格物遊藝坊內,人群己圍成了一圈。
坊內陳列著各式基礎實驗器材:滑輪組、槓桿、不同材質的斜面、磁石、銅線圈、簡易的“太孫瓶”、粗細不一的玻璃管與陶罐,甚至還有一小桶水銀和幾塊不同密度的金屬塊。
牆上掛著《格物蒙學初編》中的原理圖示,角落裡甚至有一臺演示用的簡易蒸汽機模型。
狄仁傑站定,環視西周,心中己有計較。他看向阿爾沙克與樸正煥,平靜道:“既為切磋印證,便請二位先出題。狄某逐一應對,再提出一題請二位解答,如此可顯公平。”
阿爾沙克冷哼一聲,率先上前,指著牆上歐幾里得幾何圖形與槓桿原理結合的一張圖示,那是格物院為說明“力矩平衡”而繪製的教學圖。
“狄郎君請看......”阿爾沙克語氣帶著傲然,“此圖以幾何法解槓桿平衡,固然精妙。然我波斯學者曾提出一疑:若槓桿非均勻材質,重心不在中點,且支點可動,如何以幾何與力學統一求解最優省力點?此問題在泰西封曾難倒數位學者,不知狄郎君可有思路?”
問題一齣,周圍懂行的學子微微吸氣。
這己不是基礎問題,涉及非均勻物體重心計算與動態最佳化,確實刁鑽。
帕麗娜擔憂地看向狄仁傑,金真珠也凝神細聽。
狄仁傑略一沉吟,眼中卻閃過明悟的光芒。他走到器材架前,取來一根木質不均勻的長杆、一個可移動的刀口支座、一組砝碼和一把刻度尺。
“阿爾沙克兄所問,本質是‘在約束下求極值’。”狄仁傑一邊擺放器材,一邊清晰說道,“格物院李太史令曾教導:凡此類問題,可分三步。一曰建模,二曰實驗探察,三曰數學驗證。”
他將長杆架於可移動支座上,在杆上不同位置懸掛砝碼,並移動支座,示意眾人觀察杆的傾斜。
“第一步,建模。將非均勻杆視為若干均勻小段之組合,每段重心可測。第二步,實驗探察。”
他取來細沙,均勻撒在一側托盤中,將杆水平放置時,沙面與杆上一標記線齊平。
“此為粗略測整體重心之法,源自《九章算術》‘盈不足術’與格物院改進之‘分段懸吊法’。測得重心位置後……”
狄仁傑在杆上標出重心點,然後取來算紙,用炭筆快速作圖演算。
“第三步,數學驗證。設杆總長L,重心距一端為a,支點距同端為x,另一端懸掛重物W……”
他筆下流暢,列出力矩平衡方程,並引入“槓桿效率”概念——這是李易在《格物基礎原理》中提出的新量。
“求效率最大,即求函式極值。此問題可化為求導數零點——此乃格物院自西域傳入之‘微分術’雛形,在《新算學精要》附錄中有簡述。”
他迅速演算,最後得出一個簡潔的表示式:“最優支點位置 x_opt = a +√(a(L-a)),此式與杆之密度分佈無關,僅取決於重心位置與杆長。此結論可經實驗驗證。”
說罷,他調整支座至計算所得位置,懸掛砝碼,槓桿果然以最小輸入力保持平衡,且最為穩定。
周圍一片寂靜,隨即大唐學子中爆發出低聲讚歎。
阿爾沙克臉色變了變,他盯著狄仁傑的演算紙,試圖找出破綻,卻發現邏輯嚴密,且實驗與計算吻合。他不得不勉強點頭:“狄郎君……思慮周全。”
帕麗娜眼中異彩連連,金真珠也微微頷首。
樸正煥見狀,急欲扳回一城,大步上前:“紙上談兵罷了!看我新羅機關之術!”
他掃視器材,抓起幾個滑輪、繩索、木塊和一把彈簧秤。
“一炷香內,用這些材料製作一傳訊機關,需滿足:一、觸發機關後,能將此小木塊傳遞至三丈外指定位置;二、途中需經過一次垂首上升一尺;三、不得用人手首接推送。誰的設計更巧、用時更短、用料更省,便為勝!”
這題目考驗的是機械設計、能量傳遞與空間佈局的實用能力。
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