“北京中軸線——中國理想都城秩序的杰作”今年正式列入《世界遺產(chǎn)名錄》。在這條長7.8公里、世界最長的城市軸線上，由北至南依次分布著鐘鼓樓、萬寧橋、景山等15個(gè)遺產(chǎn)構(gòu)成要素。它縱貫北京老城南北，始建于13世紀(jì)，形成于16世紀(jì)。這條“古都之脊”的建設(shè)過程，凝結(jié)了無數(shù)工匠的智慧，也閃耀著我國古代的科技光輝。

今年全國科普日期間，“科技中軸——北京中軸線上的科技”在北京科學(xué)中心開幕，通過17件展品，揭秘中軸線各遺產(chǎn)點(diǎn)中蘊(yùn)藏的科技之光。

觀展亮點(diǎn)

鐘樓能“擴(kuò)音” 聲飄10公里

(鐘樓傳聲)

曾經(jīng)，人們判斷時(shí)間需要“聽”。渾厚的鐘聲仿佛是城市的脈動(dòng)，鐘樓的精準(zhǔn)報(bào)時(shí)，為京城百姓的日常生活提供了刻度參照。

位于北京中軸線最北端的鐘樓，始建于元代，最初是磚木結(jié)構(gòu)。但由于它“身高”突出，容易遭到雷擊，在元明時(shí)期經(jīng)常發(fā)生火災(zāi)。于是，到了清代乾隆時(shí)期，鐘樓改建為磚石結(jié)構(gòu)避免失火，并將鐘樓的高度加高至略高于鼓樓，同時(shí)起到了保護(hù)鼓樓的作用。而在設(shè)計(jì)建造的過程中，結(jié)合鐘樓的功能需求，巧妙運(yùn)用了共鳴、傳聲等聲學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)“鐘響之時(shí)，都城內(nèi)外，十有余里，莫不聳聽”的震撼效果。

“但是如果現(xiàn)在到鐘樓去參觀，游客已經(jīng)無法看到它擴(kuò)音的機(jī)關(guān)所在。”北京科學(xué)中心策展開發(fā)部副部長宋男迪說，在民國時(shí)期，鐘樓不再需要履行報(bào)時(shí)的功能，被改建為電影院，原本在樓體內(nèi)貫通一層與二層的直徑約6米的天井就此封閉。而正是這處天井，讓鐘樓變成了一個(gè)“大音箱”。

展廳內(nèi)的鐘樓模型，通過分貝儀的測試，直觀展現(xiàn)了鐘樓結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)。撞擊懸掛在鐘樓二層的大鐘，鐘聲先從二層開設(shè)的4個(gè)券洞直接傳出。同時(shí)，天井光滑的內(nèi)壁可以實(shí)現(xiàn)聲波最小損失的反射、散射、干涉，形成共鳴腔體，傳至一層，一層的4個(gè)券洞再向外傳聲。這樣一來，鼓樓就形成了有8個(gè)“喇叭”的巨大擴(kuò)音器。如果關(guān)閉天井，分貝儀顯示的數(shù)據(jù)則明顯下降，這說明了天井對鐘樓傳聲的重要作用。

“這種對聲學(xué)原理的運(yùn)用，即使是用我們今天的視角來審視，也是非常精妙的?！彼文械险f，利用聲波疊加增強(qiáng)干涉，這與人們遠(yuǎn)距離呼喊時(shí)用手聚攏聲音的原理相同。在數(shù)百年前，沒有高層建筑阻擋和現(xiàn)代城市噪聲干擾的環(huán)境下，鐘樓的鐘聲可悠揚(yáng)飄至10公里外，傳遍北京內(nèi)外城的角落。

屋頂有弧度 雨水“跑”得快

(安檐滴翠)

(水遺南路)

方形和圓形為我國古代工匠所鐘愛，這是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)觀念中，圓形代表天宇，而方形代表大地。天文學(xué)和數(shù)學(xué)著作《周髀算經(jīng)》中記載，“萬物周事而圓方用焉，大匠造制而規(guī)矩設(shè)焉”，這正是我國古人運(yùn)用規(guī)矩方圓之道進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)的最佳注腳。

