中国的古人不在冰上拖运巨石?

去过故宫的人应该看过。故宫里有九龙壁。九龙壁是电影壁的一种，电影壁是古代遮挡视线的壁。我们经常在一些电视剧中看到，在一些大家庭中，面对大门的不是房间或客厅，而是墙壁，这堵墙遮住了外面的视线，这就是影壁。故宫的影壁是九龙壁，九龙壁的总重量达到300吨，古人是怎么把这么重的东西运到故宫的呢？

故宫是中国历史文化最具代表性的建筑，这样庞大的建筑结构体系不由得感慨先人的智慧和建筑技术。2014年11月4日，北京科技大学机械工程学院副教授李疆、清华大学摩擦学国家重点实验室副研究员陈皓生和普林斯顿大学机械和航空工程系教授霍华德·斯通在美国《国家科学院学报》中发表了研究报告，指出中国古代兴建故宫时，制造了人工冰道，以水为润滑剂，拖运了300吨巨石，再次以现代科学方法向世界展示了中华民族无限智慧。

中国古人冰上不拖巨石？

古老的故宫建于明成祖朱棣永乐4年(公元1406年)，永乐18年(公元1420年)完成，从1557年到1561年，从1597年到1627年因火灾大规模重建。第一批建设投入工匠23万，据说民工兵百万，是几代人劳动的结晶。故宫的巧妙建设技术也吸引了无数中外研究者为此倾注心血。故宫使用的巨石多达数万块，其中最大的一块是放在保和殿后面的雕刻有九条游龙的大石像，重约300吨。《两宫鼎建记》简要记载，长石像在隆冬季节被人工冰道拖走。

尽管长石像的拖运过程没有详细的记录和科学论证，但北京科技大学机械工程学院副教授李疆通过翻阅500年前的记录，发现1557年，一队工人以类似的方式拖运约123吨巨石，经过70多公里的过程运往故宫。由此可以对机械工程史上公元前1500年中国车轮发展充分，因此中国古代没有以人力在冰上拖运巨石的案例的观点进行补充和修正。

滑动摩擦比滚动摩擦更安全可靠

去年夏天，李疆和清华大学摩擦学国家重点实验室副研究员陈皓生首次访问中国普林斯顿大学机械和航空工程系教授霍华德斯通参观故宫，讨论大石像运输中的润滑问题。之后，他们查阅了文献，但是从现代工程科学的观点来看，没有进行相关分析的研究，所以他们决定了究竟。

据李疆介绍，明代人们在巨石运输中认识到低速重载时，滑动摩擦方式比滚动摩擦方式安全可靠。另外，故宫巨石运输采用冰面润滑方式，通过在冰面浇水形成水膜作为润滑剂，达到减轻抵抗的目的。比较发现，这种运输方式比传统木材撬动、滚筒和普通冰面润滑更省力，更适合北京当时的环境状况。因此，研究人员通过滚动与滑动的摩擦系数的比较，表明该方法是合理的。

从理论上讲，由于冰面比木质表面更结实、更光滑，故宫建筑者采用制造人工冰道，使作为巨石垫板的板与冰面接触(而不是古埃及用板铺路，实现板与板的接触)，大大降低了摩擦力。李疆等人根据古籍记载和合理推算，从现代实验的角度来看，同样的方式运输123吨巨石大致需要工匠人数在300人以下，因此可以推测运输300吨巨石的人数不能超过。然后他们推算出，以木板为轨道拖运123吨巨石需要的人数为354人，虽然接近预期人数，但很有可能在运输300吨以上的九龙墙时失败。此外，当时最可行的方法是铺设冰道，在冰道上拖动巨石。这种便捷的方法与北京的气候环境有关，与长期处于热带的埃及相比，北京具有使用冰的天然优势——寒冷的冬天。根据古籍记载，运输巨石的时间在冬至前后，15、16世纪北京1月的平均气温为零下3.7度(上下0.5度)，没有天然河流为运输提供冰道，但人们在运输中每半公里挖洞取水保证冰道的水。

润滑剂背后的科学

t

根据巨石运到故宫的距离和时间，专家们估计123吨巨石所需的平均速度是每秒8厘米。以这样低的速度，加上极小的摩擦力，冰面不会自动融化成水，在冰道和板之间形成润滑剂。因此，李疆等人研究了其他方法，除了摩擦热之外，还可以产生和维持水膜，即拉动时直接在前面浇水，这在古埃及也有类似的记载。根据现代物理研究，冰上低速运动物体的摩擦力比高速运动时大得多，但接近零度时以水膜润滑的摩擦力非常小，因此浇水作为润滑剂时，每秒8厘米的低速滑动也只有极小的摩擦力。明代北京日零下3.7摄氏度时，水不能在2分钟内完全冻结，水膜可以维持运输。当然，古人也可能使用热水来延缓冻结。因此，研究人员在故宫九龙壁拖运时，不仅可以制造冰道减缓摩擦，还可以在长途运输时向冰道浇水作为润滑剂。

有名的中国科技史研究者李约瑟指出，古代中国没有建立以西方数学为基础的科学体系，中国古代的先进技术是经验体系，不能说是科学。但是，我们屹立于故宫，学者们用现代科学技术手段重新审视故宫的建设技术时，不由得折服了我们先人的智慧。李疆也评价说:明代巨石运输方式，当时人们对低速重载的润滑研究达到了很高水平。故宫的建设和郑和七下西洋都发生在15世纪前期，巨石运输的例子表明当时的陆地运输技术并不比航海技术差。