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达文西与科学(下)

松桂

 

  达文西酷爱大自然,无时无刻都细心地观察着大自然的变化。他曾说:“发明家乃是大自然的传译员”,对他而言,水是整个世界及至整个宇宙的推动力,水与大自然的每一部分都有着密不可分的关系。他认为透过观察水在地表和空气之间流动所产生的变化,有助他参透创造的奧秘。从他的手稿中,可见他常把注意力集中在水的各层面上。他閒时喜欢一边手执笔记本,一边漫步海岸观看潮汐涨退,观看风在水面上刮起的波纹,並海浪的形成和砂石的飘移;亦常於河边看着水流如何把沉积物带到河堤沉积;又会於平靜的湖面上观看景物的倒影,看着植物毫不受压地在水中豎立着和看着鱼儿在水中嬉戏。有时候,他更会向靜止的水面投掷石子以观察石子造成那不断向外扩展的波纹,並把产生的声响与海浪声作对比;他更会攀山越岭,往山谷深处窥探瀑布的源头,於不同的地方,观察不同高度的地貌,以及地表上不同物质与水之间的相互关系。他於著作水的特性The Nature of Water)中形容水是大自然的驱动者,是以其自身內在的热力不断的运转着,且首当其冲地影响着整个地貌的变化。

水力工程


水力钻挖机
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  达文西对水的不断追求和探索,使他明白到,倘若一个国家能把水利建设妥善管理,不论对农业,还是机器的运作都十分重要。因此,他致力为米兰公爵(参“达文西与科学(上)”)解決当时的水利问题,把平日从不同角度观察和研究所得应用於建筑运河的工程上,更锐意开拓大型运河,甚至希望改变河流流域以图把运河与海洋连接起来。此外,达文西那不断创新的思维,期望能改善当时的社会情況,但碍於电力开发於当时仍处於起步阶段,电力资源十分稀少,故他期望借着兴建运河,透过发展水力发电来增加电力资源,从而有效地推动机器运作,使生活得以改善。以水力推动转轮的水力钻挖机就是其中之一。
  达文西爱水,也憧憬着人类能於水面上行走或在海底下漫遊的一天,为此他设计了一些影响后世的小玩意:

救生圈,滑水橇和潛水器


救生圈
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滑水橇
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潛水器
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  救生圈是达文西构想的水上玩意之一,整体是由质地上乘的皮革所制成,內里於填充空气后可增加其体积及浮力,原理就如今天我们所用的救生圈。当然,在水中游曳总不及在水面上行走来得刺激,达文西虽不是第一个在水面上行走的人(早在距今二千多年前就已经有了,参马太福音14:22-34),但他卻为此非常着迷。他於林林总总的机械理论中不断钻研,希望终有一日人类可以在水上行走。他的手稿当中,就有无数可以让人在水上行走的浮水板的构想,实在不难发现他在这方面所下的功夫。除了在水面上行走和在水中游曳的玩意外,当然少不了可让人潛入水底漫步的潛水器。达文西设计的潛水器与我们今天二十一世纪的潛水设备原理相若,皆由一条吸气管把氧气从水面直接输送至水底的潛水员。

桨叶船和蠍子刀锋船


桨叶船
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蠍子刀锋船
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  达文西致力提高船只於海上航行的速度和航道的准确性,从研究鱼类的形态得知,船只的形状对於航行至为重要。他再一次把从大自然的观察所得套用於设计上,把船的外形设计得如鱼类一般以減低水的阻力,增加前进速度。除了在军事上为航海设计出海军船只外,他还设计了桨叶船和蠍子刀锋船。他构思於船上装上大型划桨,以手动或腳踏曲柄带动前进,更可以加入飞轮装置辅助以增加划桨的速度。桨叶船的操作原理和外形,与我们閒时往湖畔郊遊所乘坐的那种腳踏船实在沒有多大的分別。而蠍子刀锋船则主要以手动划桨的方式前进,船顶的刀锋由末端的齿轮辅助,拉动前臂作由上而下的摆动,向前方的船只作出攻撃。

