故宮巨石搬運之謎 300人搬運百噸巨石

北京故宮,紫禁城,興建於明朝,是中國建築史上最具有代表性的建築。

有史料記載,中國古代興建故宮時,曾經拖運了重達300噸的巨石,這不得不讓人驚嘆,在當時的施工條件下,他們是怎樣做到的? 古老的故宮,興建於明成祖朱棣永樂四年(公元1406年),至永樂十八年(公元1420年)落成,曾於1557年至1561年、1597年至1627年由於大火進行兩次大規模重建。 據稱,最初的建設投入工匠23萬人,民工士兵上百萬,是幾代人勞動的結晶。

故宮巧妙的修建技術,也吸引著後來無數中外研究者為其傾盡心血。

故宮是中國建築史上最具有代表性的建築 故宮裡使用的巨石多達數萬塊,其中最大的一塊是擺放在保和殿後面的雕有九條游龍的大石雕,重約300噸。《兩宮鼎建記》曾簡要記載,長石雕是隆冬時節在人工冰道上被拖運來的。 盡管長石雕的拖運過程,始終沒有詳盡的記載和科學論證,北京科技大學機械工程學院副教授李疆,卻通過翻看500年前的記載,發現一個相似的情況:在1557年,有一隊勞工通過類似的方式,拖運一塊重約123噸的巨石,經過70多公里的行程將其運到故宮。

巨石的運輸

由此可以對機械工程史上「由於在公元前1500年時中國的車輪已經充分發展,因此中國古代沒有出現以人力在冰上拖運巨石的案例」這一觀點,進行補充和修正。 滑動摩擦比滾動摩擦更安全可靠 據李疆介紹,明代的人們在巨石運輸中就已經認識到,在低速重載情況下,滑動摩擦方式比滾動摩擦方式更為安全可靠。 而且,故宮巨石運輸採用了冰面潤滑的方式,並且通過在冰面潑水形成水膜作為潤滑劑,來實現減輕阻力的目的。

通過比較發現,這種運輸方式比用傳統的木撬、滾子及普通的冰面潤滑更加省力,且更適合北京當時的環境狀況。為此,研究者通過滾動與滑動的摩擦系數的對比,說明了該方法是合理的。 從理論上來說,由於冰面比木質表面更加堅固和平滑,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,實現木板與木板的接觸),大大減小了摩擦力。 李疆等人根據古籍記載和合理推算,從現代實驗的角度,估測以同樣的方式運輸123噸的巨石大致需要工匠數為300人以下,因此可以推測運輸300噸的巨石的人數不可能超出太多。

九龍壁 然後,他們推算了以木板為軌道拖運123噸巨石所需的人數為354人,雖接近預期人數,但明顯在運輸300噸以上的九龍壁時很可能失敗。 當時最為可行的方法是鋪設冰道,在冰道上拖動巨石。這種便利方法與北京的氣候環境有關,與長期處於熱帶的埃及相比,北京擁有使用冰的天然優勢——寒冷的冬天。

運送巨石的時間是在冬至前後 古籍記載,運送巨石的時間是在冬至前後,在15、16世紀時北京1月的平均氣溫是在零下3.7攝氏度(上下0.5度),雖然沒有天然的河流為運輸提供冰道,但人們在運輸過程中每半公里就會鑿坑取水以保證冰道的用水。

潤滑劑背後的科學 根據巨石運到故宮的距離和時間,專家們估算拖動一個123噸的巨石所需的平均速度是每秒8釐米。如此低的速度,加上極小的摩擦力是不會使冰面自動融化成水進而在冰道與木板之間形成潤滑劑的。

因此李疆等人研究了除摩擦生熱外的能使水膜產生和保持的其他方法,即在拉動時直接在前面潑水,這一點在古埃及也有類似的記載。 通過現代物理研究可知,冰上低速運動物體的摩擦力比高速運動時大得多,但是在接近零度時以水膜為潤滑的摩擦力非常小 因而在潑水作為潤滑劑的情況下,縱使每秒8釐米的低速滑動只會有極小的摩擦力。 由於在明代北京日間零下3.7攝氏度的情況下,水在2分鐘內不可能完全凍結,因此水膜是可以維持並保證運輸的。當然,古人也可能使用熱水來延緩結凍。

潑水作為潤滑劑

所以,研究者可以得出在故宮九龍壁拖運時,不僅采用制造冰道的方式減緩摩擦,還在長途運輸時向冰道潑水作為潤滑劑。 著名的中國科技史研究者李約瑟曾指出,古代的中國並沒有建立起西方以數學為基礎的科學體系,中國古代的先進技術是一種經驗體系,難以稱之為科學。

巨石運輸的例子說明當時陸地運輸技術並不比航海技術遜色 然而,當我們佇立凝望故宮,當學者們用現代科技手段重新審視故宮的興建技術時,不禁為我們先人的智慧所折服。 李疆也評價說:「明代的巨石運輸方式說明,當時人們對低速重載的潤滑研究達到了很高水平。紫禁城的興建與鄭和七下西洋都發生在15世紀前期,巨石運輸的例子說明當時的陸地運輸技術並不比航海技術遜色。」

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