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達文西與科學(下)

松桂

 

  達文西酷愛大自然,無時無刻都細心地觀察着大自然的變化。他曾說:“發明家乃是大自然的傳譯員”,對他而言,水是整個世界及至整個宇宙的推動力,水與大自然的每一部分都有着密不可分的關係。他認為透過觀察水在地表和空氣之間流動所產生的變化,有助他參透創造的奧秘。從他的手稿中,可見他常把注意力集中在水的各層面上。他閒時喜歡一邊手執筆記本,一邊漫步海岸觀看潮汐漲退,觀看風在水面上刮起的波紋,並海浪的形成和砂石的飄移;亦常於河邊看着水流如何把沉積物帶到河堤沉積;又會於平靜的湖面上觀看景物的倒影,看着植物毫不受壓地在水中豎立着和看着魚兒在水中嬉戲。有時候,他更會向靜止的水面投擲石子以觀察石子造成那不斷向外擴展的波紋,並把產生的聲響與海浪聲作對比;他更會攀山越嶺,往山谷深處窺探瀑布的源頭,於不同的地方,觀察不同高度的地貌,以及地表上不同物質與水之間的相互關係。他於著作水的特性The Nature of Water)中形容水是大自然的驅動者,是以其自身內在的熱力不斷的運轉着,且首當其衝地影響着整個地貌的變化。

水力工程


水力鑽挖機
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  達文西對水的不斷追求和探索,使他明白到,倘若一個國家能把水利建設妥善管理,不論對農業,還是機器的運作都十分重要。因此,他致力為米蘭公爵(參“達文西與科學(上)”)解決當時的水利問題,把平日從不同角度觀察和研究所得應用於建築運河的工程上,更銳意開拓大型運河,甚至希望改變河流流域以圖把運河與海洋連接起來。此外,達文西那不斷創新的思維,期望能改善當時的社會情況,但礙於電力開發於當時仍處於起步階段,電力資源十分稀少,故他期望藉着興建運河,透過發展水力發電來增加電力資源,從而有效地推動機器運作,使生活得以改善。以水力推動轉輪的水力鑽挖機就是其中之一。
  達文西愛水,也憧憬着人類能於水面上行走或在海底下漫遊的一天,為此他設計了一些影響後世的小玩意:

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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  救生圈是達文西構想的水上玩意之一,整體是由質地上乘的皮革所製成,內裏於填充空氣後可增加其體積及浮力,原理就如今天我們所用的救生圈。當然,在水中游曳總不及在水面上行走來得刺激,達文西雖不是第一個在水面上行走的人(早在距今二千多年前就已經有了,參馬太福音14:22-34),但他卻為此非常着迷。他於林林總總的機械理論中不斷鑽研,希望終有一日人類可以在水上行走。他的手稿當中,就有無數可以讓人在水上行走的浮水板的構想,實在不難發現他在這方面所下的功夫。除了在水面上行走和在水中游曳的玩意外,當然少不了可讓人潛入水底漫步的潛水器。達文西設計的潛水器與我們今天二十一世紀的潛水設備原理相若,皆由一條吸氣管把氧氣從水面直接輸送至水底的潛水員。

槳葉船和蠍子刀鋒船


槳葉船
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蠍子刀鋒船
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  達文西致力提高船隻於海上航行的速度和航道的準確性,從研究魚類的形態得知,船隻的形狀對於航行至為重要。他再一次把從大自然的觀察所得套用於設計上,把船的外形設計得如魚類一般以減低水的阻力,增加前進速度。除了在軍事上為航海設計出海軍船隻外,他還設計了槳葉船和蠍子刀鋒船。他構思於船上裝上大型划槳,以手動或腳踏曲柄帶動前進,更可以加入飛輪裝置輔助以增加划槳的速度。槳葉船的操作原理和外形,與我們閒時往湖畔郊遊所乘坐的那種腳踏船實在沒有多大的分別。而蠍子刀鋒船則主要以手動划槳的方式前進,船頂的刀鋒由末端的齒輪輔助,拉動前臂作由上而下的擺動,向前方的船隻作出攻撃。

飛行研究

  達文西腦海中的第一段記憶,並非如我們平常人那樣憶起孩提時期被雙親照顧的情景,而是一段有關一隻鳥的往事。他於自己的筆記本中就這樣記述着:

“當我還在搖籃中,有一隻鳥(註)靠近我,用牠的尾巴把我的口打開,還多次把尾巴塞進我的雙唇之間。”

對他而言,嬰孩時期與這隻鳥的接觸就如“命運”一般促使他研究鳥類,並因着研究鳥類的緣故,進而研究飛行技術,他幻想終有一天能讓人類於天空飛翔。在研究的過程中,他試圖從鳥類,蝙蝠,昆蟲等這些明顯比空氣重的動物當中,找出讓人類飛行的力學原理。他細心地研究鳥類的身體結構,從他的筆記本中可見,他畫有無數解剖鳥類翅膀的素描,也詳細地把鳥類的飛行動態都記錄下來,希望透過同樣原理,讓人類像鳥一樣飛翔。他曾說:

“為何人類不能做鳥類所做的?”


單翼的研究
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這份要成就不可能的信念,使達文西在完成解剖鳥類翅膀後,開始埋首作單翼的研究。他根據鳥類翅膀的結構,嘗試以同樣原理製作實物模型,以木材與藤條模仿蝙蝠的筋骨,又以帆布模仿翅膀筋骨之間的翼膜,他更設計出一副模仿鳥類上下拍動翅膀的模型。他認為倘若能夠以足夠的速度拍動翼片,便可以升起約一個人重量的機翼及支架。從觀察所得,他推算出翼展的正確比例應為十二米長,十二米寬。除了以人手拍動的機翼外,達文西還設計了一款全機械化的飛行器原型,以槓桿,滑輪,曲桿和繩索組合而成,這些研究進一步啟發他發明滑翔器。


拍翼研究
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滑翔器
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飛行器


飛行器
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  達文西第一部飛行器的圖則約於1478-80年繪畫,是他最著名的繪圖之一,圖則非常準確,並附有實用註解。操作者背着飛行器在平台上將身體伸開,把腳置於鐙索裏,一隻腳用來抬升機翼,而另一隻腳則可以把機翼降下,使機翼可作上下擺動,作出如鳥類一般的拍翼動作。

空氣螺旋槳


空氣螺旋槳
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阿基米德螺旋泵
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  然而,當達文西最終明白到人不能如鳥一般的拍翼飛行時,他開始思想以高速旋轉達致垂直升降的可能性,由他改良的阿基米德螺旋泵就是運用相同原理來提升水位。空氣螺旋槳被認為是早期直升機的雛形,當時主要以蘆葦,亞麻布和鐵絲製作而成。此版本由四人操作(另有一版本由二人操作),以轉動旋轉軸讓機器離地升空。當然,這以人力操作的空氣螺旋槳只是純屬假想,但若輔以電動機械的協助,相信此設計定必能夠順利升空。直至1930年代,世界上第一架投入生產的直升機便由美籍俄羅斯人伊戈爾·西科爾斯基(Igor Sikorsky, 1889-1972)成功發明,他指出其直升機的設計靈感乃是源自達文西的空氣螺旋槳。(待續)

(註)Kites:是一種長有既長且闊,非常優雅的翅膀,長長分叉的尾巴,如鷹一般慣於高空翱翔的鳥類。



參考資料:

  • 香港科學館:“達文西的創意奇想”專題展覽。
  • 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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