在“圓中方韻”展品前，宋男迪找到一個(gè)最合適的欣賞角度。如果把太廟的大殿正面梁柱看作一個(gè)個(gè)正方形，它們之間能找到清晰的內(nèi)切圓、外切圓關(guān)系?！斑@有點(diǎn)像現(xiàn)在一些產(chǎn)品商標(biāo)設(shè)計(jì)的理念，通過方圓之間的切割，構(gòu)成一個(gè)和諧的結(jié)構(gòu)?！彼文械媳硎?，這樣的方圓構(gòu)圖比，能讓古建的設(shè)計(jì)建造變得標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化、裝配式。一座建筑只要確定了斗口的尺寸和數(shù)量，就能很快計(jì)算出整座房屋需要多少梁柱、多少斗拱，準(zhǔn)確完成建筑的搭建工作。

天安門城樓大殿為重檐歇山式屋頂，這是典型的中國古建筑樣式。如果細(xì)心觀察就能發(fā)現(xiàn)，這種屋頂并非采用斜面設(shè)計(jì)，而是劃出了一定的弧度。為何工匠選擇了這樣的設(shè)計(jì)方案？1條筆直的斜線軌道與兩條弧度不同的軌道，起終點(diǎn)高度差相同，展廳中“安檐滴翠”部分，3顆小球的“賽跑”，解答了這個(gè)問題?！拔覀冃W(xué)就學(xué)過，兩點(diǎn)之間線段最短，但最短的路程，會讓小球最快地滑到底部嗎？”宋男迪一邊講解，一邊將小球擺放至“屋頂”，3顆小球同時(shí)滾下，其中一條弧線上的小球率先抵達(dá)終點(diǎn)。其實(shí)，這條弧線就是最速降線，又稱旋輪線。適宜的弧度讓小球在前半程取得較大的加速度，即使弧線的路程長于線段，下滑時(shí)間也會更短。它是由瑞士數(shù)學(xué)家約翰·伯努利在1696年證明的，但這一原理在我國的建筑中早有應(yīng)用。

“這種弧度的屋檐，能讓雨水盡快排到屋檐下，防止房屋結(jié)構(gòu)被腐蝕。雖然背后的數(shù)學(xué)原理沒有被證明，但我國的匠人經(jīng)過實(shí)踐，總結(jié)出了這個(gè)規(guī)律，并一直沿用下來?！彼文械险f，這也證明了，我國古代的工匠擁有很高的技術(shù)水平。

當(dāng)前倡導(dǎo)的“海綿城市”概念，在北京中軸線的建設(shè)過程中也早有實(shí)際應(yīng)用。展品“水遺南路”展現(xiàn)了中軸線南段道路遺存的剖面，石板路、碎石和植草溝組成的層疊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了“海綿城市”所提倡的“滲”“滯”作用。同時(shí)，與現(xiàn)代城市的水泥下墊面不同，無論使用青石板還是碎石，都可以滿足通過土壤凈化水質(zhì)、改善城市微氣候的功能。

冬至一縷光 巧穿皇穹宇

江山社稷，社為土神，稷為谷神。位于故宮西南側(cè)的社稷壇，是明清皇帝祭祀太社和太稷的祭壇，以祈求國家與疆土永固。而在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，二十四節(jié)氣正是先民順應(yīng)農(nóng)時(shí)，通過觀察天體運(yùn)行，認(rèn)知一年中時(shí)令、氣候、物候等變化規(guī)律所形成的知識體系。

事實(shí)上，二十四節(jié)氣是由太陽與地球的位置關(guān)系，加上北京所處的經(jīng)緯度所構(gòu)建的。一組動(dòng)態(tài)展品，直觀展現(xiàn)了不同的氣候和時(shí)令對應(yīng)的日地位置，并將現(xiàn)代天文學(xué)的結(jié)論與我國古代度量日影長度的天文儀器——圭表相印證。

每年冬至正午，一縷陽光會從天壇皇穹宇的正門射入，經(jīng)過地面反射，恰好照射到殿內(nèi)“皇天上帝”的牌匾上，形成獨(dú)特的冬至光。在展廳“皇穹光至”區(qū)域，一個(gè)縮小比例的皇穹宇模型和可調(diào)節(jié)的光線設(shè)備，復(fù)刻了這個(gè)現(xiàn)象背后的原理。在春分、夏至、冬至等不同時(shí)節(jié)，太陽所處的高度角不同。冬至?xí)r，太陽高度角較低，剛好可以通過反射照亮大殿中的牌匾。而撥動(dòng)“地面”上的隔板，將光滑的鏡面推走，換成粗糙的平面，這束神奇的冬至光即刻消失。“古代工匠對自然光線的運(yùn)用十分精妙，頤和園十七孔橋的金光穿洞，也是一個(gè)著名的案例?！彼文械险f。

