科学家的故事:阿基米德的发明与发现

一直以来,阿基米德都被认为是历史上最伟大的数学家之一,他提出的定理和哲学思想被世界各地的人们所熟知,而他的发明则使他至今仍为人们所景仰。
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适合年龄:6岁以上

难易程度:中级

阿基米德(约公元前287~前212年)是古代世界最伟大的数学家和物理学家,他出生于今意大利西西里岛东部的锡拉库扎,是天文学家费迪亚斯的儿子。阿基米德家族与锡拉库扎国王希伦二世关系甚好,甚至可能是亲戚。阿基米德在埃及的亚历山大学习,他的导师是著名数学家欧几里得(约公元前300年在世)的学生。当学业完成后,他回到了锡拉库扎,并在那里度过余生。

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图:阿基米德是一个天才数学家,然而,传说正是由于他对数学的热爱最终导致了他的死亡。​

尽管阿基米德并不是第-一个 使用杠杆的人,但他是第一个发现杠杆定理的人。他宣称,如果给他一个合适的地点,一个长度与强度足够的杠杆,他可以撬起地球。该“妄言”激起了希伦国王强烈的好奇心,他于是要求阿基米德移动非常沉重的物体。据说阿基米德用相互关连的一系列杠杆和几个滑轮做成了一个装置,让希伦国王自己一个人将载满乘客和货物的皇家轮船“锡拉库扎”放人海湾之中一该船从存放新制船的干船坞中被吊起,穿过陆地,拖至港口!

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图:阿基米德螺杆泵需要如图所样倾斜,以便螺杆泵的下端没入水中。随着手柄每转动一圈,水就会顺着螺杆螺纹升至上部螺纹水平线,直到从上端出口涌出。

传说,阿基米德还独立设计了行星仪和灌溉庄稼的螺杆泵(尽管埃及人的螺杆泵可能早于他的发明)。这种螺杆泵是将一个螺杆装入一个圆柱体之中,当螺旋杆转动时,水就会上升。螺杆泵一直沿用至今。

阿基米德还发明了许多武器。据说在公元前215年,罗马人围攻锡拉库扎城时被阿基米德发明的新型武器打得落荒而逃。由于顾忌罗马人的进攻,于是国王任命阿基米德建造城市防卫系统。工程包括重建城墙以安放强力弹射器以及吊车,用以吊起大石块装入弹射器,将城下进攻的敌军砸死。此外,还有几样新式的武器。他的武器让罗马的军队束手无策,久攻不下,双方僵持了3年之久。罗马对锡拉库扎城的围攻到最后竟然演变成了罗马军队与阿基米德个人的较量。

“阿基米德之爪”也是阿基米德发明的令人心惊胆寒的众多武器之一。它可以从高处放下至任何攻击范围内的船只上,扣住船身后剧烈摇晃,将船高举到空中,然后猛烈地来回旋转摇动,--直到所有士兵被甩出船身,最后将船砸向岩石毁掉。没有人知道这个爪钩的工作原理,有人猜想这装置可能是由一台吊车牵引一个爪形大吊钩而成,大吊钩将船身举起,然后就在船几乎要垂直之前忽然将其释放。

还有传说描述了他将聚焦的镜子作为“打火玻璃”的事情。据说任何足够靠近“打火玻璃”的船只都会着火一它 的打火弧度范围在锡拉库扎城墙之内。但是这种武器是否真正存在至今查无实证。

阿基米德被大众和他自己所接受的身份主要还是一个数学家。他计算的圆周率π已经相当接近于现在的值。它总结的计算一个有曲面的物体体积和表面积的方法也是两千年后出现的积分学的起源。罗马人最后于公元前212年攻陷锡拉库扎城,马塞勒斯将军下令不要伤害阿基米德及其住宅。一个罗马士兵发现阿基米德时,他还在解决一个数学难题。当该士兵命令阿基米德跟他走时,阿基米德叫这个士兵不要弄坏了他画在沙上的圆,士兵很不耐烦,便杀死了阿基米德。

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图:在许多阿基米德发明(包括“阿基米德之爪")的帮助下锡拉库扎城在古罗马军队的猛烈进攻下坚守了3年之久。

阿基米德原理的发现

希伦国王要求金匠用纯金制作一顶新皇冠。但是当皇冠做成之后,国王对它的纯度表示怀疑。于是他请阿基米德在不损坏皇冠的前提下检验皇冠是否被掺入了较廉价的银。这个难题困扰了阿基米德很久,直到有一天他跳进装满水的浴缸,发现水漫溢而出才来了灵感。他意识到当一个物体没入水中时,它排开与物体等体积的水,而它的重量等于该物体原来的重减去等体积水的重。得出结论的他异常兴奋,甚至从浴缸跳出后全裸着满大街乱跑,嘴里高呼:“我懂了!!”他通过将皇冠没入水中计算出皇冠的精确体积,然后借用了一块重量与皇冠相等的纯金块,也用同样的方法计算出金块的精确体积。纯银的密度小于纯金,故而掺了银的同等质量的皇冠体积要比纯金大-些,所以当阿基米德发现皇冠排水体积大于同质量的纯金制作的皇冠时,他就肯定地告诉国王金匠私吞了纯金。

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