夏日炎炎,太陽毫不吝嗇發揮光與熱,反複烤著路上每一個行人。在這似火燒的天氣裏,能吃上一頓冰鎮水果或是灌下一瓶冰鎮飲料什麼的,真可謂是人間一大享受。古時的人們沒有冰箱,隻能用天然的水來做冰鎮材料——所謂沉李浮瓜,就是這種生活的寫照。
沉李浮瓜,典出三國時代魏·曹丕《朝歌令吳質書》:“浮甘瓜於清泉,沉朱李於寒水。”指暑天把瓜、李等放在冷水中浸涼後食用,也泛指暑天在冷水中浸涼後食用的瓜果。
元·馬致遠《新水令·題西湖》:“恁般樓台正宜夏,卻輸他沉李浮瓜。”明·淩蒙初《初刻拍案驚奇》:“這樣時候,多少王孫公子雪藕調冰、沉李浮瓜也不為過。”宋·李重元《憶王孫·夏詞》:“過雨荷花滿院香,沈李浮瓜冰雪涼。”這個成語,後來就用來形容夏日的生活。
沉李浮瓜,其實還很清晰地揭示了一個物理學知識:浮力。大家知道,密度大於水的物體置於水中,就會下沉;密度小於水的物體則會漂浮;密度與水相當的,則會呈現懸浮狀態。而一般瓜類如東瓜、南瓜等內部都有空心部分,正因如此,其重量比同體積的水要輕,即平均密度比水要小,當它們全部浸沒在水中時,F浮>G瓜,即瓜類均要上浮,直至漂浮於水麵F浮=G瓜。而李子、桃子等果實內均有核仁,因此把它們放入水中時F浮<G瓜,會下沉於水底。因此古人說“瓜浮李沉”而不說“瓜沉李浮”,形象地說明了這種情況。
大家所熟知的浮力原理F=ρgh被稱為阿基米得原理,傳說是他坐在澡盆裏看見水溢出而想到的。關於這個定量公理的發現還有著名的金銀王國的故事,不過其實在中國古代,早在殷商時期,我們的祖先就開始認識和應用浮力了。我國是世界上應用浮力最早的國家之一。
當時,浮力的第一個貢獻是船。人們最早利用較大的獨木,從中間挖成槽形,放在江河的水中漂流,稱為獨木舟,用它來載人和裝運收獲的獵物。後來又發展到用木板做成船體,在江河中代替獨木舟航行。隨著生產和技術的發展,以後各個朝代對船的形狀和結構又進行了多次改進,使木船不僅能在內河、湖泊中航行,還製造了能適用於大海、大洋中航行的大型船舶。
明朝時的鄭和出使西洋用的大型“寶船”船隊,其船體在結構上合理、精致、美觀,都達到了古代造船工藝史上的巔峰。這一偉大的成果,是古代造船史上非常光輝的業績,是我們祖先對世界航海事業做出的偉大貢獻。
浮橋是我國古代曆史上應用浮力的偉大奇跡,在公元前8世紀周朝時就得到了廣泛的應用。在以後的年代,發展到不僅可以在小河上架起浮橋,而且像黃河這樣的大河上也架起了浮橋。相傳在11世紀初,在蒲州附近潼關以北的黃河上曾架起一座很大的浮橋,浮橋的纜繩用8隻鐵牛係住,這些鐵牛立於兩岸,每隻鐵牛重數萬斤。後來由於洪水泛濫,浮橋被衝垮,鐵牛也沉入河中。如何把鐵牛打撈起來,在當時的條件下,是比較困難的。和尚懷丙派人潛入水中,用鐵索把鐵牛和兩隻裝滿泥土的大船係在一起,然後再把船中的泥土除去,利用大船所受的浮力,把鐵牛拉上來。
對於阿基米得發現的浮力原理,早在《墨經》中就有萌芽:
第一段:“荊之大,其沉淺,說在具。”(《墨經·經下》)其中“荊”,應作“刑”,“刑”與“形”通,意思是“形體”、“物體”。“說在具”的“具”,通“俱”,意思是“相同”,可引申為“平衡”。所以這段文字的大意是:“形體大,在水中沉下去的部分淺,道理在於平衡。”平衡可理解為物體的重量與它所受到的浮力相等。
第二段:“沉,荊之貝也。則沉淺,非荊淺也,若易五之一。”(《墨經·經說下》)。其中“荊之貝也”的“貝”,疑為流傳轉抄中的“具”的筆誤。如果是這樣,這段話就是:“物體沉到水中,得到平衡。即使它沉下去的部分很淺,並不是它本身矮淺(而是物體重量跟所受浮力相比較的結果),就如交易,根據比價,一件商品可以換五件別的商品。”
而曹衝稱象的故事更是大家耳熟能詳的。《三國誌·魏書》記載:“鄧哀王衝字倉舒,少聰察歧嶷,生五六歲,智意所及,有若成人之智。時孫權曾致巨象,太祖(曹操)欲知其斤重,訪之群下,鹹莫能出其理。衝曰:‘置象大船之上,而刻其水痕所置,稱物以載之,則校可知矣。’太祖大悅,即施行焉。”這個千古傳誦的故事,說明曹衝已經對浮力原理有模糊的認識。
中國古代運用這個浮力原理的事情,曹衝其實並不是第一人。早在東晉,略陽臨渭(今甘肅秦安縣東南)人苻子(名郎,字元達)所著《苻子》一書上記載:戰國時期,北方人獻給燕昭王一隻野豬。燕昭王派人養了它15年。這隻野豬長得像個大墳墓一樣大,4隻腳簡直無法支撐身體了。燕昭王命“衡官”、用大秤稱它有多重,秤杆斷了10次,還是稱不出野豬的重量。於是,燕昭王命“水官浮舟而量之”。《苻子》五卷早已失傳,迭文散見於後人的著述中。上麵引用的那個故事就保存在南宋人吳曾寫的《能改齋漫錄》裏。吳曾在援引《苻子》之後,指出:“以舟量物,自燕昭時已有此法,不始於鄧哀王。”清代學者邵晉涵也讚成吳曾的這種說法。上述這些記載都說明了,我國古代對浮力和浮力原理有著一定程度的認識,並能加以利用。