中国古代发明中的物理学原理赏析

罗建明

(宁波市鄞州区姜山中学 浙江 宁波 315191)

中国是世界文明发源最早的国家之一．中国古代的科学技术，在相当长的历史时期内居世界领先地位，为世界文明的发展作出了巨大贡献的同时，也为我们留下了一份珍贵的遗产．中国古代的许多发明不仅体现了创作者的经验、思维和知识，也是某一历史时期的生产技术与科学知识的结晶．如果我们能够从物理学的角度来欣赏这些发明，不仅能了解祖国的历史底蕴，也能增强自己的物理素养，更能增强民族自豪感与自信心．

下面本文就从中国古代三个有趣而又了不起的发明，来介绍其中的物理学原理．希望能够起到抛砖引玉的作用．

1 走马灯

走马灯又称“马骑灯”，是我国古代人民的卓越发明之一．上元节玩灯笼，可能起于隋唐时期，最晚在公元10世纪，我国人民就创造出了走马灯．中国许多古籍中都有关于走马灯的记述．如《燕京岁时记》中写道： “走马灯者，剪纸为轮，以烛嘘之，则车驰马骤、团团不休．烛灭则顿止矣”．它的制作方法大致是，在一个方形或圆形灯笼中插一根铁丝当立轴，在立轴上部横装一个纸质叶轮，俗称伞，叶轮中各叶片的安装方法，与玩具风车类似．立轴中央装二根交叉的细铁丝，在细铁丝每一端贴上人、马一类剪纸[1]．叶轮的下边，在立轴底部的近旁，装一个蜡烛座，可插上蜡烛(如图1)．当蜡烛燃烧时，产生的热空气上升，就可以推动叶轮使其发生转动．于是剪纸随立轴旋转．剪纸的影子投射在灯笼纸罩上．从外表看，就成“车驰马骤、团团不休”，非常有趣．

图1 走马灯

这项发明反映出我国古代人民已经利用了空气受热上升，冷空气下沉(即空气对流)的原理，以推动轴连带剪纸人马转动．在我国古代，走马灯是一件玩物，但可别小瞧了它，它可是世界上最早利用热气流产生机械运动的装置．从原理上看，它可以看作是现代燃气轮机的始祖[2]．

2 竹蜻蜓

竹蜻蜓是我国古代又一大发明，很早就流传于我国民间，据考证至少有400多年的历史．2 000多年来一直是中国孩子手中的玩具．在中国晋朝(公元265年～420年)葛洪所著的《抱朴子》一书有这样的记述：“或用枣心木为飞车，以牛革结环剑，以引其机．……，上升四十里，名为太清．”其中的“飞车”被一些人认为是关于竹蜻蜓的最早记载．它的主要部件是一个两边对称的加工成斜面或者弯曲面的叶片，叶片类似向下吹风的风扇叶，薄竹片的中央打一个小孔榫接一根竹柄(如图2)．玩时，用双手掌夹住竹柄，快速一搓，松手后，竹蜻蜓就飞起来．旋转好一会儿后，才会落下来．这种简单而神奇的玩具，可以说是最早的直升机模型，曾令西方传教士惊叹不已，将其称为“中国螺旋”．早在热气球发明之前，竹蜻蜓就作为玩具传到了欧洲，它的奇妙的垂直升空原理被欧洲人看作是一种航空器来进行研究．启发了人们的思路，西方的许多航空先驱者都是从竹蜻蜓中悟出了一些重要航空原理．被誉为“航空之父”的英国人乔治·凯利一辈子都对竹蜻蜓着迷．他的第一项航空研究就是在1796年仿制和改造了“竹蜻蜓”，并由此悟出螺旋桨的一些工作原理．他的研究推动了飞机研制的进程．并为西方的设计师带来了研制直升机的灵感．虽然中国人把它发明出来作为玩具，但是竹蜻蜓对世界航空发展的贡献是举世公认的．

图2 竹蜻蜓

那么竹蜻蜓是如何获得升力的呢？为了弄清楚竹蜻蜓这个问题，我们要先来做一个类比，当叶片转动起来以后，叶片相对于原来静止的空气会有一个速度，在相对于叶片静止的参考系里，就是空气以一定的速度向叶片流动．当空气与叶片接触发生相互作用时，其情形就相当于一个钢球以某一速度向表面光滑的大理石平面撞去，并发生完全弹性碰撞，如图3所示．

图3 钢球与大理石平面完全弹性碰撞

根据动量定理可知，钢球受到大理石的弹力F方向是垂直于大理石平面向外，又根据牛顿第三定律的作用力与反作用力的关系，大理石受到钢球的弹力F方向是垂直于大理石平面向内．空气与叶片的作用情况与此类似，故叶片受到垂直于斜面向上的反作用力F′，如图4所示．由于对称性，前后两个叶片受到的反作用力的水平分量方向相反刚好抵消，竖直分量方向相同相互叠加来充当竹蜻蜓的升力，薄竹片转动速度越快，其与空气的相对速度越大，则相互作用力越大，升力也就越大．当升力大于竹蜻蜓的重力时，竹蜻蜓就可以起飞．可见竹蜻蜓获得升力的奥妙就在于 这一对被加工成一定倾角的斜面状的“翅膀”——叶片．当然对于竹蜻蜓升力的获得也可以根据流体力学的伯努利原理

