故宮是中國(guó)歷史文化最具代表性的建筑，如此龐大的建筑結(jié)構(gòu)體系不禁使人感慨先人的智慧與建筑技巧。11月4日，北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授李疆、清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員陳皓生及普林斯頓大學(xué)機(jī)械與航空工程系教授霍華德·斯通在美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上發(fā)表研究報(bào)告，指出中國(guó)古代興建故宮時(shí)，曾制造人造冰道，并以水為潤(rùn)滑劑，拖運(yùn)了重達(dá)300噸的巨石，再次以現(xiàn)代科學(xué)方法向世界展現(xiàn)了中華民族無(wú)窮的智慧。

　　中國(guó)的古人不在冰上拖運(yùn)巨石？

　　古老的故宮興建于明成祖朱棣永樂(lè)四年(公元1406年)，至永樂(lè)十八年(公元1420年)落成，曾于1557年至1561年、1597年至1627年由于大火進(jìn)行兩次大規(guī)模重建。據(jù)稱(chēng)最初的建設(shè)投入工匠23萬(wàn)人，民工士兵上百萬(wàn)，是幾代人勞動(dòng)的結(jié)晶。故宮巧妙的修建技術(shù)也吸引著后來(lái)無(wú)數(shù)中外研究者為其傾盡心血。故宮里使用的巨石多達(dá)數(shù)萬(wàn)塊，其中最大的一塊是擺放在保和殿后面的雕有九條游龍的大石雕，重約300噸?！秲蓪m鼎建記》曾簡(jiǎn)要記載，長(zhǎng)石雕是隆冬時(shí)節(jié)在人工冰道上被拖運(yùn)來(lái)的。

　　盡管長(zhǎng)石雕的拖運(yùn)過(guò)程始終沒(méi)有詳盡的記載和科學(xué)論證，北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授李疆卻通過(guò)翻看500年前的記載，發(fā)現(xiàn)一個(gè)相似的情況：在1557年，有一隊(duì)勞工通過(guò)類(lèi)似的方式拖運(yùn)一塊重約123噸的巨石，經(jīng)過(guò)70多公里的行程將其運(yùn)到故宮。由此可以對(duì)機(jī)械工程史上“由于在公元前1500年時(shí)中國(guó)的車(chē)輪已經(jīng)充分發(fā)展，因此中國(guó)古代沒(méi)有出現(xiàn)以人力在冰上拖運(yùn)巨石的案例”這一觀點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充和修正。

　　滑動(dòng)摩擦比滾動(dòng)摩擦更安全可靠

　　去年夏天，李疆與清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員陳皓生帶著第一次到訪中國(guó)的普林斯頓大學(xué)機(jī)械與航空工程系教授霍華德·斯通參觀故宮，討論起大石雕運(yùn)輸中的潤(rùn)滑問(wèn)題。事后他們查閱文獻(xiàn)，卻未發(fā)現(xiàn)從現(xiàn)代工程科學(xué)角度進(jìn)行相關(guān)分析的研究，因此他們決定一探究竟。

　　據(jù)李疆介紹，明代的人們?cè)诰奘\(yùn)輸中就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在低速重載情況下，滑動(dòng)摩擦方式比滾動(dòng)摩擦方式更為安全可靠。而且，故宮巨石運(yùn)輸采用了冰面潤(rùn)滑的方式，并且通過(guò)在冰面潑水形成水膜作為潤(rùn)滑劑，來(lái)實(shí)現(xiàn)減輕阻力的目的。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，這種運(yùn)輸方式比用傳統(tǒng)的木撬、滾子及普通的冰面潤(rùn)滑更加省力，且更適合北京當(dāng)時(shí)的環(huán)境狀況。為此，研究者通過(guò)滾動(dòng)與滑動(dòng)的摩擦系數(shù)的對(duì)比，說(shuō)明了該方法是合理的。

　　從理論上來(lái)說(shuō)，由于冰面比木質(zhì)表面更加堅(jiān)固和平滑，故宮興建者采用制造人工冰道，使作為巨石墊板的木板與冰面接觸(而非古埃及以木板鋪路，實(shí)現(xiàn)木板與木板的接觸)，大大減小了摩擦力。李疆等人根據(jù)古籍記載和合理推算，從現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)的角度，估測(cè)以同樣的方式運(yùn)輸123噸的巨石大致需要工匠數(shù)為300人以下，因此可以推測(cè)運(yùn)輸300噸的巨石的人數(shù)不可能超出太多。然后，他們推算了以木板為軌道拖運(yùn)123噸巨石所需的人數(shù)為354人，雖接近預(yù)期人數(shù)，但明顯在運(yùn)輸300噸以上的九龍壁時(shí)很可能失敗。進(jìn)而可以推論，當(dāng)時(shí)最為可行的方法是鋪設(shè)冰道，在冰道上拖動(dòng)巨石。

　　這種便利方法與北京的氣候環(huán)境有關(guān)，與長(zhǎng)期處于熱帶的埃及相比，北京擁有使用冰的天然優(yōu)勢(shì)——寒冷的冬天。古籍記載，運(yùn)送巨石的時(shí)間是在冬至前后，在15、16世紀(jì)時(shí)北京1月的平均氣溫是在零下3.7攝氏度(上下0.5度)，雖然沒(méi)有天然的河流為運(yùn)輸提供冰道，但人們?cè)谶\(yùn)輸過(guò)程中每半公里就會(huì)鑿坑取水以保證冰道的用水。

