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  陀螺与平衡环【点击数:


  儿童们对玩陀螺极感兴趣。当用鞭绳抽打陀螺时,陀螺在地面上的运动令人乐趣无穷,莫测其妙。它既在某一锥面上作回转运动,称为进动,又绕着自己的中心轴作自转运动;同时,在进动运动的附近作极小辐度的抖动,称为章动。


  图2-14

  (图2-14)如果抽打得法,陀螺快速运动之后,就斜立在地面上而不会倒下,每次回转的途径实际上也并不相同。明代刘侗和于奕正合著的《帝京景物略》一书中,详细记述了陀螺的形状、结构、制造和玩耍方陀螺的运动法。他们写道:

  卓于地,急掣其鞭。一掣,陀螺则转,无声也。视其缓而鞭之,转转无复往。转之疾,正如卓立地上,顶光旋旋,影不动也。

  刘侗和于奕正虽未曾道出“进动”、“自转”、“章动”这些运动名称,但他们对陀螺回转运动作出了再恰当不过的描述。“卓立地”,就是指陀螺在快速运动过程中不会倒下;而“转转无复往”,即每一周旋转的途径各不相同。

  中国人一代一代地玩陀螺,大概有几千年的历史了。但究竟起源于何时,无从查考。从《帝京景物略》的记载推之,从历代众多的杂技百戏看,它可能起源于唐宋年间。新石器时代有一种陶制(或石制)的纺锤,它是一种纺纱用的工具。陀螺很可能是从纺锤发展来的。偶尔人们发现,纺锤掉落地上具有独特有趣的回转运动,于是它就会被当成一种玩具,并发展出多种形式的陀螺。

  近代的回转器(又称陀螺仪),其中央的回转轮的运动也是陀螺运动。它在工业中得到广泛运用。只要将陀螺安置在平衡环中,就成了近代回转器(图2-15)。而构成回转器的极为重要的平衡环,也是我国古代人发明的。古代称它为“被中香炉”。


  图2-15 近代回转器

  古代人有焚香除臭、熏烟灭虫的习惯。将香草置于熏炉内燃烧,熏炉置于被褥内,晚寝时便有清香之快感。据史载,这种习惯始于西周时期。然而,若熏炉并非是一种特殊机构,人们自当格外小心,否则,将引起烧毁被褥、乃至火灾之患。西汉时,长安巧工丁缓发明“被中香炉”,不仅解除了熏炉引发火灾的忧虑,而且也是科学史上一大创造。据《西京杂记》卷一记载:“为机环转运四周,而炉体常平。可置之被褥,故以为名。”丁缓的发明显然类似于图2-15回转器的机架,在工程上称之为“常平支架”。所谓“机环”,也就是在支架轴心线上互相垂直的各个金属环。有几个大小相套的机环,物理学上就称为有几个自由度。只要有两个自由度就可以保持盂的常平状态,因而又称它为平衡环。在内环轴上悬挂一盂形的容器,容器里放引燃生烟的香草。任凭如何转动香炉的炉体,其盂内的炭火或香草都不会被倒出盂外。

  司马相如(公元前179-前117年)在其《美人赋》中也曾为之颂道:“金鉔〔za匝〕熏香,黼〔fu 府〕帐低垂”。所谓“金鉔”,即“香球,衽席间可旋转者”。汉以后,这种平衡环得到广泛应用:有佩戴香料的香球,有盛火炭取暖的火笼。节庆时舞龙灯,其木棍顶端就有这种装置,点燃灯烛后,无论舞灯者如何翻滚,其内的灯油绝不会溢出,灯火也不致熄灭。迄今,在考古界发现了历代许多这样的平衡环。(图2-16)


  图2-16 唐代银薰球

  特别有意思的是,唐高祖李渊曾乘专车出外旅游。这个车称为“大驾玉辂”。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。英国的科学史家李约瑟博士在述及这种车时,曾认为,它可能就是公元1629年布兰卡(Bran-ca)设计的具有卡丹装置的旅行车。当达官贵人坐此车时,绝不会因道路崎岖不平而感到颠簸。

  总之,丁缓是近代回转器的始祖。16世纪时,意大利数学家和工程师卡丹(HieronimoCardano,或写为Cardan,公元1501-1576年)作出了同样的发明,并被称为“卡丹吊环”。而“被中香炉”比“卡丹吊环”早约17个世纪问世。


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