古代生活中的物理

迴旋的競逐——走馬燈

走馬燈也叫「馬騎燈」。清末成書的《燕京歲時紀》中曾寫道:「走馬燈者,剪紙為輪,以燭噓之,則車馳馬驟,團團不休。燭滅則頓止矣。」

以一個結構簡單的走馬燈為例。在一個或方或圓形狀的燈籠中,豎起一根長長的鐵絲當作立軸,軸的上方安裝一組葉輪,葉輪大多是由剪紙組成的。軸上安裝一個由十字交叉狀的細鐵絲組成的機構,在其末端黏貼有各種類似人馬的剪紙圖形。當燈籠內的蠟燭點燃時,燭火使空氣變熱,升溫後的空氣向上流動,推動葉輪轉動,進而帶動十字交叉機構上的剪紙圖形隨之轉動,而這些圖形由於燭火的照映,在燈籠的紙罩上形成影子。從外觀看,即成「車馳馬驟,團團不休」的影像。

古籍中記載的走馬燈

走馬燈的出現遠遠早於《燕京歲時紀》的成書。早在宋代就有很多記述走馬燈或者南馬騎燈的著作。吳自牧在《夢梁錄》中述及南宋京城臨安夜市時說:「杭城大街,買賣晝夜不絕」,其「春冬,撲賣小球燈……走馬燈……等物。」周密在《武林舊事》中也曾提及:「若沙戲影燈,馬騎人英雄物、旋轉如飛。」而《乾淳歲時記》中也有關於此類燈品的文字。可見,走馬燈早在宋時期就已經極為盛行了。另外,也有不少詩作以走馬燈為描寫對象。范成大曾以「轉影氣縱橫」的詩句讚美它。薑夔也曾寫道:「紛紛鐵騎小迴旋,幻出曹公大戰年。若使英雄知底事,不教兒女戲燈前。」

觥籌間的戲謔——公道杯

中國古代宴會離不開酒,主人與宴請的賓客難免會有親疏遠近,因此在斟酒時也就難免厚此薄彼,這對那些喜愛美酒的人來說不免有失公允。然而,有這麼一種杯子,你往裡倒酒,倒得少自然沒有問題,一旦倒得滿了,轉眼間杯中之酒便會一漏而盡。這種杯子便是公道杯。

中國早在宋代就已出現了公道杯。圖為一壽星造型的銅質公道杯模型,中間的壽星實際上是由兩個空心圓柱體嵌套而成,外圓柱體與杯體銜接處有一暗孔,與杯底的孔相連,使之整體形成一個虹吸管,當杯中水位超過虹吸管上部的彎曲處時,就會發生虹吸現象,水就會從杯底的孔流出,直到杯中水流盡為止。西方有一種畢達哥拉斯杯,其原理與公道杯如出一轍。


虹吸原理

取一根長軟管,用液體將其灌滿並呈倒U形放置。將其一端的開口置於一盛滿液體的容器內,若軟管另一端低於該容器的液面,則容器內的液體會通過軟管源源不斷地流出。這就是虹吸現象。

虹吸現象是由於重力和分子間的黏聚力而產生的。上述裝置內,處於最高點的液體由於受到重力的作用要向軟管的低端流動,因此在軟管內造成了負壓,由於負壓的作用,導致容器內的液體又被吸至軟管內,如此周而復始,高端位置容器內的液體便不斷地向低處流動。

倒轉的乾坤——倒灌壺

1968年,陝西省彬縣出土了一件奇特的文物,從外觀看去,它呈一個精美的酒壺模樣,上下渾然一體,但有壺蓋卻不能打開。那麼問題就來了,既然是一個酒壺,其功能就得是盛放酒水,既然要盛放酒水,那總得有入口,總不能從壺嘴往裡灌吧?

