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谈摇橹: 热度 14 武际可 2014-6-3 05:56; 谈摇橹摇橹是中国人特有的发明。考古发现，中国人在七千年以前就有了船。可以想象，最早的船涉水不会很深，所以多用篙来撑船前进。后来船行进在深水地方，篙就不管用了，就发明了桨。我国考古发现在五千年前就有桨的实物出土。橹的发明也相当早。在汉末的文字中就有橹的记载。说明至迟在汉末就有橹问世。东汉末年，文字训诂学家、经学家刘熙所著的《释名》一书中解释“橹”字说“在旁曰橹，膂也，用膂力然後舟行也。”到了三国时期，更有明确的记载。在陈寿所著《三国志》中第 54 卷，记载吕蒙取南郡打败关云长的事有这样的话：“蒙至寻阳，尽伏其精兵舳舻中，使白衣摇橹，作商贾人服，昼夜兼行，至羽所置江边屯候，尽收缚之，是故羽不闻知。”这个“摇”字完全刻画了对橹使用的特点。就是橹板一直置于水中，靠把橹柄来回摇动来推动船舶前进。它和此前的桨不同，桨是要用人力来“划”动的，桨板在水中滑动一次，需要人力把它提出水面再进行第二次划动。显然摇橹比起划桨省力多了，所以一直有“一橹三桨”的说法。图 1 摇橹前进的船图 2 北宋张择端绘清明上河图上的摇橹船摇橹是怎样推动船舶前进的？让我们先从橹的构造说起。如图 3 ，整个橹实际上是一根弯曲的杠杆，橹板一头插在水中，是一块长板。橹柄是摇橹人施力的一端。比较巧妙的是支点球钉，形如图 4 。它有不同的构造，重要的是它要使橹能够沿两个方向旋转，一方面要使橹柄前后推拉时转动自如，另一方面要使在推拉过程中橹能够绕自己的轴做旋转，以改变橹板对划动方向的角度。左边的是一根固定在船上的球形头的大金属钉插入固定在橹杆上的凹垫中；而右边则是橹杆直接穿过可以旋转的圆环中。图 4 所示的两种构造都能够保证实现这些功能，也就是球形铰的功能。它允许有两个自由度的转动。图 3 橹的构造图 4 球钉的局部构造熟悉了摇橹的构造，我们来看摇橹的技术。摇橹是将橹柄一推一拉，来回摇动，同时橹板也随着摇橹一来一去地在水中划动。你能够想象，橹板单纯在水中来回搅动，并不会产生把船向前的推力，所以关键就在于在推拉之间要调整橹板的板平面与橹板运动方向的角度，而这就取决于在推拉橹柄时要牵动橹索的一个小动作。图上面摇橹的姑娘正在推动橹柄，左手顺手将橹索向前推，由于橹索的角度的这个小小的变化，便牵动橹板在水中的角度改变，使如图右橹板对橹板运动方向产生了一个攻角。图下面，摇橹姑娘正在拉动橹柄，左手顺手将橹索向自己方向拉动，这样就又使橹板平面对运动方向形成一个攻角。结果，不管是推还是拉，橹板总是与它运动方向形成一个正的攻角。如果把橹板看作一叶置于水中的机翼，这个攻角会使机翼产生“升力”。这也就是船在这个“升力”推动下不断前进的道理。图 5 摇橹时的推拉动作图 6 平板机翼的升力在橹板对水有一个速度为 U 的运动时，它所受的力相当于橹板不动，水以速度 U 来流在板上产生的力。这个问题，最早是作为飞行机翼的升力来研究的。 19 世纪初，英国人乔治·凯利（ George Cayley,1773 － 1857 ）为了对空气的阻力与升力进行定量研究， 1804 年 12 月，凯利自己设计和制造了一架悬臂机，用于研究平板的升力和阻力。利用这个装置，凯利得到了最早关于升力和速度方面的数据。他初步的结果是，平板的升力 F 与平板的面积成正比、与迎风角 α 成正比、与速度 U 的平方成正比。他在悬臂机试验中还发现了流线型对减少阻力的重要性。这个结果是在中国的摇橹使用了一千多年之后才得到的，而且他最早是对机翼在空气中运动获得的，当然，它也适用于在水中运动的橹板。不过橹板比在空气中的机翼“升力”要大许多，因为水的密度是空气密度的近八百倍，而“升力”是与流体介质的密度成比例的。用公式表示升力，就是 F ＝ k ρ U ² Ssin α，这里 ρ 是介质的密度 S 是平板的面积， k 是一个常数。