书城科普读物探索未知-数学经典题
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第11章 伟大的阿基米德(2)

一个显然不可能的奇迹发生了:水往高处流!农夫们放下水桶,争着来看阿基米德的新发明,既省力又省时间,大大减轻了劳动强度。

大伙儿当然喜欢。这一来,一传十,十传百,螺旋抽水机很快从埃及传到外国。人们不仅用它来提水灌溉土地,还用来排积水,扬谷物,扬沙子。以后这个机械就被称作为“阿基米德螺旋提水器。”直到今天,有的地方还在使用它。

至于飞机、大船的螺旋桨,甚至连小小的螺丝钉,那都是阿基米德螺杆的后代。

阿基米德的研究并不是凭空想出来的,他总是从生产和生活的实践中发现研究的课题,然后用数学、力学的方法加以抽象的概括,上升到理论,然后再用新的理论去解释自然现象,指导创造发明,因此,阿基米德在许多方面都取得巨大的成就。

比如,当时人们在生活和生产实践中常常和圆形的东西打交道,需要解决计算圆、圆柱、球体等几何图形的面积和体积,这在建筑、造船、丈量土地、制造生活用品时都是经常遇到的。古希腊时代,人们总结出直径为一、周长为三的求圆周的方法,但很不精确。阿基米德经过研究,计算出圆周率是31409至31429之间,这和我们今天知道的π≈31415926是相当近似的。阿基米德为圆周率π拟定的数据,也被称为“阿基米德数”,当时,它给人们带来很大的便利。

阿基米德还是微积分的奠基人。他在计算球体、圆柱体和更复杂的立体的体积时,运用逐步近似而求极限的方法,从而奠定了现代微积分计算的基础。今天的大学理工科学生,都需要学习阿基米德开创的微积分。

最有趣的是阿基米德关于体积的发现:一个圆柱体中正好嵌进一个球体(圆柱体的高度和直径相等,恰好嵌入的球体就叫做圆柱体的内接球体)。这两件普通的几何模型,充分地漾溢着阿基米德的聪明和才智。

他把水倒进圆柱体,又把内接球放进去;再把球取出来,量量剩余的水有多少;然后往圆柱体里倒满水,量量圆柱体到底能装多少水。这样反复倒来倒去的测试,他发现了这个内接球的体积,恰好等于外包的圆柱体的容量的三分之二。

阿基米德得出一个结论,圆柱体和它内接球体的比例,或两者的相互关系,是3∶2。

他写了许多论述球体和圆柱体的著作,研究各种立体的表面积和体积,以及它们相互间的关系。而在圆柱体、圆锥体、金字塔形、球体、立体和平面等等几何形状中,他最偏爱的是圆柱体和它内接圆的特殊关系。他为这个不平凡的发现而自豪,他嘱咐后人,将一个有内接球体的圆柱体图案,刻在他的墓碑上作为墓志铭。

今天,我们所有的立体测量,都是从阿基米德开始的。

阿基米德惊人的才智,引起了人们的关注和敬佩。朋友们称他为“阿尔法”,即一级数学家。(α——“阿尔法”,是希腊字母中第一个字母)阿基米德作为“阿尔法”,当之无愧。

杠杆的力量

阿基米德在亚历山大城学习归来,回到他的故乡叙拉古,已是公元前240年。他提任亥厄洛国王的顾问,继续从事他醉心的数学和力学的研究。但是不学无术的亥厄洛国王对阿基米德并不满意,他常常用责备的口吻问阿基米德:“为什么你的研究只停留在学问的游戏上,而不能解决实际的重大问题?你所研究的学问到底对实际生活有什么利益?”

有一次,国王又说:“要你实际表演,不要空洞的理论……”这时,一向谦恭的阿基米德望着国王说:“陛下,给我一个支点,我可以举起地球!”“开什么玩笑,到哪里去找一个支点能把地球举起来呢?你倒是说呀!”国王很不高兴。

“这样的支点是没有的。”阿基米德说。

“那不就得了!”国王说,“要叫人信服力学的威力,怎么可能呢?”阿基米德这时向国王鞠了一躬,“不,陛下,你误会了!”他郑重其事地说,“我能够用实例来证明我的观点……”

“好呀,我倒要看看你是怎样证明的……”

