中国古代物理学-陀螺与平衡环
来源：物理ok网
编辑：未知
时间：2015-01-27
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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)在其诗《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。
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)在其诗《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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