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第3章 伟大的古代生产科技发明(3)

除石拱桥外,我国还建造出结构独特的木拱桥——虹桥。虹桥又称“虹梁”、“飞桥”和“飞梁”。虹桥首创于北宋的青州(今山东益都市),普建于汴梁漕运的汴河上。北宋画家张择端的《清明上河图》清晰地绘出了当年汴京虹桥的英姿。虹桥最有价值的创新在于它的主拱结构是由木梁交叠而成的“叠梁拱”。这在中外桥梁史上是没有先例的。这种新型结构称为’虹梁结构”,其整体造型轻盈,犹如长虹飞越河上,构造比较简单,装拆都很迅速便捷。这种长跨木桥建筑是桥梁建筑中的杰作,在世界桥梁史上也是十分罕见的。

在桥的家族中,还有一种索桥,又称吊桥、悬索桥,古书上称为纟亘桥、笮桥。常建于悬崖峪谷,急流险滩等难以修筑桥墩,采用舟渡的地方。宋代爱国诗人陆游用“魔索临千仞,梯山蹑半空”勾画出索桥的雄姿,又用一首《度笮》七绝生动勾勒出一幅过桥时的惊险场面:“翩翩翻翻笮受风,行人疾走缘虚空。四观目弦浪花上,小跌身裹蛟龙中”。

索桥最初是用竹索或藤索搭造,后才渐趋改用铁索。现在竹索桥的代表,当推四川灌县境内横跨岷江的珠浦桥。它采用碗口粗的竹绳10根并列作桥身,上铺木板作桥面,左右侧各系3根竹绳作扶栏。至于铁索桥的产生,大概在中唐时期。据《旧唐书》和《新唐书》记载,南召牟寻联合唐将韦皋大败吐番兵时(779年),曾弄断金沙江的铁桥,溺死数以万计的番兵,俘获五个番王。我国现存较大的铁索桥,是四川境内大渡河上的泸定桥。它净跨100米,净宽2.8米,桥面距枯水位14.5米,由13根铁索组成。该桥始建于康熙四十四年(1705年),翌年告竣。当时分别在桥东和桥西铸造铁牛一头和铁蜈蚣一条,人们希望它能镇住“水妖”,让桥悠久长存。70多年前,中国工农红军在二万五千里长征途中,飞夺泸定桥,突破了敌人的围追堵截,保证了战略转移的实现。

为了解决桥上陆运和桥下大型船只通航的矛盾,古人还发明了一种可开可合的桥。广州潮州的广济桥就属此类桥。它又名湖子桥,建于唐代,长达518米,是闽、赣、粤三省的交通要道。它两端是固定的石桥基,中段是活动的浮桥。船只过桥的时候,浮桥就移开让出水道。

这既适应航运需要,又避免了筑墩工程,可谓“两全其美”。

此外,在我国许多风景名胜区,还有一些各具匠心的独特的桥梁建筑。如:山西太原市西南郊的晋祠内有一座十字形的石桥,浙江绍兴有一座“八字桥”,河南新乡有“一线桥”。杭州西湖的九曲桥,苏州拙政园中的五曲桥,上海豫园的九曲桥、厦门鼓浪屿的44曲桥则以曲折迂回见长。另外,广西三江林溪河上的程阳桥、江苏扬州瘦西湖上的五亭桥、北京颐和园的玉带桥也都分别具有特殊的艺术魅力。这些架设在青山碧水之间的特殊桥梁,或雄伟壮观,或娇小玲珑,或富丽堂皇,或清幽雅致,给风景区增添了美感。

中国文明悠久,河流纵横,桥的数量之多,名列世界前茅。特别是江南渔米之乡,古桥千姿百态,构成当地自然人文景观的一大特色。如苏州有“一出门来两座桥”的谚语。唐代白居易有“绿浪东西南北水,红栏三百九十桥”的诗句。这些桥或以存世久远为人仰慕,或以技术高超着称于世,或以造型精巧为后代惊叹。它们如一条条纽带,把无数天堑变为坦途,联结着不同地区政治、经济的往来,沟通了人们之间文化和情感的交通,大大增强了中华民族的凝聚力。在漫长的岁月中,桥饱经自然沧桑,也刻画了历史的兴亡与人事的变迁,它们是中国文化,也是全人类文化史中的瑰宝。

