平衡環[早期的陀螺儀]

平衡環，或稱平衡陀，是現代陀螺儀的基礎。在歐洲又稱為卡丹環， 以義大利數學家吉羅拉姆·卡丹（Girolamo Cardano或Jerome Cardan，1501—1576）的名字命名。但是卡丹既沒有發明過也沒有聲稱他發明過這種裝置，並說明平衡環裝置只是在他的名著《精妙事物》（De Subtilitate，公元1550年）中描述過，這種裝置早在公元9世紀便在歐洲出現。

簡介

平衡環

其實它早在公元前2世紀就已經在中國發明了。公元前140年，中國人房風發明了平衡環，公元189年中國人丁緩又改進了平衡環，後來傳到了歐洲。到公元9世紀，著名科學家羅伯特·胡克等人套用該裝置的原理造出了萬向接頭，又稱萬向節、萬向支架、常平支架。就是這項發明使汽車的自動能量傳輸成為可能。中國人發明的平衡環比西方領先700年左右。

基本原理

古代陀螺及其迴轉運動圖

平衡環裝置是現代陀螺儀的基礎。古代的陀螺，如右圖所示，當處於迴轉運動中的陀螺顯傾斜狀態時，其重力分量（p）會使它的中心軸線更加傾斜，但迴轉效應又使其中心軸線向垂直方向（v）偏轉。因此，一旦陀螺旋轉之後就不會倒下，而是沿一錐面運動，稱為進動。它的運動特性使孩童們感到極大興趣，因此，它在中國作為一種玩具，一代代地傳了下來。

現代平衡環成為航空、航海必不可少的儀器，即陀螺儀表，或稱迴轉儀（gyroscope）。陀螺儀使航海成為可能，而且在現代飛機中是“自動領航”所必不可少的。現代的飛機、飛彈和輪船不論怎樣急速在空中或海上運動，都能辨認方向，這是由於安裝了陀螺儀的緣故。任何有幸進入公元19世紀吉普賽人大篷車的人, 都會注意到掛在壁上內裝有燈的黃銅平衡環, 不管大篷車在路上怎樣顛簸, 平衡環始終保持直立。這些聯鎖著的黃銅環可隨意轉動，但吊在其中的燈總不會翻轉過來, 這就是平衡環的基本原理。一套環子內每環都在兩個相對點上與另一環聯結, 使它們可自由轉動。這樣, 如果一個重物如燈直立放於環的中心, 它將保持直立。不管燈周圍的各環發生什麼運動, 吊著燈的環保持燈不運動。公元18世紀時, 中國航海家利用這種平衡環裝配羅盤。用這種方式在船上裝的羅盤, 可免除波浪顛簸的影響。

歷史追溯

最早的關於平衡環結構的文字記載見於公元前140年司馬相如寫的《美人賦》。賦中描繪了一個迷人的場景：“金屬環內含有燃燒著的香”（原文“金鉔薰笪，黼帳低垂”）。平衡環的發明者被認為是房風，雖然他本人身份不明。300多年以後，大約在公元189年，一個聰明的機匠丁緩被認為再次發明了平衡環。《西京雜記》記載說：

“長安巧工丁緩者，為常滿燈……又作臥褥香爐，一名被中香爐。本出房風，其法後絕，至緩始復為之。為機壞轉運四周，而爐體常平，可置之被褥，故以為名。”

丁緩還與走馬燈或“魔燈”的發明有關。

在此之後，平衡環便出現於古代文獻中。公元692年，有人向女皇武則天獻上“木製暖爐，雖然其中裝有發熱的燃料，但怎樣轉動也不會翻倒”（原文“木火通，鐵盞盛火，輾轉不翻。”見張族《朝野僉載》）。乾隆《杭州西湖志》（公元1734年）提到, 裝上“聯鎖軸”, 其中有紙燈寵, 不管在街上怎樣踢, 怎樣滾動, 裡面的燈火也不會熄滅, 因此稱為滾燈。幾個世紀以來, 各種各樣的平衡裝置名目繁多, 諸如香球、球燈、銀袋、滾球和香籃等等．而他們作為日月的象徵定期用於每年舞龍隊伍中, 放在翻動的龍之前。

1100年以後, 平衡環裝置傳到了歐洲。又過了800年, 英國著名科學家羅伯特·胡克（Hooke Robert，1635-1703）等人在一種新的形態下採用了平衡環的原理, 即由外而內施用動力, 而不是由內而外地穩定中央物件, 從而構成了那種西方的發明, 即萬向接頭，又稱萬向支架、常平支架。

發展套用

平衡環結構隨著科學技術的發展有很多重要的作用。

提到平衡環的套用方面，最早的工作是1629年在羅馬以拉丁文出版的一本《機械》（Le Machine）的著作，作者焦瓦尼（Branca Giovanni）是一位卓越的義大利工程師。在這本書里，他提出了利用蒸汽推動葉片的蒸汽渦輪機的設計。這種構思繼續發展，就產生後來實現的汽輪機和渦輪機。也是在這本書里，他提出利用平衡環來減輕車輛在顛簸不平的道路上震動，以便運送病人。右圖就是該書的一幅插圖。