这次谈话没过多久,亥厄洛国王叫人造了一艘大船。过去,这样大的船下水,要几百个奴隶齐心协心地推,才能推动它。亥厄洛国王决定考一考阿基米德。“他不是夸下海口可以举起地球吗,这次,先让他一个人把大船推下海吧。”国王心想。

国王把阿基米德找来,宣布了他的决定,他原以为阿基米德会一口拒绝的,不料阿基米德却认真地点点头:“好吧,我试试看……”

这天,天气晴朗,雪白的海鸥不时掠过蔚蓝色的海面,微微起伏的波浪在阳光下闪着银光,是个好日子。

海边的船坞热闹非凡,居民几乎倾城而出,把海滩围得水泄不通,人们你一言、我一语,大声喧哗或窃窃私语,汇成潮水般的声浪。

有人说:“阿基米德今儿准要失败。”

有人说:“咳,这个聪明人准是发疯了!”人们说着闹着,对着造船架上的大船指指点点。

那是一艘漂亮的三桅大木船,船身雕刻着非常精细的图案,既结实又威风。船上还有许多人,他们是奉国王之命,加重大船的重量的。

这会儿,大船也骄傲地扬起船头,好像说:“是谁说一个人可以把我推动?”

突然,沸腾的人群一下子平静下来,亥厄洛国王和阿基米德登上了平台,千万双眼睛一下子从四面八方集中在他们的身上。

国王坐下之后,用手指着大船,笑眯眯地说:“呶,就是它。怎么样?现在认输还来得及……”

阿基米德却很冷静地说:“陛下,请您稍等片刻。”

说罢,他就忙开了。手下的人按照他的吩咐也七手八脚地忙起来。围观的人们觉得眼睛不够用,一会儿跟着阿基米德转,一会儿盯着他们跑来跑去的身影,简直眼花缭乱。

这时,只见阿基米德指挥奴隶们往大船上系了一根粗粗的长绳,又在平台上装了一组滑轮,把一个带手柄的螺旋式的东西固定在平台上。

“好了吗?好了吗?”国王有点沉不住气,探着身子连连发问。阿基米德没有回答,像是存心让国王大吃一惊似的,他一只手攥着螺杆柄,缓缓地摇起来。

人们屏住呼吸,目不转眼地盯住大船。

嘿,那挤满了人的大船竟然慢慢地、慢慢地滑动了。

“哗——”就像平地卷起了一阵狂风,人群中欢声鼎沸:“看啊、快看啊,大船动了!动了!”

“呵呵,他没有疯!”

亥厄洛国王揉揉眼睛,果然,大船正稳稳当当地滑行。再看看阿基米德,他正得意地微笑呢。

国王惊呆了,他明白,站在自己面前的阿基米德,是一个无所不能的人。阿基米德的滑轮装置就是杠杆理论的实际应用。不过,如果按阿基米德的说法,给他支点,就能举起地球,那么要做到这点可不像移动大船那样容易。因为地球的质量很大,必须有一根长得只能是想像中的杠杆才能轻轻将它举起,这根杠杆的长臂要比短臂长100000000000000000000000倍。

但在理论上,阿基米德又是成立的。

阿基米德是第一个对杠杆作用的原理进行科学总结,并上升到理论的人。

他经常观察奴隶们劳动的场面,当奴隶们搬运巨大的石块时,他们把撬棍的一头放在石块下面,另一头放在自己肩上,使劲一扛,石块就挪动了。然后,重复刚才的运动,石块就越来越接近目的地。奴隶们用这样的方法,从很远的地方运来了石块,盖起了美丽、庄严、宏伟的宫殿和金字塔。

阿基米德也曾在尼罗河泛舟,他和朋友们一下一下地摇着桨,摇着、摇着,他发现杠杆的原理通过桨、通过船的移动而表现出来。

虽然人类很早就懂得用杠杆来减轻劳动强度,提高工作效率,发明了早期的工具和机械,但是在阿基米德以前,谁也没有进行过科学的总结。阿基米德从日常生活司空见惯的现象中,经过观察和实验,从物体重心的观点出发,对杠杆的平衡条件做了数学证明。他在《论平面图形的平衡》这本著作中提出的杠杆定律和滑轮定律,直到今天还是一切机械设计的基础,在我们的生活和生产中不断创造新的奇迹。

阿基米德后来在保卫叙拉古、抵御罗马人的战争中发明了起重机和投石机等机械,正是杠杆原理的绝妙应用。