回转运动，陀螺与平衡环

第七节　回转运动，陀螺与平衡环

在古代典籍中关于回转运动的描述并不多。然而，表现回转运动特征的陀螺在中国古代起源甚早。当陀螺处于运动状态时，其重力分量Jp：会使它的中心轴线更大地倾斜，但回转效应又使它的中轴线向垂直方向偏转。因此，一旦陀螺旋转之后，它就不会倒下，而是沿着一锥面运动，称为进动。大概正因为它的运动特性，使孩童们感到奇怪，因此，它在古代作为一种玩具一代代地被传下来了。

陀螺起源于何时，已无从查考。从我国历代众多的杂伎百戏看，陀螺可能初始于唐宋年间或更早。有人以为新石器时代已有陶制或石制陀螺，这可能是一种误解。人们的确发现了新石器时代有类似陀螺的陶制品，但那是纺纱工具：纺坠。因此，陀螺很可能是从纺坠发展来的，一旦人们发现这种纺坠具有独特有趣的回转运动，它就会被当成一种玩具，并发展出许多不同形状的陀螺。明崇祯八年（1635年）成书，刘侗、于奕正合撰的《帝京景物略》卷二记述了京师儿童玩“空钟”、“陀螺”之情形，言及陀螺“转转无复往。转之疾，正如卓立地上，顶光旋旋，影不动也”。该书作者已看出陀螺的进动情形，才会作出“无复往”的结论。

需要特别指出的是，近代陀螺仪中安装仪器的平衡环是中国人最先发明的。古代称其为“被中香炉”，发明者是西汉时长安巧工丁缓。《西京杂记》卷一写道：

长安巧工丁缓者……又作卧褥香炉，一名被中香炉。本出房风，其法后绝。至缓始更为之。为机环转运四周，而炉体常平，可置之被褥，故以为名。

《西京杂记》一书，一说是汉代刘歆所撰，一说是晋代葛洪所撰，未详孰是。看来，该书非一时一人之作，初稿成于汉代，后人又有增补，迄止晋代成为定本。至于丁缓其人生平事略，史籍均无记载，可能他就是汉代宫廷中的一个巧匠。他所造的“被中香炉”，其力学特性是“为机环转运四周，而炉体常平”，这只有平衡环才能达到此目的。其“机环”，即该支架的轴心线互相垂直的各层金属环，内环轴上悬挂盂形容器，以便放置引燃生烟的香草。

自从丁缓发明被中香炉后，历代屡有制造，历史典籍也每每述及它。除香炉外，还有“火通”（一种冬天烧炭火的手提取暖器）；熏球或香球，放置香料，挂于身上；“滚灯”，类似舞龙灯时龙前引逗龙飞舞的灯具。不仅中原地区，少数民族地区亦有制造者，如西藏地区，将油灯置于平衡环之内环上。考古界还发掘出历代的多种熏球。这种形式的平衡环早已传到日本、欧洲。在欧洲被称为“卡丹吊环”，但是意大利工程师卡丹本人并未宣称自己发明了它。