羅建明

(寧波市鄞州區(qū)姜山中學(xué) 浙江 寧波 315191)

中國(guó)是世界文明發(fā)源最早的國(guó)家之一．中國(guó)古代的科學(xué)技術(shù)，在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期內(nèi)居世界領(lǐng)先地位，為世界文明的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也為我們留下了一份珍貴的遺產(chǎn)．中國(guó)古代的許多發(fā)明不僅體現(xiàn)了創(chuàng)作者的經(jīng)驗(yàn)、思維和知識(shí)，也是某一歷史時(shí)期的生產(chǎn)技術(shù)與科學(xué)知識(shí)的結(jié)晶．如果我們能夠從物理學(xué)的角度來欣賞這些發(fā)明，不僅能了解祖國(guó)的歷史底蘊(yùn)，也能增強(qiáng)自己的物理素養(yǎng)，更能增強(qiáng)民族自豪感與自信心．

下面本文就從中國(guó)古代三個(gè)有趣而又了不起的發(fā)明，來介紹其中的物理學(xué)原理．希望能夠起到拋磚引玉的作用．

1 走馬燈

走馬燈又稱“馬騎燈”，是我國(guó)古代人民的卓越發(fā)明之一．上元節(jié)玩燈籠，可能起于隋唐時(shí)期，最晚在公元10世紀(jì)，我國(guó)人民就創(chuàng)造出了走馬燈．中國(guó)許多古籍中都有關(guān)于走馬燈的記述．如《燕京歲時(shí)記》中寫道： “走馬燈者，剪紙為輪，以燭噓之，則車馳馬驟、團(tuán)團(tuán)不休．燭滅則頓止矣”．它的制作方法大致是，在一個(gè)方形或圓形燈籠中插一根鐵絲當(dāng)立軸，在立軸上部橫裝一個(gè)紙質(zhì)葉輪，俗稱傘，葉輪中各葉片的安裝方法，與玩具風(fēng)車類似．立軸中央裝二根交叉的細(xì)鐵絲，在細(xì)鐵絲每一端貼上人、馬一類剪紙[1]．葉輪的下邊，在立軸底部的近旁，裝一個(gè)蠟燭座，可插上蠟燭(如圖1)．當(dāng)蠟燭燃燒時(shí)，產(chǎn)生的熱空氣上升，就可以推動(dòng)葉輪使其發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)．于是剪紙隨立軸旋轉(zhuǎn)．剪紙的影子投射在燈籠紙罩上．從外表看，就成“車馳馬驟、團(tuán)團(tuán)不休”，非常有趣．

圖1 走馬燈

這項(xiàng)發(fā)明反映出我國(guó)古代人民已經(jīng)利用了空氣受熱上升，冷空氣下沉(即空氣對(duì)流)的原理，以推動(dòng)軸連帶剪紙人馬轉(zhuǎn)動(dòng)．在我國(guó)古代，走馬燈是一件玩物，但可別小瞧了它，它可是世界上最早利用熱氣流產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置．從原理上看，它可以看作是現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)的始祖[2]．

2 竹蜻蜓

竹蜻蜓是我國(guó)古代又一大發(fā)明，很早就流傳于我國(guó)民間，據(jù)考證至少有400多年的歷史．2 000多年來一直是中國(guó)孩子手中的玩具．在中國(guó)晉朝(公元265年～420年)葛洪所著的《抱樸子》一書有這樣的記述：“或用棗心木為飛車，以牛革結(jié)環(huán)劍，以引其機(jī)．……，上升四十里，名為太清．”其中的“飛車”被一些人認(rèn)為是關(guān)于竹蜻蜓的最早記載．它的主要部件是一個(gè)兩邊對(duì)稱的加工成斜面或者彎曲面的葉片，葉片類似向下吹風(fēng)的風(fēng)扇葉，薄竹片的中央打一個(gè)小孔榫接一根竹柄(如圖2)．玩時(shí)，用雙手掌夾住竹柄，快速一搓，松手后，竹蜻蜓就飛起來．旋轉(zhuǎn)好一會(huì)兒后，才會(huì)落下來．這種簡(jiǎn)單而神奇的玩具，可以說是最早的直升機(jī)模型，曾令西方傳教士驚嘆不已，將其稱為“中國(guó)螺旋”．早在熱氣球發(fā)明之前，竹蜻蜓就作為玩具傳到了歐洲，它的奇妙的垂直升空原理被歐洲人看作是一種航空器來進(jìn)行研究．啟發(fā)了人們的思路，西方的許多航空先驅(qū)者都是從竹蜻蜓中悟出了一些重要航空原理．被譽(yù)為“航空之父”的英國(guó)人喬治·凱利一輩子都對(duì)竹蜻蜓著迷．他的第一項(xiàng)航空研究就是在1796年仿制和改造了“竹蜻蜓”，并由此悟出螺旋槳的一些工作原理．他的研究推動(dòng)了飛機(jī)研制的進(jìn)程．并為西方的設(shè)計(jì)師帶來了研制直升機(jī)的靈感．雖然中國(guó)人把它發(fā)明出來作為玩具，但是竹蜻蜓對(duì)世界航空發(fā)展的貢獻(xiàn)是舉世公認(rèn)的．