千年风车至今仍在悠悠转动

风,是一种最常见的自然现象。汹涌的海浪、怒吼的林涛、翻滚的稻浪、飘扬的旌旗、旋转的风车,都是风的“杰作”。众所周知,骑自行车顺风走,要比逆风走轻快;江河里的木船,常常提起风帆行驶以冀“一帆风顺”,小孩玩的纸风轮,会迎风飞转……那么,风的本质究竟是什么呢?

我们的地球表面是被一层很厚的无色透明气体包围着的,这层气体就是空气,空气的运动就产生了风。大气的运动时而剧烈,时而平缓,风也就有大小之分。生活在“风魔”控制下的人类,很早就结识了这位“隐形术士”,并加以利用。风车,就是人类“见风使舵”的最古老的“手段”之一。

早在公元前200年左右,西亚地区的波斯人发明的立轴式风车,用于磨碎谷粒,为世界上最早的风力机。到了7世纪,伊期兰国家出现了基本形式为水平型的风车,用于灌溉、扬水和磨粉。由于这种风车只是部分帆面接受力,所以效率不高。

在东方在中国,早在两千多年前,利用风力驱动的帆船已经在水面航行,并且出现了风车。

不过当时的风东不是去磨粉,而是作为宗教仪式的道具使用。到了明代,开始应用风力水车灌溉农田,并出现了用于农副产品加工的风力机械。

12世纪以后,风车在欧洲出现了。13世纪左右,英国和北欧国家已使用了相当多的风车,有些风车用来磨粉,但更多的是用来抽汲湖泊中的水和排出渗入堤坝低洼处的海水。荷兰有许多土地比海面低,所以普遍使用大型风车来抽出海水。荷兰的立式水车排除低洼地带的积水,保护着荷兰三分之二的国土,使它不再变为泥泞土地。丹麦则是最早利用风力发电的国家,广泛地用于农村照明和其他生活用电。

欧洲风车的基本形式是风车的旋转轴跟地面成水平的垂直型风车,它比水平型风车的结构复杂。这种风车的帆能够全部受到风力的作用,所以效率较高。早期风车的形式是将帆安装在有机械的木箱上,把木箱安装在垂直的支柱上,使帆(或者叫做叶轮)朝着风吹的方向。随着风车的转动,通过齿轮将此旋转运动传给磨粉机或别的机械的回转轴上。这就是早期的箱式风车。

到了14世纪,在用砖和石头建造的塔中安装上机械,这就是塔型风车。塔型风车成为普遍的形式。风车塔的上部能自由改变方向,当风向变化时,可以转动风车的帆或叶轮使之迎对风向。这种风车非常好用。在16世纪,风车逐渐实现大型化,精细部件经过研究也得到了一些改进。这样,几乎所有的大型风车都改装成塔型了。

到了18世纪,人们开始用铁齿轮代替了以前的木制风车部件。同时还进行了各种各样的新的改进。1745年,英国的E李发明了使风车自动迎对风向的自动尾冀,并取得了专利。1759年,英国的史密顿在皇家学会发表了关于风冲向风车叶片上的气流的科研论文。同时,英国的梅克尔发明了使风车叶轮能随风的强度改变其角度的附加弹簧的叶轮。于是,18世纪末期出现了许多效率高的风车。

后来随着价格便宜的内燃机和蒸汽机的出现以及农业电气化的发展,到了本世纪五六十年代,风能利用处于低潮时期。

到了本世纪70年代初期,在出现了全球化的石油危机后,由于所谓“能源危机”的冲击,在千方百计探索能源出路时,人们又重新想起了风能。这样,风能这种古老的能源又焕发出了青春的风采,风车又欢快地转了起来。比如美、英等国专门拨款研究,并已将风能用于充电、照明、无线电通讯、卫星地面站电源、灯塔电源及海水淡化等。澳大利亚、瑞士、西德等国,已把小风力发电机作为商品进行出售。实际上,风车“赏赐”给我们的风力资源是相当丰富的。据粗略估计,全世界至少有10亿千瓦可以利用的风能,比全世界的水力发电资源还要大10倍。怪不得许多国家日益重视起风能来。那么,风能是怎样转换成其他能的呢?