飞行研究

  达文西脑海中的第一段记忆,並非如我们平常人那样忆起孩提时期被双亲照顾的情景,而是一段有关一只鸟的往事。他於自己的笔记本中就这样记述着:

“当我还在搖篮中,有一只鸟(註)靠近我,用牠的尾巴把我的口打开,还多次把尾巴塞进我的双唇之间。”

对他而言,婴孩时期与这只鸟的接触就如“命运”一般促使他研究鸟类,並因着研究鸟类的缘故,进而研究飞行技术,他幻想终有一天能让人类於天空飞翔。在研究的过程中,他试图从鸟类,蝙蝠,昆虫等这些明显比空气重的动物当中,找出让人类飞行的力学原理。他细心地研究鸟类的身体结构,从他的笔记本中可见,他画有无数解剖鸟类翅膀的素描,也详细地把鸟类的飞行动态都记录下来,希望透过同样原理,让人类像鸟一样飞翔。他曾说:

“为何人类不能做鸟类所做的?”


单翼的研究
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这份要成就不可能的信念,使达文西在完成解剖鸟类翅膀后,开始埋首作单翼的研究。他根据鸟类翅膀的结构,尝试以同样原理制作实物模型,以木材与藤条模仿蝙蝠的筋骨,又以帆布模仿翅膀筋骨之间的翼膜,他更设计出一副模仿鸟类上下拍动翅膀的模型。他认为倘若能夠以足夠的速度拍动翼片,便可以升起约一个人重量的机翼及支架。从观察所得,他推算出翼展的正确比例应为十二米长,十二米宽。除了以人手拍动的机翼外,达文西还设计了一款全机械化的飞行器原型,以槓桿,滑轮,曲桿和绳索组合而成,这些研究进一步启发他发明滑翔器。


拍翼研究
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滑翔器
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飞行器


飞行器
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  达文西第一部飞行器的图则约於1478-80年绘画,是他最著名的绘图之一,图则非常准确,並附有实用註解。操作者背着飞行器在平台上将身体伸开,把腳置於镫索里,一只腳用来抬升机翼,而另一只腳则可以把机翼降下,使机翼可作上下摆动,作出如鸟类一般的拍翼动作。

空气螺旋桨


空气螺旋桨
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阿基米德螺旋泵
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  然而,当达文西最终明白到人不能如鸟一般的拍翼飞行时,他开始思想以高速旋转达致垂直升降的可能性,由他改良的阿基米德螺旋泵就是运用相同原理来提升水位。空气螺旋桨被认为是早期直升机的雏形,当时主要以芦苇,亚麻布和铁丝制作而成。此版本由四人操作(另有一版本由二人操作),以转动旋转轴让机器离地升空。当然,这以人力操作的空气螺旋桨只是纯属假想,但若辅以电动机械的协助,相信此设计定必能夠顺利升空。直至1930年代,世界上第一架投入生产的直升机便由美籍俄罗斯人伊戈尔·西科尔斯基(Igor Sikorsky, 1889-1972)成功发明,他指出其直升机的设计灵感乃是源自达文西的空气螺旋桨。(待续)

(註)Kites:是一种长有既长且阔,非常优雅的翅膀,长长分叉的尾巴,如鹰一般惯於高空翱翔的鸟类。



参考资料:

  • 香港科学馆:“达文西的创意奇想”专题展览。
  • Oxford World's Classics : The Notebooks of Leonardo da Vinci, Selected and edited by Irma A. Richter. Oxford University Press, 1998. Great Britain.
  • Charles Nicholl : Leonardo da Vinci. Penguin Books, 2007. England.
  • Bulent Atalay : Math and the Mona Lisa - The Art and Science of Leonardo da Vinci. Smithsonian Books, 2004. Washington.

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