第二节 功的原理

力学大师——希罗

　　公元前1世纪前后，尼罗河畔的亚历山大城经过了近200年的扩建．已经成为当时世界最大的都市．城内宏伟的建筑鳞次栉比，宽阔的街道两旁绿树成荫，群 芳争艳：特别是那座屹立在港外海面上的巨型灯塔，是古代的七大奇观之一．整座塔由8根花岗石的圆柱支撑着．顶端是7米高的海神波赛依顿雕像．一到晚间，圆顶上点燃起熊熊大火，经其后竖立的铜镜反射，把半个地中海映得一片通红，景色十分壮观．

　　有—年．在此城市的西隅，新建了一座神庙，这庙地处偏僻，其规模也无法与著名的“柏持嫩庙”相比，但竟然也香火日盛；远道闻名前来的朝圣者络绎不绝，很是热闹，这究竟是什么原因呢?原来，大家纷纷传说这座庙里的神十分灵验．虽然许多事经过传播者的渲染变得面目全非了，但是有一点是大家目睹的事实：在神庙的前厅有一个祭坛，坛上燃烧着不熄的圣火，圣火的两侧是两位女神的雕像．她们容颜端庄，神态安详，柔和地舒展着玉臂，好像在把圣水洒向祭火之中：每当富有的信徒，将供品放在供桌上，然后跪地，顶礼膜拜时．奇迹就出现了，女神的手中真的浇下了一股涓涓细流，“圣水”滴入火中，竞使祭火窜起了火舌，越烧越旺，似乎在说．您的日子将越过超火红．虔诚的信徒凝视着这闪烁的火苗，常常激动得热泪盈眶：当然，不是每一位朝圣者部有这样的好运气，那些贫困而从不上供的穷人，则无论他们的心是如何诚，貌是如何恭，总不见有半滴“圣水”从女神的手里流出来．于是祭火也渐渐黯谈，甚至熄灭．

　　目睹这样的奇迹，朝圣者都叹服神的伟大——她们真是无所不知，能洞察一切啊!消息不胫而走，一传十．十传百．很快在亚历山大城里，变得妇孺尽知了．

　　—天，神庙里来了一位青年人，他既不上供，又不跪拜．却东看看，西摸摸，几个执事僧好生奇怪，要不是见池神态轩昂，也许要对他不客气了．一位老成的执事把主持僧请了出来，主持也不敢怠慢，先施礼道：“大人光临敝寺，想来必有指教．”

　　“嘿!你们在神坛上做手脚，不怕神会怪罪?”年青人冷冷地说．

　　主持僧暗暗吃惊，答道：“这……这又从何说起?”

　　“那么圣水是怎么回事?”

　　“这全是神的旨意．”

　　“哈哈，这种调虫小技如何能瞒骗于我，这是一个用金属铸成的祭台(图1)，里面是油箱．当上层燃烧起火时，油箱上方的空气受热膨胀，于是把油从油箱里压到安装在两位女神像的管子里，油是这样流出来的，是吗？”

　　“那么圣水为什么又常常不流了呢?”主持僧反问．

　　“只要把油箱上方的活塞拔去，热空汽从活塞孔里逸出，油当然不会流出未了．”
　　“敢问大人是……”

　　“在下希罗．”

　　这时几个僧人才恍然大语，这位青年人竟是大名鼎鼎的希罗．

　　希罗又名赫伦，他的生卒年代已经难以查考，据说他从小聪明过人，在几何学和机械力学上有很高的造诣．他成名很早，说起这又有一段小故事．

　　那是在托勒密王朝的鼎盛时期，因——连多年的风调雨顺，贵族们过着穷奢极欲的生活．一天，儿位执政官竟别出心裁要在市政大厦面前的广场花园里筑造一座自动喷水池，这可是一个难题啊!俗话说，水向低处流，当时水泵还没有发明，广场是一大片平旷之地，为了不破坏整体的美观，又不能在附近筑起高水塔，那么池中的水如何能自动向上喷出来呢?许多著名的建筑师勘察后，连连摇头．这时，年仅20岁的希罗凭着初生牛犊不怕虎的勇气，主动揽下了这项工程．经过几周时间的思索和试验，还真让他想出个好办法来呢．原来他在水池的下面安装了两个密闭的大球(见图2)．喷水之前，B球里灌满了水，c球是空的．当把阀门K打开，池中的水沿着管道流到c球里去，并迫使G球里面的空气排到B球．由于B球水面上的空气压力增大，使B球里的水就沿管道上升，并从喷口喷出来．如果B球里的水全部喷完，则喷水就会停止．这时只要把c球里的水放走，B球里重新灌满水．喷泉又可以工作了．几个月后．在希罗亲自指导下，喷水池建成了．竣工后，一股清澈透明的水柱从喷口向空中喷出，散成一片细雨，轻轻地洒在池水面上，激起了一圈圈涟漪，与巍巍的市政大厦交相辉映，真是美丽极了．希罗也因此一举成名，成为 城里的首席工程师了．

　　希罗是一位与阿基米德齐名的大科学家，他在数学和力学上所作的贡献也完全可与阿基米德媲美．可惜他的许多著作湮没在历史长河之中．从零星的记载中，我们知道他研究过斜面、滑轮、轮轴等机械，并得出“省力必迟缓”的结论，就是说“举力越小，时间越长”，这个规律被称为“力的黄金定则”．与经典物理学中“可以省力，但不能省功”的功的原理是一致的．相传他特别善于发明，创制了虹吸管、蒸汽动机、硬币操纵机、救火器等．他发明的“涡轮”(也叫“希罗球”)和验温计流传了下来，使我们可以窥看它的全貌．

　　1．祸轮机

　　希罗创制的涡轮机是最早把蒸汽作为动力的装置，它巧妙地利用了反冲的原理．图3所示的球是一个装有两个弯管喷口的中空的希罗球．咳口与球的轴成直角．各自弯向相反的方向．当锅里的蒸汽通入球里，再从喷口射出时，就能使球体绕轴转动．当时这种装置只是用来做玩具而已，并没有想用它来取代奴隶的劳动．它是现代涡轮机的雏形．

　　2．验温器

　　图4是希罗发明的验温器的外形图．此装置既可以看成是温度计；也可以看成是气压计．
　　当阳光把球晒热以后，球上部的空气就会膨胀，膨胀的空气就将水沿着弯管压到球外去，水从管子进入漏斗．再从漏斗流入下面的水箱．当天气变冷时，球内的空气压力减小，而水箱里的水，因为漏斗口敞开着，空气的大气压强作用在水面上，使水重新沿着弯管回到了球里，因此从球内的水位高低就可以判定温度的高低了，那么为什么又可以称它为气压计呢？你能回答这个问题吗?

　　图5所示为模拟当年希罗设计的喷泉实验装置．此装置是取两只医用盐水瓶，几根塑料软管，按图5的方式连接起来．实验时，将B瓶灌满水，C瓶空着，同理可以看到水会从喷口喷出来．当B瓶里的水经过容器A全部流进了瓶C之中后，喷泉会停止喷水，此时只要将B、C两个瓶的位置换一下，喷泉立即会重新喷水了．