真正把平衡環用在現代科學研究上，並且做出重要發現的是法國人佛科（Jean-Bertrand-Léon Foucault，1819-1868）。他在1851年提出利用高速旋轉的陀螺來顯示地球的自轉。高速旋轉的陀螺有保持旋轉軸不變的性質。如果把陀螺放置在萬向支架上，支架在地球上，地球旋轉而陀螺的軸不旋轉。經過不多的時間，陀螺相對於支架的變動就明顯地說明地球的自轉。佛科利用他前一年發明的佛科擺和這種陀螺儀雄辯地證明了地球地自轉。所以佛科又稱它為“轉動指示器”。從此萬向支架（平衡環）又有一個新地名字：陀螺支架。佛科一生身體不好，他主要靠在家自學和自己做研究。他還進行過光速的測量。他去世後他的論文由他的母親出資出版。

套用了平衡環結構原理的陀螺儀來到世界上，逐漸顯示了它的廣泛套用。

在19世紀中葉，以蒸汽機驅動的輪船發明了，同時鋼鐵也大量作為造船材料。以前在航行中指示方向主要靠磁性羅盤，但是磁性羅盤在鋼鐵邊上，指南性就不可靠了，這就要求人們尋求新的導航手段。陀螺儀的定向性正好可以代替羅盤的功能。

利用平衡環減震的構想

1908年，德國人安休茨製成了第一架可以用於航行的陀螺儀，隨後德國的海軍在最早的潛水艇上和裝甲軍艇上裝上了這種儀表。

大約在1907年美國人斯派瑞（Elmer Ambrose Sperry，1860-1930）在一艘船上裝上了陀螺儀，並且於1911年申報了專利。後來他於1921年生產了依靠陀螺儀的自動掌握輪船行駛方向的控制裝置，隨後，又利用陀螺的定向性製成了減輕船舶顛簸的穩定器。

在第一次世界大戰期間，德國與美國先後把陀螺儀用在飛機上作為飛機傾斜與轉彎的指示。到了1929年9月，美國人多里特套用無線電、陀螺水平儀、航向陀螺儀來控制飛行。在1931年美國人鮑格斯完成飛機盲目著陸，使在夜間與有雲霧的天氣下航行與降落成為可能。二次世界大戰期間，德國人把陀螺儀安裝到V-2飛彈上來控制飛彈的飛行。近來來陀螺儀的套用越來越廣，除了用於航母、航空、航天、潛水艇與火箭導航外，還大量用於坦克與火炮的穩定，攻擊魚雷與飛彈的定向，車輛特別是單軌車輛的穩定，工作平台與測量儀器的穩定等等方面。也用於攝像平台的穩定，以保證攝得影像的質量。

在公元9世紀，英國著名科學家羅伯特·胡克等人在一種新的形態下採用了平衡環的原理, 即由外而內施用動力, 而不是由內而外地穩定中央物件, 從而構成了那種西方的發明, 即萬向接頭。正是這個發明導致當今汽車的自動動力傳送。

功能引申

平衡環結構最主要的功能，就是要在基座做任何角度的變化時，所支持的對象（薰香爐或陀螺）可以保持不變。也就是說，基座和對象之間應當有三個自由度的運動餘地。

如果把人的身體看作基座，把手掌看作對象，我們人的上肢就有這種功能。構想你如果坐在一把緩慢搖動的椅子上，你手裡端著一碗水，無論椅子搖到什麼角度，你端的水要求“常平”。由於我們有腕關節、肘關節和肩關節三個關節的活動自由度，所以我們總是能夠做到使這碗水“常平”的。因此我們的上肢實際上就是一個理想的“常平支架”。

運動是相對的。套用了平衡環結構原理的被中香爐和陀螺儀支架是要求基座運動而被支持的對象不動。從另外的角度來看，要求基座不動而被支持的對象能夠做各種姿態的運動，我們的上肢也正好符合這種要求，構想你的身體不動，要求你的手掌去朝向空間的任何方向，也是一點困難沒有的。這就是說，我們的上肢這個支架可以使我們的手的方向“萬變”。說明我們的上肢正好又是一個理想的“萬向支架”。

根據以上的討論，其實說常平也好，說萬向也好，只要有足夠的自由度，支架不必一定要做成環形的。右圖就是一個固定照相機的萬向支架。只要適當調整幾個旋轉軸的角度，照相機的鏡頭可以指向任何方向。

平衡環，兩千多年以前中國的發明，在今天被派上了許多用場。隨著機器人和自動控制等科學和技術領域的研究和發展，將來還會有更多的用場。