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        陀螺與平衡環【點擊數:


        兒童們對玩陀螺極感興趣。當用鞭繩抽打陀螺時,陀螺在地面上的運動令人樂趣無窮,莫測其妙。它既在某一錐面上作回轉運動,稱為進動,又繞著自己的中心軸作自轉運動;同時,在進動運動的附近作極小輻度的抖動,稱為章動。


        圖2-14

        (圖2-14)如果抽打得法,陀螺快速運動之后,就斜立在地面上而不會倒下,每次回轉的途徑實際上也并不相同。明代劉侗和于奕正合著的《帝京景物略》一書中,詳細記述了陀螺的形狀、結構、制造和玩耍方陀螺的運動法。他們寫道:

        卓于地,急掣其鞭。一掣,陀螺則轉,無聲也。視其緩而鞭之,轉轉無復往。轉之疾,正如卓立地上,頂光旋旋,影不動也。

        劉侗和于奕正雖未曾道出“進動”、“自轉”、“章動”這些運動名稱,但他們對陀螺回轉運動作出了再恰當不過的描述。“卓立地”,就是指陀螺在快速運動過程中不會倒下;而“轉轉無復往”,即每一周旋轉的途徑各不相同。

        中國人一代一代地玩陀螺,大概有幾千年的歷史了。但究竟起源于何時,無從查考。從《帝京景物略》的記載推之,從歷代眾多的雜技百戲看,它可能起源于唐宋年間。新石器時代有一種陶制(或石制)的紡錘,它是一種紡紗用的工具。陀螺很可能是從紡錘發展來的。偶爾人們發現,紡錘掉落地上具有獨特有趣的回轉運動,于是它就會被當成一種玩具,并發展出多種形式的陀螺。

        近代的回轉器(又稱陀螺儀),其中央的回轉輪的運動也是陀螺運動。它在工業中得到廣泛運用。只要將陀螺安置在平衡環中,就成了近代回轉器(圖2-15)。而構成回轉器的極為重要的平衡環,也是我國古代人發明的。古代稱它為“被中香爐”。


        圖2-15 近代回轉器

        古代人有焚香除臭、熏煙滅蟲的習慣。將香草置于熏爐內燃燒,熏爐置于被褥內,晚寢時便有清香之快感。據史載,這種習慣始于西周時期。然而,若熏爐并非是一種特殊機構,人們自當格外小心,否則,將引起燒毀被褥、乃至火災之患。西漢時,長安巧工丁緩發明“被中香爐”,不僅解除了熏爐引發火災的憂慮,而且也是科學史上一大創造。據《西京雜記》卷一記載:“為機環轉運四周,而爐體常平。可置之被褥,故以為名。”丁緩的發明顯然類似于圖2-15回轉器的機架,在工程上稱之為“常平支架”。所謂“機環”,也就是在支架軸心線上互相垂直的各個金屬環。有幾個大小相套的機環,物理學上就稱為有幾個自由度。只要有兩個自由度就可以保持盂的常平狀態,因而又稱它為平衡環。在內環軸上懸掛一盂形的容器,容器里放引燃生煙的香草。任憑如何轉動香爐的爐體,其盂內的炭火或香草都不會被倒出盂外。

        司馬相如(公元前179-前117年)在其《美人賦》中也曾為之頌道:“金鉔〔za匝〕熏香,黼〔fu 府〕帳低垂”。所謂“金鉔”,即“香球,衽席間可旋轉者”。漢以后,這種平衡環得到廣泛應用:有佩戴香料的香球,有盛火炭取暖的火籠。節慶時舞龍燈,其木棍頂端就有這種裝置,點燃燈燭后,無論舞燈者如何翻滾,其內的燈油絕不會溢出,燈火也不致熄滅。迄今,在考古界發現了歷代許多這樣的平衡環。(圖2-16)


        圖2-16 唐代銀薰球

        特別有意思的是,唐高祖李淵曾乘專車出外旅游。這個車稱為“大駕玉輅”。據宋代科學家沈括記載,這車“乘之安若山岳,以措杯水其上而不搖”。(《夢溪筆談》卷十九)雖然,沈括未曾詳細記述其內部構造,但不難想象,此車內可能裝有平衡環機構,才能使車內的水面不會晃動。英國的科學史家李約瑟博士在述及這種車時,曾認為,它可能就是公元1629年布蘭卡(Bran-ca)設計的具有卡丹裝置的旅行車。當達官貴人坐此車時,絕不會因道路崎嶇不平而感到顛簸。

        總之,丁緩是近代回轉器的始祖。16世紀時,意大利數學家和工程師卡丹(HieronimoCardano,或寫為Cardan,公元1501-1576年)作出了同樣的發明,并被稱為“卡丹吊環”。而“被中香爐”比“卡丹吊環”早約17個世紀問世。


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