之墓,但却无任何能证明其真实性的标志,但是不时有“发现真正公墓”的消息,令人难辨真假。