进行解释，流速慢的大气压强较大，而流速快的大气压强较小，叶片下表面的压强比上表面的压强大，就是大气施加于叶片下表面的向上的压力比施加于叶片上表面的向下的压力大，二者的压力差便形成了竹蜻蜓的升力．

图4 叶片旋转的受力分析

3 被中香炉

被中香炉是中国古代盛香料熏被褥的球形小炉，又称“香熏球”、“银熏球”、“卧褥香炉”．它是中国唐代的珍宝，在唐代贵族的生活中，已经普遍地使用被中香炉．刘歆的《西京杂记》卷上记载：“长安巧工丁缓者，又作卧褥香球，一名被中香炉，本出房风，其法后绝，至缓始复为之，为机环转运四周，而炉体常平，可置被褥，故以为名．” 从这段记载中，可见被中香炉早就有之, 失传后又由一位叫丁缓的巧匠重新制作出了这种“被中香炉”．相应的考古文物，曾于1963年在西安沙坡村和1987年在陕西省扶风县法门寺塔基地宫内出土过，至今已有1 300多年历史．它外形上看遍体镂空，有限的球面上刻画了数组形态各异的花鸟．结构上它由上下两个半球体扣合构成，接合处装有一小型卡轴，启合方便[3]．下半球内装置两个同心机环和一个焚香盂，炉体在径向两端各有短轴，支承在内环的两个径向孔内，能自由转动．同样，内环支承在外环上，外环支承在球形外壳的内壁上．炉体、内环、外环和外壳内壁的支承轴线依次互相垂直．不论球体如何滚转，炉口总是保持水平状态，丝毫不用担心里面燃着的香火会撒出来，如图5所示．显然，它当之无愧是一件高超的艺术与科学技术完美结合的精品．

图5 被中香炉实物照片

其实被中香炉的巧妙之处就在于它应用了物理学里的角动量守恒原理．与近代发明的用于导航的陀螺仪原理(如图6所示)完全相同．

图6 陀螺仪原理图

陀螺仪所用的装置叫回旋仪，也叫“陀螺”．它的核心部分是装置在常平架上的一个质量较大的转子．常平架由套在一起又分别具有竖直轴和水平轴的两个圆环组成．转子装在内环上，其轴与内环的轴垂直[4]．中间的转子，可以绕x，y，z三个光滑的相互垂直的轴自由转动，外力无法对中间的转子施加力矩，由于其质心位于坐标原点O，转子也不受重力矩作用，因而不管常平架如何移动或转动，转子都不会受到任何力矩的作用．所以一旦使转子高速转动起来，根据角动量守恒定律，它将保持其转子的自转轴方位不变．

被中香炉内的炉体相当于陀螺仪内的转子,内外环就相当于陀螺仪的平衡环．一般来说，被中香炉的内层与外层之间有3个自由度．其实对于被中香炉来说，只要求内层炉子保持水平，而炉身绕铅锤线转动并不影响使用，所以被中香炉内的炉子只要有两个自由度也就够了，所以出土的被中香炉实物中有的是两层环有的是三层环[5]．

特别有意思的是，在宋代科学家沈括的《梦溪笔谈》中记载，唐高祖李渊曾乘专车出外旅游,这个车称为“大驾玉骆”．据宋代科学家沈括记载，这车“乘之安若山岳，以措杯水其上而不摇”(《梦溪笔谈》卷十九) ．虽然沈括未曾详细记述其内部构造，但不难想象，此车内可能装有平衡环机构，才能使车内的水面不会晃动．1 000多年以后，16世纪意大利数学家卡丹在见到来自西藏的油灯(被中香炉内置灯盏)后也设计了类似的旅行车[6]．当达官贵人坐此车时，绝不会因道路崎岖不平而感到颠簸．

19世纪欧洲人将罗盘和被中香炉这两种发明物组合在一起，发明了航海使用的罗盘(如图7所示)．这样，无论有多大风浪，船体怎样摆动，罗盘始终保持水平状态，确保正常工作．近来来陀螺仪的应用越来越广，除了用于航母、飞机、火箭、导弹、鱼雷等飞行体的航向控制外，还大量用于坦克与火炮的稳定，车辆特别是单轨车辆的稳定，工作平台与测量仪器的稳定等等方面．我们祖先在2 000多年以前的发明，在今天的高科技中仍然闪现着智慧之光，确实是非常了不起．

图7 航海罗盘

参考文献

1 戴念祖,张蔚河. 中国古代物理学.北京: 商务印书馆出版,2001.177

2 刘树勇,白欣.中国古代物理学史. 北京:首都师范大学出版社,2011.81

3 许延浪.科学与艺术表.西安：西北工业大学出版社,2010.9

4 张三慧. 大学物理学(第一册)·力学.北京:清华大学出版社,2003.271

5 武际可. 被中香炉与万向支架.力学与实践，2007(4):41

6 戴念祖. 中国古代物理学.北京:中国国际广播出版社,2010.120

物理·技术·应用