故宮是中國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，北京科技大學機械工程學院副教授李疆、清華大學摩擦學國家重點實驗室副研究員陳皓生及普林斯頓大學機械與航空工程系教授霍華德·斯通在美國《國家科學院學報》上發(fā)表研究報告，指出中國古代興建故宮時，曾制造人造冰道，并以水為潤滑劑，拖運了重達300噸的巨石，再次以現(xiàn)代科學方法向世界展現(xiàn)了中華民族無窮的智慧。
中國的古人不在冰上拖運巨石？
古老的故宮興建于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，曾于1557年至1561年、1597年至1627年由于大火進行兩次大規(guī)模重建。據(jù)稱最初的建設(shè)投入工匠23萬人，民工士兵上百萬，是幾代人勞動的結(jié)晶。故宮巧妙的修建技術(shù)也吸引著后來無數(shù)中外研究者為其傾盡心血。故宮里使用的巨石多達數(shù)萬塊，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》曾簡要記載，長石雕是隆冬時節(jié)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(fā)現(xiàn)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(jīng)過70多公里的行程將其運到故宮。由此可以對機械工程史上“由于在公元前1500年時中國的車輪已經(jīng)充分發(fā)展，因此中國古代沒有出現(xiàn)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
去年夏天，李疆與清華大學摩擦學國家重點實驗室副研究員陳皓生帶著第一次到訪中國的普林斯頓大學機械與航空工程系教授霍華德·斯通參觀故宮，討論起大石雕運輸中的潤滑問題。事后他們查閱文獻，卻未發(fā)現(xiàn)從現(xiàn)代工程科學角度進行相關(guān)分析的研究，因此他們決定一探究竟。
據(jù)李疆介紹，明代的人們在巨石運輸中就已經(jīng)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，故宮巨石運輸采用了冰面潤滑的方式，并且通過在冰面潑水形成水膜作為潤滑劑，來實現(xiàn)減輕阻力的目的。通過比較發(fā)現(xiàn)，這種運輸方式比用傳統(tǒng)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(huán)境狀況。為此，研究者通過滾動與滑動的摩擦系數(shù)的對比，說明了該方法是合理的。
從理論上來說，由于冰面比木質(zhì)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(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(shù)為300人以下，因此可以推測運輸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)，但明顯在運輸300噸以上的九龍壁時很可能失敗。進而可以推論，當時最為可行的方法是鋪設(shè)冰道，在冰道上拖動巨石。
這種便利方法與北京的氣候環(huán)境有關(guān)，與長期處于熱帶的埃及相比，北京擁有使用冰的天然優(yōu)勢——寒冷的冬天。古籍記載，運送巨石的時間是在冬至前后，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。
潤滑劑背后的科學
根據(jù)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厘米。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(chǎn)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(xiàn)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厘米的低速滑動只會有極小的摩擦力。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輸?shù)摹．斎唬湃艘部赡苁褂脽崴畞硌泳徑Y(jié)凍。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。