圖2 竹蜻蜓

那么竹蜻蜓是如何獲得升力的呢？為了弄清楚竹蜻蜓這個(gè)問題，我們要先來做一個(gè)類比，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)起來以后，葉片相對(duì)于原來靜止的空氣會(huì)有一個(gè)速度，在相對(duì)于葉片靜止的參考系里，就是空氣以一定的速度向葉片流動(dòng)．當(dāng)空氣與葉片接觸發(fā)生相互作用時(shí)，其情形就相當(dāng)于一個(gè)鋼球以某一速度向表面光滑的大理石平面撞去，并發(fā)生完全彈性碰撞，如圖3所示．

圖3 鋼球與大理石平面完全彈性碰撞

根據(jù)動(dòng)量定理可知，鋼球受到大理石的彈力F方向是垂直于大理石平面向外，又根據(jù)牛頓第三定律的作用力與反作用力的關(guān)系，大理石受到鋼球的彈力F方向是垂直于大理石平面向內(nèi)．空氣與葉片的作用情況與此類似，故葉片受到垂直于斜面向上的反作用力F′，如圖4所示．由于對(duì)稱性，前后兩個(gè)葉片受到的反作用力的水平分量方向相反剛好抵消，豎直分量方向相同相互疊加來充當(dāng)竹蜻蜓的升力，薄竹片轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，其與空氣的相對(duì)速度越大，則相互作用力越大，升力也就越大．當(dāng)升力大于竹蜻蜓的重力時(shí)，竹蜻蜓就可以起飛．可見竹蜻蜓獲得升力的奧妙就在于 這一對(duì)被加工成一定傾角的斜面狀的“翅膀”——葉片．當(dāng)然對(duì)于竹蜻蜓升力的獲得也可以根據(jù)流體力學(xué)的伯努利原理

進(jìn)行解釋，流速慢的大氣壓強(qiáng)較大，而流速快的大氣壓強(qiáng)較小，葉片下表面的壓強(qiáng)比上表面的壓強(qiáng)大，就是大氣施加于葉片下表面的向上的壓力比施加于葉片上表面的向下的壓力大，二者的壓力差便形成了竹蜻蜓的升力．

圖4 葉片旋轉(zhuǎn)的受力分析

3 被中香爐

被中香爐是中國(guó)古代盛香料熏被褥的球形小爐，又稱“香熏球”、“銀熏球”、“臥褥香爐”．它是中國(guó)唐代的珍寶，在唐代貴族的生活中，已經(jīng)普遍地使用被中香爐．劉歆的《西京雜記》卷上記載：“長(zhǎng)安巧工丁緩者，又作臥褥香球，一名被中香爐，本出房風(fēng)，其法后絕，至緩始復(fù)為之，為機(jī)環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)四周，而爐體常平，可置被褥，故以為名．” 從這段記載中，可見被中香爐早就有之, 失傳后又由一位叫丁緩的巧匠重新制作出了這種“被中香爐”．相應(yīng)的考古文物，曾于1963年在西安沙坡村和1987年在陜西省扶風(fēng)縣法門寺塔基地宮內(nèi)出土過，至今已有1 300多年歷史．它外形上看遍體鏤空，有限的球面上刻畫了數(shù)組形態(tài)各異的花鳥．結(jié)構(gòu)上它由上下兩個(gè)半球體扣合構(gòu)成，接合處裝有一小型卡軸，啟合方便[3]．下半球內(nèi)裝置兩個(gè)同心機(jī)環(huán)和一個(gè)焚香盂，爐體在徑向兩端各有短軸，支承在內(nèi)環(huán)的兩個(gè)徑向孔內(nèi)，能自由轉(zhuǎn)動(dòng)．同樣，內(nèi)環(huán)支承在外環(huán)上，外環(huán)支承在球形外殼的內(nèi)壁上．爐體、內(nèi)環(huán)、外環(huán)和外殼內(nèi)壁的支承軸線依次互相垂直．不論球體如何滾轉(zhuǎn)，爐口總是保持水平狀態(tài)，絲毫不用擔(dān)心里面燃著的香火會(huì)撒出來，如圖5所示．顯然，它當(dāng)之無愧是一件高超的藝術(shù)與科學(xué)技術(shù)完美結(jié)合的精品．