與古建相伴而生的還有北京雨燕，由于北京雨燕的腳趾生理結(jié)構(gòu)特殊，不像普通的鳥類可以方便地抓握樹枝，四趾朝前的形態(tài)更便于它們在建筑上攀爬、起飛，因此，古建筑成了它們的重要棲息地。雨燕伴古建，已經(jīng)成為北京一張獨(dú)特的文化名片。

閘門重兩噸 開合很輕松

（箭樓千斤)

曾經(jīng)，正陽門箭樓是北京重要的城市軍事防御建筑，而箭樓內(nèi)的千斤閘就是守護(hù)京城安全的利器之一。但如此沉重的閘門，怎樣才能實(shí)現(xiàn)輕松開合，“箭樓千斤”展品可供觀眾親身體驗(yàn)。

雖然現(xiàn)在的正陽門箭樓中，千斤閘的部分木質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)朽而不存，但策展團(tuán)隊(duì)還是通過查閱史料記載，復(fù)原了千斤閘的模型。貫柱、貫梁、貫尺和滑車等結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的就是現(xiàn)代物理學(xué)中力臂、定滑輪等概念。那么，不同粗細(xì)的貫柱、不同長度的貫尺，是否會影響提起千斤閘所需的力道？展品通過探究式的設(shè)計(jì)，用控制變量的方法，帶領(lǐng)孩子們體驗(yàn)這套省力杠桿的設(shè)計(jì)過程。簡單的結(jié)構(gòu)，就能讓守衛(wèi)人員操控重量近兩噸的閘門起降。

在講述科技知識的同時(shí)，講解員還通過歷史與現(xiàn)實(shí)的對照，喚起觀眾的家國情懷。“正陽門箭樓上號稱可以抵御千軍萬馬的千斤閘，卻無法阻擋八國聯(lián)軍攻入北京城的腳步，這是由于當(dāng)時(shí)的百姓失去了對清政府的認(rèn)可，帶領(lǐng)侵略者繞過堅(jiān)固的城門，從城墻的缺口進(jìn)入北京城?！彼文械媳硎?，展覽以古鑒今，重要的是培養(yǎng)青少年的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任，基于對科學(xué)觀念的深度理解，在探究實(shí)踐的支撐下，通過科學(xué)思維內(nèi)化而形成良好品格。

觀展解碼

首個(gè)解讀中軸線科技的展覽

“雖然在北京，以中軸線為主題的展覽很多，但它們大多是基于文化歷史角度展開的，專門圍繞中軸線相關(guān)的科技主題進(jìn)行深入挖掘的展覽不多，這個(gè)展覽做出了有益的探索。”宋男迪說，作為本市服務(wù)青少年的公益性社會科普教育基地，北京科學(xué)中心有責(zé)任填補(bǔ)這一空白。

于是，沿著北京中軸線的15處遺產(chǎn)點(diǎn)，策展團(tuán)隊(duì)開始了探索。“以鐘樓為例，圍繞我國古今的計(jì)時(shí)設(shè)備，鐘鼓樓管理處已經(jīng)策劃了相關(guān)展覽，所以我們在設(shè)計(jì)展品時(shí)，就選取了聲學(xué)原理這個(gè)新的角度。我們希望通過這些展品，展現(xiàn)出不一樣的‘科技中軸’?！彼文械辖榻B。

策展團(tuán)隊(duì)還為每個(gè)展品取了意蘊(yùn)深遠(yuǎn)的名稱。鐘樓傳聲、御苑梳流、彩畫端美……展品設(shè)計(jì)在展現(xiàn)科普功能的同時(shí)，還與科學(xué)教育融合，實(shí)現(xiàn)科技、教育、文化“三合一”。聲音的反射傳播、光的直射和斜射、鏡面反射和漫反射等科學(xué)原理，都與當(dāng)前中小學(xué)的課程標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)。孩子們在課堂上學(xué)習(xí)了相關(guān)理論知識，再到場館內(nèi)親手操作，就能對相關(guān)知識點(diǎn)有更深入的理解。圍繞這些展品，北京科學(xué)中心還延伸出一系列科學(xué)探究課，如果覺得看展“不解渴”，還可以到研學(xué)課程中繼續(xù)學(xué)習(xí)。

觀展提示

●地點(diǎn)：北京科學(xué)中心2號館5層展廳

●展期：長期設(shè)展

●票價(jià)：免費(fèi)，持有效身份證件實(shí)名登記入館

責(zé)編：李莉芹

一審：李莉芹

二審：唐能

三審：趙雨杉

來源：北京晚報(bào)