第13章 第八節陀螺與平衡環

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迴轉運動，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。 如果抽打得法，陀螺快速運動之後，就斜立在地面上而不會倒下，每次迴轉的途徑實際上也並不相同。明代劉侗和於奕正合著的《帝京景物略》一書中，詳細記述了陀螺的形狀、結構、製造和玩耍方陀螺的運動法。他們寫道： 卓於地，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。 劉侗和於奕正雖未曾道出“進動”、“自轉”、“章動”這些運動名稱，但他們對陀螺迴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。但究竟起源於何時，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，它可能起源於唐宋年間。新石器時代有一種陶製(或石製)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迴轉運動，於是它就會被當成一種玩具，並發展出多種形式的陀螺。 近代的迴轉器(又稱陀螺儀)，其中央的迴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，就成了近代迴轉器(圖2-15)。而構成迴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”。 古代人有焚香除臭、熏煙滅蟲的習慣。將香草置於熏爐內燃燒，熏爐置於被褥內，晚寢時便有清香之快感。據史載，這種習慣始於西周時期。然而，若熏爐並非是一種特殊機構，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於圖2-15迴轉器的機架，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，容器裡放引燃生煙的香草。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)在其詩《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”。漢以後，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，點燃燈燭後，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) 特別有意思的是，唐高祖李淵曾乘專車出外旅遊。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，但不難想像，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，丁緩是近代迴轉器的始祖。 16世紀時，意大利數學家和工程師卡丹(Hieronimo Cardano，或寫為Cardan，公元1501-1576年)作出了同樣的發明，並被稱為“卡丹吊環”。而“被中香爐”比“卡丹吊環”早約17個世紀問世。