图 7 橹板划水攻角变化与小船前行图图 8 凯利像橹最初是安装在船侧的，后来单橹船的橹移到了船尾。明末出版的字典《正字通 · 木部》说：“长大曰橹，短小曰桨，纵曰橹，横曰棹（注：有支点的长桨）。”所以橹一般都是安装在船尾的。大船则安装有多支橹，橹数有 8 橹、 10 橹，以至多达 36 橹的，有的装在船尾，有的装在船侧。橹的大小亦视船只的大小而不等，有 1 人、 2 人、 6 人摇的橹，也有 10 人以至 20 人、 30 人摇的橹。图 2 清明上河图上的那只橹就是由八人合力摇的橹。元代阿拉伯旅行家伊本 · 拔图塔（ ibn Battuta ， 1304 － 1377 年）在其所著《游记》中，记述中国船上的橹，说：有的“像桅杆一样大，要用十到十五人来工作”，而且“一定要站着”；在沙船里大约有 20 支橹，要 30 人面对面地站成两行，往来摇动。为了使每个人所使的力整齐划一，在摇橹时要齐声合唱，经常喊的是“啦、啦、啦”。生动的摇橹图景，能够使我们回味古代人力摇橹推进大船的情景。现在让我们把目光移向西方。西方在人力驱动船舶前进，一直都没有产生橹这种东西。他们一直停留在用桨划船的阶段。直到十七、十八世纪，西方来华有许多传教士，才把中国的橹带回欧洲。所以欧洲人称橹为 yuloh ，是把摇橹按音译过去的。不过迄今，西方人的橹多不用橹索，靠执橹柄的手在推拉时适当转动手腕以调整橹板的攻角。也没有球钉的支承装置，而是简单地在船帮上开一个小豁把橹杆放在里边。这样，也有它的方便的地方，就是那个橹，可以当橹使用，也可以当桨使用，非常灵活。图 9 一艘西人摇橹小船用人力来驱动船舶前进，摇橹已经是很省力和很先进的发明了。不过，人们还是没有满足，因为摇橹是用臂力，俗话说“胳膊扭不过大腿”，毕竟没有用腿脚来得有力。于是就发明了用脚力驱动的车船。这也是中国人最早的一项发明。车船是使用脚力驱动叶轮转动，从而使船前进。大约是南北朝时代的发明。其形制很大，用于战争。由于脚力比臂力要强，所以速度很快，四周装有打击敌船的拍杆。拍杆是一种长杆顶头绑有重石的装置，平时高高悬起，一旦敌船靠近，便立刻放下，砸向敌船，致使敌船船毁人亡。早在南北朝 (420 ～ 589) 时，已有车船的记载。唐代李皋对车船的发展起了承前启后的作用。他制造的车船用人力踏动快速前进。宋代的车船盛极一时，绍兴二年 (1132) 王彦恢制的战舰，旁设 4 轮，每轮 8 楫（桨片）。（图 9 、图 10 ）图 9 古代一种由轮桨、风帆和桨多种驱动的战船图 10 一艘 1130 年前后建造，有 23 个踏轮，可容战士七、八百人的车船上面图示的这两艘车船，也称为明轮船。因为它的驱动轮的大半是露在水面上的。所以称为明轮。明轮的形制如图 12 。轮周装有蹼板，当轮子转起来时，下面入水的蹼板就会像鸭蹼那样推动水向后，靠水的反作用前进（图 13 ）。这种推进技术实际上效率并不高，因为蹼板入水和出水的瞬间蹼板作用于水的力量有较多向下向上的分力，而不纯粹是向后的作用，这就浪费了不少能量。图 12 车船的驱动轮图 13 明轮的驱动原理我国在人力驱动的船舶上的发明，可以说已经做到了尽善尽美了，一艘船其规模能够达千吨以上，可容武士千人以上。不过，一到 19 世纪，西方的机器驱动的轮船发明，其后钢铁制造的军舰出现，中国靠人力驱动的木船当然敌不过靠机器驱动的钢船。领先船舶驱动的推进器也逐渐淘汰了明轮而采用完全处于水下的螺旋桨（图 14 ）了。如果说摇橹的关键是无论对橹柄的推还是拉，都要使橹板与其运动方向有一个适当的攻角。那么螺旋桨旋转起来，它的每一个叶片也都永远与其运动方向保持一个攻角。在这一点上，螺旋桨是继承了摇橹的核心技术的。图 14 船用螺旋桨; 个人分类: 科普|24989 次阅读|16 个评论

从麻脸的高尔夫球谈起: 武际可 2010-7-17 15:28; 个人分类: 科普|9063 次阅读|7 个评论

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