第七節(jié)　回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，陀螺與平衡環(huán)

在古代典籍中關(guān)于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的描述并不多。然而，表現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特征的陀螺在中國(guó)古代起源甚早。當(dāng)陀螺處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其重力分量Jp：會(huì)使它的中心軸線更大地傾斜，但回轉(zhuǎn)效應(yīng)又使它的中軸線向垂直方向偏轉(zhuǎn)。因此，一旦陀螺旋轉(zhuǎn)之后，它就不會(huì)倒下，而是沿著一錐面運(yùn)動(dòng)，稱為進(jìn)動(dòng)。大概正因?yàn)樗倪\(yùn)動(dòng)特性，使孩童們感到奇怪，因此，它在古代作為一種玩具一代代地被傳下來(lái)了。

陀螺起源于何時(shí)，已無(wú)從查考。從我國(guó)歷代眾多的雜伎百戲看，陀螺可能初始于唐宋年間或更早。有人以為新石器時(shí)代已有陶制或石制陀螺，這可能是一種誤解。人們的確發(fā)現(xiàn)了新石器時(shí)代有類似陀螺的陶制品，但那是紡紗工具：紡墜。因此，陀螺很可能是從紡墜發(fā)展來(lái)的，一旦人們發(fā)現(xiàn)這種紡墜具有獨(dú)特有趣的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它就會(huì)被當(dāng)成一種玩具，并發(fā)展出許多不同形狀的陀螺。明崇禎八年（1635年）成書，劉侗、于奕正合撰的《帝京景物略》卷二記述了京師兒童玩“空鐘”、“陀螺”之情形，言及陀螺“轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)無(wú)復(fù)往。轉(zhuǎn)之疾，正如卓立地上，頂光旋旋，影不動(dòng)也”。該書作者已看出陀螺的進(jìn)動(dòng)情形，才會(huì)作出“無(wú)復(fù)往”的結(jié)論。

需要特別指出的是，近代陀螺儀中安裝儀器的平衡環(huán)是中國(guó)人最先發(fā)明的。古代稱其為“被中香爐”，發(fā)明者是西漢時(shí)長(zhǎng)安巧工丁緩。《西京雜記》卷一寫道：

長(zhǎng)安巧工丁緩者……又作臥褥香爐，一名被中香爐。本出房風(fēng)，其法后絕。至緩始更為之。為機(jī)環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)四周，而爐體常平，可置之被褥，故以為名。

《西京雜記》一書，一說(shuō)是漢代劉歆所撰，一說(shuō)是晉代葛洪所撰，未詳孰是?？磥?lái)，該書非一時(shí)一人之作，初稿成于漢代，后人又有增補(bǔ)，迄止晉代成為定本。至于丁緩其人生平事略，史籍均無(wú)記載，可能他就是漢代宮廷中的一個(gè)巧匠。他所造的“被中香爐”，其力學(xué)特性是“為機(jī)環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)四周，而爐體常平”，這只有平衡環(huán)才能達(dá)到此目的。其“機(jī)環(huán)”，即該支架的軸心線互相垂直的各層金屬環(huán)，內(nèi)環(huán)軸上懸掛盂形容器，以便放置引燃生煙的香草。

自從丁緩發(fā)明被中香爐后，歷代屢有制造，歷史典籍也每每述及它。除香爐外，還有“火通”（一種冬天燒炭火的手提取暖器）；熏球或香球，放置香料，掛于身上；“滾燈”，類似舞龍燈時(shí)龍前引逗龍飛舞的燈具。不僅中原地區(qū)，少數(shù)民族地區(qū)亦有制造者，如西藏地區(qū)，將油燈置于平衡環(huán)之內(nèi)環(huán)上?？脊沤邕€發(fā)掘出歷代的多種熏球。這種形式的平衡環(huán)早已傳到日本、歐洲。在歐洲被稱為“卡丹吊環(huán)”，但是意大利工程師卡丹本人并未宣稱自己發(fā)明了它。