摩擦物理學揭示了人們如何將百餘噸重的巨石運往中國故宮的細節 摩擦物理學揭示了人們如何將百餘噸重的巨石運往中國故宮的細節

摩擦物理學揭示了人們如何將百餘噸重的巨石運往中國故宮的細節

摩擦物理學揭示了人們如何將百餘噸重的巨石運往中國故宮的細節

根據記載,15 世紀的中國,工人將 100 多噸重的石塊從採石場運到 43 英里外的紫禁城,沿的是人工修建的道路。

工人每隔半公里就挖一口井取水,然後在嚴冬時節將水澆築成冰路。之後,他們再自行運送石塊。六百年後的今天,一項新的研究揭示了這項工作的具體運作方式。

來自北京兩所大學和美國普林斯頓大學的工程師開始研究這項作業的細節。這支現代工程團隊進行了計算,估算了不同運輸方式(包括古代流行的滾木運輸)所產生的摩擦力。研究人員表示,他們的計算結果表明,在冰上滑行是一個不錯的選擇,工人們很可能在雪橇前澆水以增加潤滑。

研究團隊計算得出,當時北京的冬季氣溫足以維持冰路的通行。事實上,氣溫之低,僅靠摩擦力無法在木製雪橇底部與冰路表面之間形成有效的水膜潤滑。然而,氣溫又剛好足以讓傾倒在冰路上的水保持液態幾分鐘。

研究人員計算出,當時的輪式車輛不可能運輸超過 95 噸的重量。

現代工程師計算得出,加水會帶來巨大的改變。如果沒有水,需要338個人才能拉動一塊重達123噸的巨石——這塊長31英尺的巨石,根據當時的文獻記載,1557年,人們曾將其運送到紫禁城,行程超過43英里。然而,有了水,只需要46個人就能搬動這塊巨石。

在水潤滑的冰面上拉雪橇可能比在原木上滾動更有效率。原木在地面滾動的摩擦係數為0.2至0.4,而使用軌道時,摩擦係數則降至0.02至0.04。水面和冰面滑動的摩擦係數約為0.02。研究人員指出,總的來說,如果天氣條件允許,滑行雪橇可能比使用原木更容易,因為鋪設一條平整的冰路比鋪設一條平整的木板路要容易得多。此外,在冰上轉彎也比在原木滾輪上移動貨物更容易。

那麼,為什麼不把這些東西都裝進大輪車裡,再找些騾子拉呢?研究人員計算出,當時的輪式車輛最多只能承載95噸的重量。此外,冰路和人力比騾車更可靠,而且紫禁城的建造者也擔心如何保護那些最大的石塊,研究人員寫道。不知道那些拉石塊的農民是否也有同樣的顧慮。

研究團隊今天在《美國國家科學院院刊》上發表了他們的研究成果。