夏日炎炎,太阳毫不吝啬发挥光与热,反复烤着路上每一个行人。在这似火烧的天气里,能吃上一顿冰镇水果或是灌下一瓶冰镇饮料什么的,真可谓是人间一大享受。古时的人们没有冰箱,只能用天然的水来做冰镇材料——所谓沉李浮瓜,就是这种生活的写照。
沉李浮瓜,典出三国时代魏·曹丕《朝歌令吴质书》:“浮甘瓜于清泉,沉朱李于寒水。”指暑天把瓜、李等放在冷水中浸凉后食用,也泛指暑天在冷水中浸凉后食用的瓜果。
元·马致远《新水令·题西湖》:“忎般楼台正宜夏,却输他沉李浮瓜。”明·凌蒙初《初刻拍案惊奇》:“这样时候,多少王孙公子雪藕调冰、沉李浮瓜也不为过。”宋·李重元《忆王孙·夏词》:“过雨荷花满院香,沈李浮瓜冰雪凉。”这个成语,后来就用来形容夏日的生活。
沉李浮瓜,其实还很清晰地揭示了一个物理学知识:浮力。大家知道,密度大于水的物体置于水中,就会下沉;密度小于水的物体则会漂浮;密度与水相当的,则会呈现悬浮状态。而一般瓜类如东瓜、南瓜等内部都有空心部分,正因如此,其重量比同体积的水要轻,即平均密度比水要小,当它们全部浸没在水中时,F浮>G瓜,即瓜类均要上浮,直至漂浮于水面F浮=G瓜。而李子、桃子等果实内均有核仁,因此把它们放入水中时F浮<g瓜,会下沉于水底。因此古人说“瓜浮李沉”而不说“瓜沉李浮”,形象地说明了这种情况。
大家所熟知的浮力原理F=ρgh被称为阿基米得原理,传说是他坐在澡盆里看见水溢出而想到的。关于这个定量公理的发现还有著名的金银王国的故事,不过其实在中国古代,早在殷商时期,我们的祖先就开始认识和应用浮力了。我国是世界上应用浮力最早的国家之一。
当时,浮力的第一个贡献是船。人们最早利用较大的独木,从中间挖成槽形,放在江河的水中漂流,称为独木舟,用它来载人和装运收获的猎物。后来又发展到用木板做成船体,在江河中代替独木舟航行。随着生产和技术的发展,以后各个朝代对船的形状和结构又进行了多次改进,使木船不仅能在内河、湖泊中航行,还制造了能适用于大海、大洋中航行的大型船舶。
明朝时的郑和出使西洋用的大型“宝船”船队,其船体在结构上合理、精致、美观,都达到了古代造船工艺史上的巅峰。这一伟大的成果,是古代造船史上非常光辉的业绩,是我们祖先对世界航海事业做出的伟大贡献。
浮桥是我国古代历史上应用浮力的伟大奇迹,在公元前8世纪周朝时就得到了广泛的应用。在以后的年代,发展到不仅可以在小河上架起浮桥,而且像黄河这样的大河上也架起了浮桥。相传在11世纪初,在蒲州附近潼关以北的黄河上曾架起一座很大的浮桥,浮桥的缆绳用8只铁牛系住,这些铁牛立于两岸,每只铁牛重数万斤。后来由于洪水泛滥,浮桥被冲垮,铁牛也沉入河中。如何把铁牛打捞起来,在当时的条件下,是比较困难的。和尚怀丙派人潜入水中,用铁索把铁牛和两只装满泥土的大船系在一起,然后再把船中的泥土除去,利用大船所受的浮力,把铁牛拉上来。
对于阿基米得发现的浮力原理,早在《墨经》中就有萌芽:
第一段:“荆之大,其沉浅,说在具。”(《墨经·经下》)其中“荆”,应作“刑”,“刑”与“形”通,意思是“形体”、“物体”。“说在具”的“具”,通“俱”,意思是“相同”,可引申为“平衡”。所以这段文字的大意是:“形体大,在水中沉下去的部分浅,道理在于平衡。”平衡可理解为物体的重量与它所受到的浮力相等。
第二段:“沉,荆之贝也。则沉浅,非荆浅也,若易五之一。”(《墨经·经说下》)。其中“荆之贝也”的“贝”,疑为流传转抄中的“具”的笔误。如果是这样,这段话就是:“物体沉到水中,得到平衡。即使它沉下去的部分很浅,并不是它本身矮浅(而是物体重量跟所受浮力相比较的结果),就如交易,根据比价,一件商品可以换五件别的商品。”
而曹冲称象的故事更是大家耳熟能详的。《三国志·魏书》记载:“邓哀王冲字仓舒,少聪察歧嶷,生五六岁,智意所及,有若成人之智。时孙权曾致巨象,太祖(曹操)欲知其斤重,访之群下,咸莫能出其理。冲曰:‘置象大船之上,而刻其水痕所置,称物以载之,则校可知矣。’太祖大悦,即施行焉。”这个千古传诵的故事,说明曹冲已经对浮力原理有模糊的认识。
