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。《兩宮鼎建記》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。