圖5 被中香爐實(shí)物照片

其實(shí)被中香爐的巧妙之處就在于它應(yīng)用了物理學(xué)里的角動(dòng)量守恒原理．與近代發(fā)明的用于導(dǎo)航的陀螺儀原理(如圖6所示)完全相同．

圖6 陀螺儀原理圖

陀螺儀所用的裝置叫回旋儀，也叫“陀螺”．它的核心部分是裝置在常平架上的一個(gè)質(zhì)量較大的轉(zhuǎn)子．常平架由套在一起又分別具有豎直軸和水平軸的兩個(gè)圓環(huán)組成．轉(zhuǎn)子裝在內(nèi)環(huán)上，其軸與內(nèi)環(huán)的軸垂直[4]．中間的轉(zhuǎn)子，可以繞x，y，z三個(gè)光滑的相互垂直的軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，外力無法對(duì)中間的轉(zhuǎn)子施加力矩，由于其質(zhì)心位于坐標(biāo)原點(diǎn)O，轉(zhuǎn)子也不受重力矩作用，因而不管常平架如何移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子都不會(huì)受到任何力矩的作用．所以一旦使轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)起來，根據(jù)角動(dòng)量守恒定律，它將保持其轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)軸方位不變．

被中香爐內(nèi)的爐體相當(dāng)于陀螺儀內(nèi)的轉(zhuǎn)子,內(nèi)外環(huán)就相當(dāng)于陀螺儀的平衡環(huán)．一般來說，被中香爐的內(nèi)層與外層之間有3個(gè)自由度．其實(shí)對(duì)于被中香爐來說，只要求內(nèi)層爐子保持水平，而爐身繞鉛錘線轉(zhuǎn)動(dòng)并不影響使用，所以被中香爐內(nèi)的爐子只要有兩個(gè)自由度也就夠了，所以出土的被中香爐實(shí)物中有的是兩層環(huán)有的是三層環(huán)[5]．

特別有意思的是，在宋代科學(xué)家沈括的《夢(mèng)溪筆談》中記載，唐高祖李淵曾乘專車出外旅游,這個(gè)車稱為“大駕玉駱”．據(jù)宋代科學(xué)家沈括記載，這車“乘之安若山岳，以措杯水其上而不搖”(《夢(mèng)溪筆談》卷十九) ．雖然沈括未曾詳細(xì)記述其內(nèi)部構(gòu)造，但不難想象，此車內(nèi)可能裝有平衡環(huán)機(jī)構(gòu)，才能使車內(nèi)的水面不會(huì)晃動(dòng)．1 000多年以后，16世紀(jì)意大利數(shù)學(xué)家卡丹在見到來自西藏的油燈(被中香爐內(nèi)置燈盞)后也設(shè)計(jì)了類似的旅行車[6]．當(dāng)達(dá)官貴人坐此車時(shí)，絕不會(huì)因道路崎嶇不平而感到顛簸．

19世紀(jì)歐洲人將羅盤和被中香爐這兩種發(fā)明物組合在一起，發(fā)明了航海使用的羅盤(如圖7所示)．這樣，無論有多大風(fēng)浪，船體怎樣擺動(dòng)，羅盤始終保持水平狀態(tài)，確保正常工作．近來來陀螺儀的應(yīng)用越來越廣，除了用于航母、飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、魚雷等飛行體的航向控制外，還大量用于坦克與火炮的穩(wěn)定，車輛特別是單軌車輛的穩(wěn)定，工作平臺(tái)與測(cè)量?jī)x器的穩(wěn)定等等方面．我們祖先在2 000多年以前的發(fā)明，在今天的高科技中仍然閃現(xiàn)著智慧之光，確實(shí)是非常了不起．

圖7 航海羅盤

參考文獻(xiàn)

1 戴念祖,張蔚河. 中國(guó)古代物理學(xué).北京: 商務(wù)印書館出版,2001.177

2 劉樹勇,白欣.中國(guó)古代物理學(xué)史. 北京:首都師范大學(xué)出版社,2011.81

3 許延浪.科學(xué)與藝術(shù)表.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,2010.9

4 張三慧. 大學(xué)物理學(xué)(第一冊(cè))·力學(xué).北京:清華大學(xué)出版社,2003.271

5 武際可. 被中香爐與萬向支架.力學(xué)與實(shí)踐，2007(4):41

6 戴念祖. 中國(guó)古代物理學(xué).北京:中國(guó)國(guó)際廣播出版社,2010.120

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