中国古代运用这个浮力原理的事情,曹冲其实并不是第一人。早在东晋,略阳临渭(今甘肃秦安县东南)人苻子(名郎,字元达)所著《苻子》一书上记载:战国时期,北方人献给燕昭王一只野猪。燕昭王派人养了它15年。这只野猪长得像个大坟墓一样大,4只脚简直无法支撑身体了。燕昭王命“衡官”、用大秤称它有多重,秤杆断了10次,还是称不出野猪的重量。于是,燕昭王命“水官浮舟而量之”。《苻子》五卷早已失传,迭文散见于后人的著述中。上面引用的那个故事就保存在南宋人吴曾写的《能改斋漫录》里。吴曾在援引《苻子》之后,指出:“以舟量物,自燕昭时已有此法,不始于邓哀王。”清代学者邵晋涵也赞成吴曾的这种说法。上述这些记载都说明了,我国古代对浮力和浮力原理有着一定程度的认识,并能加以利用。
浮力的另一个利用方式——利用物体的沉浮原理估测液体的密度,在我国的宋、元时代已经开始。根据有关文献记载,密度的测定主要是和古代的制盐业密切联系的,即由于估测盐水的需要,发展了液体密度的测量技术,为晒盐业提供了条件。
世纪,姚宽在台州做官时,为了检查盐商是否舞弊,他首创了一种简单的估测盐水密度的方法。选用体积大体相同,而质量不同的莲子10粒,当把莲子放在盐水中时,如果这些浮沉子——莲子有5粒以上浮起,说明盐水是最浓的;如果有三四粒莲子浮起,说明此盐水是浓盐水;如果不足3粒莲子浮起,说明此盐水是稀盐水。
到了元代,经进一步改进,制造了便于携带的简单装置。取4个莲子,分别用4种不同浓度的盐水浸泡,放在一个竹筒内,便成为简单的测定盐水浓度的装置。如果要测某种盐水的浓度,只要把待测盐水的一小部分装入筒内,观察各类莲子浮起的情况,便可以估测盐水的浓度。
到了明代,测定盐水浓度的方法进一步简化,选一粒轻重合适的莲子,放在竹筒内,当把待测的盐水放入竹筒中时,如果莲子浮在水面上成横倒形,则盐水最浓;如果成垂直形,则盐水次浓;如果莲子沉而下浮,则盐水不浓。我国古代这种简单估测盐水浓度的方法,与现代密度计的原理相似,这说明我国古代对浮力的研究与应用已经相当深入了。
墨子大约生活在公元前480年至公元前397年。他死后100多年在希腊诞生的阿基米得(Archimedes,约公元前287~前212),才对浮力原理进行了明确的表述。那么为什么中国古人没有发现浮力原理呢我们就曹冲称象这个故事来说,当时显然已经知道:如果称象和称石头时排出的水相等(反映在船下沉的程度上),两次的船和所载之物的总重量也相等。这个结论是很自然的:试想如果把同一头大象称两次,很容易观察到两次排出的水量相等。既然是同一头象,重量当然是相等的。由此可见所称之物的重量跟水量有固定的比例?那么,称不同的东西,只要排出水量相等,两个东西的重量也应该相等。我们古代的智者所能走到的就是这一步。
古人所没有做到的一步是,所称之物的重量究竟跟排水量(排水重量)的关系如何?更具体地说,是什么样的一个比例。也就是说,如果排水量跟所称之物的重量有固定的关系,更精确地说,有固定的比例,假设是一个常量C,那么,应该有这样的公式:“所称之物重”=Cד排水重量”。要求出这个C,就需要做试验,称一下排出水的重量,然后跟所称之物的重量比较一下。古人没有(至少是记载中没有)去做这个实验。阿基米得做了,而且实验的结果是C为1,即浮力(平衡物体下沉的力)正好等于排出水的重量。
中国古代智者没有做到的另一步是,没有想到沉下去的东西是否也同样受到浮力的作用。而这一点阿基米得在洗澡时感悟到了,并且又进一步做了实验去证实。在这里,阿基米得充分利用了类推思维,把浮在水面上的物体受到的浮力作用,推广到了作用于沉下去的物体上。
这两个差别反映了什么问题呢?反映了中国古代智者缺乏追求“普遍性”、“普遍规律”的冲动,而停留在对个别现象的观察上。“常量”是个普遍性的数量。把浮力推广到也能作用于沉到水下的东西,那也是一种对普遍性的追求。
此外,第一个差别也说明了古代智者缺乏对“精确性”的追求,停留在排水量跟所称之物的重量具有某种相关性的水平上,而没有把这种相关性进一步量化。
普遍性和精确性,这都是科学的基本特点。缺乏追求普遍性和精确性的冲动,自然产生不了科学。
沉李浮瓜,这个成语背后的故事启示了我们,科学往往是对常识的追根寻底的思考和推广。
</g瓜,会下沉于水底。因此古人说“瓜浮李沉”而不说“瓜沉李浮”,形象地说明了这种情况。