　　潤(rùn)滑劑背后的科學(xué)

　　根據(jù)巨石運(yùn)到故宮的距離和時(shí)間，專(zhuān)家們估算拖動(dòng)一個(gè)123噸的巨石所需的平均速度是每秒8厘米。如此低的速度，加上極小的摩擦力是不會(huì)使冰面自動(dòng)融化成水進(jìn)而在冰道與木板之間形成潤(rùn)滑劑的。因此李疆等人研究了除摩擦生熱外的能使水膜產(chǎn)生和保持的其他方法，即在拉動(dòng)時(shí)直接在前面潑水，這一點(diǎn)在古埃及也有類(lèi)似的記載。通過(guò)現(xiàn)代物理研究可知，冰上低速運(yùn)動(dòng)物體的摩擦力比高速運(yùn)動(dòng)時(shí)大得多，但是在接近零度時(shí)以水膜為潤(rùn)滑的摩擦力非常小，因而在潑水作為潤(rùn)滑劑的情況下，縱使每秒8厘米的低速滑動(dòng)只會(huì)有極小的摩擦力。由于在明代北京日間零下3.7攝氏度的情況下，水在2分鐘內(nèi)不可能完全凍結(jié)，因此水膜是可以維持并保證運(yùn)輸?shù)?。?dāng)然，古人也可能使用熱水來(lái)延緩結(jié)凍。所以，研究者可以得出在故宮九龍壁拖運(yùn)時(shí)，不僅采用制造冰道的方式減緩摩擦，還在長(zhǎng)途運(yùn)輸時(shí)向冰道潑水作為潤(rùn)滑劑。

　　著名的中國(guó)科技史研究者李約瑟曾指出，古代的中國(guó)并沒(méi)有建立起西方以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的科學(xué)體系，中國(guó)古代的先進(jìn)技術(shù)是一種經(jīng)驗(yàn)體系，難以稱(chēng)之為科學(xué)。然而，當(dāng)我們佇立凝望故宮，當(dāng)學(xué)者們用現(xiàn)代科技手段重新審視故宮的興建技術(shù)時(shí)，不禁為我們先人的智慧所折服。李疆也評(píng)價(jià)說(shuō)：“明代的巨石運(yùn)輸方式說(shuō)明，當(dāng)時(shí)人們對(duì)低速重載的潤(rùn)滑研究達(dá)到了很高水平。紫禁城的興建與鄭和七下西洋都發(fā)生在15世紀(jì)前期，巨石運(yùn)輸?shù)睦诱f(shuō)明當(dāng)時(shí)的陸地運(yùn)輸技術(shù)并不比航海技術(shù)遜色?！?/p>

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　　沿用至今的古代搬運(yùn)重物技術(shù)

　　搬運(yùn)重物技術(shù)已有幾千年的歷史。早期的文明古國(guó)大多有搬運(yùn)數(shù)十噸巨石興建宮殿或宗教建筑的記載，甚至在現(xiàn)代社會(huì)，一些現(xiàn)代搬運(yùn)手段無(wú)法承受的重物也需要借助古人的搬運(yùn)智慧。

　　搬運(yùn)重物最為“出名”的古埃及在公元前2400年就曾運(yùn)用圓木來(lái)興建金字塔，即工匠們?cè)诼访嫔箱亪A木，讓巨石在圓木上滾動(dòng)前進(jìn)，從而筑成歷史上不朽的奇觀。公元前700年的亞述帝國(guó)，也曾運(yùn)用滾動(dòng)方式來(lái)運(yùn)輸重物。由此可知，在古文明時(shí)期，人類(lèi)已經(jīng)意識(shí)到滾動(dòng)搬運(yùn)比滑動(dòng)搬運(yùn)更為省時(shí)省力。在這一點(diǎn)上，古代的中國(guó)人似乎走得更遠(yuǎn)，根據(jù)古文獻(xiàn)及考古研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)在公元前1500年即出現(xiàn)了車(chē)輪，至春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，結(jié)構(gòu)精巧、裝飾精美的車(chē)輪已廣泛應(yīng)用于負(fù)重、出行、戰(zhàn)爭(zhēng)之中。

　　然而，滑動(dòng)運(yùn)輸始終沒(méi)有退出歷史舞臺(tái)，尤其是在路面環(huán)境更為惡劣的情況下運(yùn)輸更為巨大的物體時(shí)，滑動(dòng)拖曳因其易于控制的優(yōu)勢(shì)依舊發(fā)揮著作用。在公元前1880年的古埃及，人們?cè)诘缆飞箱佋O(shè)木板，在木板上拖動(dòng)了一座60噸的巨石像；1934年加拿大北部的人們?cè)誀恳龣C(jī)為動(dòng)力，在冰面拖動(dòng)一臺(tái)28噸重的采礦機(jī)器。直至今日，傳統(tǒng)的滑動(dòng)仍然在發(fā)揮著作用，1999年美國(guó)北卡羅來(lái)納州在鋼軌上拖動(dòng)4400噸的哈特拉斯海角燈塔。（作者：李戈）

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