风力发动机就是一种将风能(自然能)转变成机械能,从而转变成其他形式的能量转换装置。

风力发动机由风轮、机头、机尾、回转体和塔架五部分组成。当风吹来的时候,风轮转动,带动其他一系列装置,从而带动其他的机械。风力发动机是多种工作机械的原动机。利用它带动水泵和水车,就是风力提水机;带动碾米机,就是风力碾磨机;带动榨油机和切草机,称为风力榨油机和风力切草机。带动发电机的,叫风力发电机或风力电站。除后者之外,前述各种,都统称为风能的直接利用装置。

千年风车唱着古老的歌,不知给人类带来了多少“恩惠”!正由于风是一种永不枯竭的能源,地球上的风能大大地超过水流的能量,也大于固体燃料和液体燃料能量的总和。所以风能利用的前景十分广阔。在各种能源中,风能是利用起来比较简单的一种。它不同于煤、石油、天然气,需要从地下采掘出来,运送到火力电厂的锅炉设备中去燃烧;也不同于水能,必须建造水坝,来推动水轮机运转;也不像原子能那样,需要昂贵的装置和防护设备。风能的利用,由于简单,易于普及,便于土、洋并举,而且机动灵活,因此有着广阔的前途。特别是在缺乏水力资源、缺乏燃料和交通不方便的沿海岛屿、山区和高原地带,都具有很高的风速,可以合理地加以利用。

千年风车,转也悠悠……

世界遥遥领先——地动仪

地震,这个潜伏在地下的凶恶的“敌人”,一旦发起“脾气”来,就可以使山崩石坠,地形改观,河流改道,桥梁崩塌,房屋毁坏,人畜伤亡,有时还间接造成水灾和火灾等次生灾害,给人们生命财产带来巨大的损失。强烈地震来势猛烈,仅在几分钟,甚至在短短的几秒钟内即可完成,令人防不胜防。那么,对地震这种自然现象,人们是否能够预先感知到呢?

生活在地面上的人们,为了同这种自然现象作斗争,很早就有了地震的记载。由于我国处在环太平洋地震带与喜马拉雅一地中海地震带之间,是多地震的国家之一。因而我国人民很早就注意地震,并留下了世界上古老而系统的地震记录。晋代出土的《竹书纪年》中记载有帝舜时期“三苗将亡,天雨,夏有冰,地坼及泉”和“夏桀末年社坼裂”的现象,可能是关于地震的最记载。《诗经·小雅·十月之交》把西周时候人们经历的一次强烈地震,做了生动的描述:“烨烨震电,不宁不令,百川沸腾,山冢塌崩,高岸为谷,深谷为陵。”那么,这些地震是怎样产生的呢?自古以来,人们便不断进行探讨,提出了不同的看法。早在春秋战国时期,就有过三种不同的解释。最早是以阴阳说来解释:在我国古代很早就提出了“阴阳”这样一对矛盾是世界万物运动发展的基本动力的观点。在《国语·卷一》载:“幽王二年,西周三川皆震,伯阳父曰:‘周将亡矣!夫天地之气,不失其序,若过其序,民乱之也。

