原來如此！沙漏里的“時(shí)間流”竟是這樣的 | 科學(xué)小館兒

“一寸光陰一寸金，寸金難買寸光陰”

如果說有什么東西

能夠清楚的看見時(shí)間的流逝

那計(jì)時(shí)器必然是榜上有名

如果更進(jìn)一步

讓人們直觀的看見時(shí)間剩余的額度

那沙漏中一點(diǎn)一滴都會(huì)被倍加珍惜

一花一世界，一樹一菩提

胖科今天就帶大家從科學(xué)的角度出發(fā)

談一談沙漏里的“時(shí)間觀”

沙漏是如何計(jì)時(shí)的

沙漏是一種古老的計(jì)時(shí)裝置

在鐘表發(fā)明以前

曾經(jīng)廣泛用于時(shí)間測(cè)量

西方沙漏由兩個(gè)玻璃球和一個(gè)

狹窄的連接管道組成的

通過充滿了沙子的玻璃球

從上面穿過狹窄的管道

流入底部玻璃球

所需要的時(shí)間來對(duì)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量

一旦所有的沙子

都已流到的底部玻璃球

該沙漏可以被顛倒以測(cè)量時(shí)間了

西方發(fā)現(xiàn)最早的沙漏

大約在公元1100年

比我國(guó)的沙漏出現(xiàn)要晚

我國(guó)的沙漏據(jù)記載

最早出現(xiàn)在西漢時(shí)期

也是古代一種計(jì)量時(shí)間的儀器

沙漏的制造原理與漏刻大體相同

它是根據(jù)流沙從一個(gè)容器漏

到另一個(gè)容器的時(shí)間來計(jì)量時(shí)間

我國(guó)還曾有過日晷、漏刻等計(jì)時(shí)器

但由于日晷只能在白天和晴天使用

而漏刻也會(huì)受到天氣氣候的限制

所以沙漏的使用范圍會(huì)更廣泛一些

最著名的沙漏是

1360年詹希元?jiǎng)?chuàng)制的“五輪沙漏”

五輪沙漏 工人日?qǐng)?bào)

流沙從漏斗形的沙池

流到初輪邊上的沙斗里

驅(qū)動(dòng)初輪

從而帶動(dòng)各級(jí)機(jī)械齒輪旋轉(zhuǎn)

最后一級(jí)齒輪

帶動(dòng)在水平面上旋轉(zhuǎn)的中輪

中輪的軸心上有一根指針

指針則在一個(gè)有刻線的

儀器圓盤上轉(zhuǎn)動(dòng)

以此顯示時(shí)刻

這種沙漏脫離了輔助的天文儀器

已經(jīng)獨(dú)立成為一種機(jī)械性的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)

由于無水壓限制

沙漏比漏刻更精確

沙漏的下落速度是否可以改變

生活中常見的沙漏都是由

兩個(gè)封閉的玻璃空腔構(gòu)成

里面裝有光滑的玻璃微珠

這些微珠單個(gè)來看

都是一個(gè)個(gè)普通的固體

但是聚合在沙漏這個(gè)物體內(nèi)部

便形成了

似液體般流動(dòng)的全新群體狀態(tài)

這在化工上稱為“顆粒流”

比如流動(dòng)的沙子、雪、大米等

都屬顆粒流

甚至于在日常生活中遇到的

交通流、人流、散態(tài)物料

輸送、雪崩和泥石流

也都屬于顆粒流

單獨(dú)一個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)行為

可用牛頓運(yùn)動(dòng)定律精確描述出

其在某時(shí)間下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

而當(dāng)一群顆粒聚集在一起

共同運(yùn)動(dòng)時(shí)

對(duì)其行為的描述就變得錯(cuò)綜復(fù)雜

在研究中發(fā)現(xiàn)

從同一豎直高度下落

大小不同的顆粒流動(dòng)速度不同

易在出口處形成拱形結(jié)構(gòu)而阻塞

所以

在沙漏下落的過程

有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)此種狀況

這個(gè)時(shí)候即可使用外力來

打破現(xiàn)有局面

影響沙漏的下落速度

除此之外

還可以借助壓強(qiáng)的變化

來改變沙漏下落的速度

1993年Wu和Bideau等人

在研究中表明

沙漏的下落速度并不是均勻的

而是整體呈現(xiàn)波動(dòng)的趨勢(shì)

——忽快忽慢

研究中對(duì)這一現(xiàn)象解釋到

沙子下落時(shí)

上層玻璃空腔體積增大

壓強(qiáng)隨之降低

而下層的玻璃空腔體積減小

壓強(qiáng)隨之增大

正是這個(gè)微小的壓差使沙漏下落減速

隨后上下氣體重新連通

壓差消失，沙漏下落加速

沙漏下落的全過程就是在

上下壓強(qiáng)一增一減的交替中進(jìn)行

如果想改變沙漏的下落速度

既可以從外部出發(fā)

影響沙漏上下兩個(gè)玻璃空腔的

壓強(qiáng)大小即可

其它計(jì)時(shí)方式探究

除了沙漏這種計(jì)時(shí)方式之外

漏刻和日晷

也是古代人們常用的計(jì)時(shí)方式

漏刻：其中“漏”是指漏壺，“刻”是指刻箭。在一個(gè)有小孔的漏壺中注滿水，再用另一個(gè)放有刻度標(biāo)記箭桿的容器收集從壺孔漏出來的水，箭桿上刻有96格，每格為15分鐘，人們可根據(jù)箭桿上水面達(dá)到的標(biāo)記來報(bào)告時(shí)間。

曰晷：也稱日規(guī)，是利用太陽投射的影子來測(cè)定時(shí)刻的裝置。通常由銅制的指針和石制的圓盤組成。其中，銅制的指針叫做“晷針”，垂直與圓盤中心，石制的圓盤叫做“晷面”，安放在石臺(tái)上，晷面平行于天赤道面，晷針的上端正好指向北天極，下端正好指向南天極。在晷面的正反兩面刻劃出12個(gè)大格，每個(gè)大格代表兩個(gè)小時(shí)。當(dāng)太陽光照在日晷上時(shí)，晷針的影子就會(huì)投向晷面，太陽由東向西移動(dòng)，投向晷面的晷針影子也慢慢地由西向東移動(dòng)。于是，移動(dòng)著的晷針影子好像是現(xiàn)代鐘表的指針，晷面則是鐘表的表面，以此來顯示時(shí)刻。

看完上面的介紹是不是被古人的

智慧所折服呢

如果覺得只看文字不過癮

那一定要來中科館華夏之光展廳哦

這里有不同時(shí)間、不同維度的展品

等你親身體驗(yàn)

胖科在中科館與大家不見不散

創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：中國(guó)科技館新媒體團(tuán)隊(duì)

審核專家：劉宇航 北京國(guó)際數(shù)學(xué)研究中心博士后

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