原來,這種壺就叫作倒灌壺,也稱倒裝壺或倒流壺,是始於宋元時期,流行於明清時期的壺式之一。在壺的底部,有一梅花形狀的小開口,使用的時候,須先將壺體倒置,酒水由壺底的小開口注入壺腹,壺內的漏注與梅花小孔銜接,酒水通過漏注流入壺內,利用連通器內液面等高的原理,由中心的漏注來控制整體的液面,流下時也有同樣的隔離裝置,使液體在倒置時不致外溢,若發生外溢則表明酒水已經裝滿。若將壺正置或傾斜倒酒時,由於壺內中心漏注的上孔高於最高液面,底孔也不會漏酒。

連通器原理

上端開口、底部互相連通的容器就是連通器。在連通器中注入同一種液體,在液體不流動時,連通器內各容器的液面總是保持在同一水平面上。連通器現象所表現的正是液體壓強原理。以最簡單的連通器構型U形管為例,在其中注入同一種液體,在U形管的正中間設想有一分隔線,將U形管分成兩部分,若兩部分的液柱高度相等,根據壓強公式p=ρgh(液體壓強=液體密度×重力加速度×液柱高度),可以得出兩部分的壓強相等,因此液體處於靜止狀態。而當一端的液體高於另一端時,其壓強也要高於另一端,管內的液體就會發生流動,直到液高相等為止。

布衾中的氤氳——被中香爐

被中香爐是古代智慧結晶之一,又稱「香薰爐」、「被褥香爐」、「銀薰球」,在古代多用於盛放香料和炭火,在中國西漢年間就已見記載,盛行於唐代,並最晚在宋元時期傳入西亞。從名字上看,不少人會感到驚訝——那不是香爐嗎?怎麼能在被子中使用呢?不會引燃被子嗎?

不必擔心,古人的智慧正是凝結於此。從結構上看,它的內部是由兩到三層同心圓環構成的,各層同心圓環彼此靠一組短軸連接,而圓環可以圍繞連接它的短軸自由轉動,而用於盛放香料的爐體也用同樣的方式連接在最內部的圓環上,每組圓環的軸和轉動的方向互相垂直,因此,爐體就可以通過圓環在各個維度進行自由轉動。而由於重力作用,不論其內部結構如何轉動,爐體的開口總能朝上,使得其內的用來熏香的香料或者用來取暖的炭火都不會傾灑出來。

將一個物體固定於基座之上,無論將基座怎樣旋轉,要求物體的方向都不會隨之變動,這就是被中香爐所運用原理的實質。這種機構伴隨著現代科技的發展,具有了很多重要的應用。現代科學與技術領域中應用十分廣泛的陀螺儀等儀器所用的萬向支架(也稱常平支架)就是依據這種原理製成的。

漣漪間的迴響——龍洗

龍洗是一種中國古代的盥洗用具,多是銅製,其形狀類似於現在的臉盆,底部是扁平的,盆的邊沿左右各有一個把柄,稱為雙耳。盆底裝飾龍紋形狀的,稱為龍洗;盆底裝飾為魚紋形狀的,稱為魚洗。使用時,兩手心需要蘸上水,隨後有節奏地快速摩擦盆沿的兩耳,這樣,龍洗就會像受到撞擊一樣振動起來,洗內水波蕩漾,並伴有轟鳴之響。若摩擦得法,甚至可以可噴出水珠。

能夠噴水的龍(魚)洗發明於北宋後期,即11世紀下半葉到12世紀上半葉之間。王明清的《揮麈錄》中曾寫道:「……此亦石主所獻,有畫雙鯉存焉,水滿則跳躍如生,覆之無它矣……」

龍洗的振動是由雙手摩擦雙耳而產生的振動現象,龍洗振動帶動其中的水隨之振動,水波與龍洗的側壁反射回來的反射波相互疊加而形成駐波,隨著摩擦速度的增快,振動的頻率和振幅相應增加,水的振動就更加激烈。

駐波

駐波是頻率和振幅均相同、振動方向一致、傳播方向相反的兩列波疊加後形成的波。波在介質中傳播運動時,其波形不斷地向前推進,故稱行波。上述的兩列波相互疊加之後,其形成的波形並不向前推進,故稱駐波。而兩個相鄰波節之間的距離就是它的波長。我們日常生活中所能接觸到的各類的樂器,如各類打擊樂和管弦樂的樂器,它們之所以能夠發出聲響,就是因為在樂器中產生了駐波。為了使其中的駐波最強,樂器內空氣柱的長度必須等於半波長的整數倍。如果沒有了駐波,也就沒有了各種美妙的音樂。

提起中國古代的數學成就,你也許立刻就會想起祖沖之計算的圓周率。其實,中國古代還有許多傑出的數學成就,早在西元前1世紀中國的數學就達到了一定的水準。

圖文摘自:中國古代黑科技:古人比你想得更厲害