阳伏而不能出,阴迫而不能蒸,于是有地震。’”这种看法是从自然界本身存在的矛盾(阴阳不调)来解释自然现象的。春秋时,人们还以天体运动的周期性来解释地震的发生,把地震的发生看成是与某些天体的运行有关系。另外,战国时的庄子认为:“海水三岁一周,流波相薄,故地动。”这是把地震的原因归到海水“流波相薄”,而且每三年循环一次,因而把地震发生看做有周期性。以上这三种解释都是从物质本身的运动出发来解释地震现象,具有朴素的唯物观点。这种解释对后来有很大的影响。

因此,正是在以往不断记录地震,解释地震现象这些知识的基础上,东汉时候杰出的自然科学家张衡发明了世界上第一架观测地震的仪器——地动仪。

张衡,字平子,汉章帝建初三年(公元78年)诞生于南阳郡石桥镇一个没落的官僚家庭,张衡幼年时家境衰落,有时还要靠亲友的接济。贫困的生活对他的成长无疑起了良好的作用。南阳是经济和文化都很发达的地区,有“南都”之称。张衡生长在这样的环境中,加上他自幼刻苦好学,青少年时代就为后来从事科学文化事业奠定了良好的基础。从17岁开始,张衡便离乡游学,考察风俗人情。后来他到了当时的首都洛阳,就读于最高学府——太学。在这里,张衡很快成了一名学识渊博的学者。安帝永初四年(公元111年),34岁的张衡应征进京,先后任郎中、太史令、公车司马令等职。其担任太史令时间最长,前后达14年之久。太史令是主持观测天象、编订历法、候望气象、调理钟律等事务的官员。因此,张衡担任太史令多年,能够接触到大量有关古代记载的地震方面的知识。

当时,地震频繁。据统计,从公元92年~139年间,京师(洛阳)和陇西发生地震20次,其中约有6次是破坏性地震。在张衡担任太史令期间,地方上发生的地震上报中央后,都由他记录下来。为了掌握各地发生的地震情报,他感到很需要有仪器来进行观测。正是以上几种情况,促使张衡很关注地震问题,并经年累月,孜孜不倦地进行研究,终于在阳嘉元年(公元132年),制造了世界上第一架地震仪,在人类与地震作斗争的历史上写下了光辉的一页。

关于这架仪器,《后汉书》中记载:“以精铜铸成,圆径八尺”(那时的一尺合现在的23.68厘米),“形似酒樽”(外形象一个酒坛子),上有隆起的圆盖,仪器的外表刻有篆文以及山、龟、鸟、兽等图形。仪器内部中央立着一根铜质“都柱”(起惯性摆作用),柱旁有八条通道,称为“八道”。道中安有“牙机”(发动机关)。仪体外部周围铸有八条龙,头朝下,尾朝上,按东、南、西北、东南、东北、西南、西北八个方向布列。龙头和内部通道中的发动机关相连,每个龙头嘴里都衔有一个铜球。对着龙头,八个铜蟾蜍蹲在地上,个个昂头张嘴,准备承接铜球。当某个地方发生地震的时候,地动仪内部的“都柱”就发生倾斜,触动“牙机”,使发生地震方向的龙头张开嘴巴,吐出铜球,落到铜蟾蜍嘴时,发出很大声响。于是人们就能知道哪个方向发生了地震。所谓“一龙发机,而七首不动。寻其方向,乃知震之所在。”

张衡设计的地动仪,是他的唯物主义自然学说的形象体现。仪体似卵形,直径和浑象同样大,象征浑天说的天。立有都柱的平底,表示大地,在天之内。仪体上雕刻的山、龟、鸟、兽象征山峦和青龙、白虎、朱雀、玄武二十八宿。乾坤震巽坎离艮兑等八封篆文表示八方之气。八龙在上象征阳,蟾蜍居下象征阴,构成阴阳、上下、动静的辩证关系。都柱居于顶天立地的地位,是按照古代“天柱”的说法作的布局。至于牙机,则采用了杠杆结构。

这台地动仪被命名为“候风地动仪”。“候风”可能是“候气”的意思,反映了当时人们对地震发生原因的认识。古代人们以为地震是地“气”引起的。所谓“气”,包含有一种积聚起来的能量的意思。

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