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揭秘:古人以“冰道+水膜”运送故宫建造石料  

2013-11-11 13:57:20|  分类: 奥秘探奇 |  标签: |举报 |字号 订阅

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明代用来建造紫禁城的石料动辄上百吨,工人竟然有车不使,用旱船;有路不走,靠冰道。有何玄机?中美学者的一项合作研究发现,除了当时的车辆不具备这种载重能力外,在低速重载的情况下,滑动比滚动更省力、更安全。该论文刊登在最新一期《美国科学院院报》上。

明代《两宫鼎建记》中记载:1557年,重达120吨的石块乘坐旱船,从房山大石窝地区的采石场出发,沿着人工冰道“滑行”了28天、70公里,最终来到紫禁城。

百吨巨石这一路究竟是如何滑行的呢?论文第一作者、北京科技大学机械工程学院副教授李疆向本报记者详细还原了石块“滑”船的场景:工人先是在运送石料的路上每隔一里左右掘一口井,到了隆冬滴水成冰的日子,从井里汲水泼成冰道;运输时,工人再取井水洒向冰面,让冰道表面瞬间形成一层“水膜”,再向前拉拽载有石料的旱船。

别小看这层“水膜”,它的作用相当于润滑剂,使得旱船与冰面之间的摩擦力骤然减小。李疆等人的实验表明,这种情况下所产生的动摩擦系数仅0.03,而普通冰面是0.22。如果要搬动120吨重的石块,“冰道+水膜”仅需50人;若是在土路和冰面上,至少分别需要1500人和330人。

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李疆表示,不少经典文献普遍认为,古时以轮式车为代表的滚动运输方式,比滑动更先进。但是,车辆对路面要求比较苛刻,势必大兴道路,影响到故宫的建造工期。当时北京冬季的平均气温在零下5℃左右,冰道既结实又光滑。此外,16世纪末所使用的十六轮车,载重量最高约95吨。而修建紫禁城动用的巨石多为百吨级,最重的一块是摆放在保和殿后、刻着九龙戏珠的大石雕,超过300吨,比一架波音747还重。用旱船代替轮式车,说明此时古人已经意识到,在低速重载的情况下,“滑”船比拉车更省力、更安全。

还有分析称,采石场大多位于浅山,运往紫禁城一带基本是一路下坡,地形上也帮了忙。现在看来,故宫运石路虽是优中选优,仍行之多艰——极限速度只有每秒8厘米,而蜗牛每秒爬行约2厘米。

李疆告诉记者,这项研究源于一次旅游。去年夏天,她与清华大学摩擦学国家重点实验室副研究员陈皓生,陪同首次来访的普林斯顿大学机械与航空工程系教授霍华德·斯通参观故宫,期间三人对大石雕的运输问题颇为好奇。事后他们查阅文献,却未发现从工程科学角度进行相关分析的资料,三人因此决定一探究竟。

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