两个完全相同的等容水箱,盛满同质同量的水;一个水箱底开一大孔,另一个水箱开数小孔,令所有小孔面积之和等于大孔面积。如此作放水实验,哪个水箱的水先放完?这是19世纪期间为流体力学家关注的一个水力学实验。法国数学家和工程师彭赛列(Jean-Victor Poncelet,1788年~1867年)和洛斯布罗斯(Losbros)于1827年~1835年,美国矿业工程师和流体力学家史密斯(Hamitton Smith,1840年~1900年)于1885年,以及其他人在不同的时间都作了这样的实验。他们的实验目的是要测定小孔的放水系数。当小孔成为方形孔时,小孔出水的流量Q为
Q=CA=0.6A
式中,C或0.61为放水系数,它是从开孔面积与其理想流速中计算而得的放水量和实际放水量之比值;A是小孔面积,H为水箱内水面高度。实验发现,当小孔直径小于1英寸时,放水系数会随孔径的减小而稍有增加[1];当两箱的h与A相同时,孔口形状与孔缘的锐利程度也会影响放水系数,而且放水系数随以下几种孔口形状而依次增大;圆形、正方形、三角形、矩形[2]。这就是说,矩形小孔的放水系数最大,当先将水箱内的水放完。
大约比欧美的这些实验早400年,明代水利专家徐有贞作了相同的水箱放水实验,并得到了某些类似的结论。徐有贞于景泰三年(1452年)官左佥都御史,赴山东治理黄河,在今阳谷县张秋镇“相度水势,条上三策:一置水门,一开支河,一浚运河”[3]。为了决断这三策中哪个为上,他做了水箱放水实验。明代方以智在其著《物理小识》中记述道:
“徐有贞张秋治水,或谓当浚一大沟,或谓多开支河,乃以一瓮窍方寸者一,又以一瓮窍之方分者十,并实水开窍,窍十者先竭。”[4]
这里的瓮也就是水箱。从方以智的记述看,似乎并未指明两瓮开孔窍的面积应相等。其实不然,按照中国文化传统,比较事物的快慢、大小、多少等问题时,必然要以等距、等积、等容为前提。《孟子•告子下》写道:
“金重于羽者,岂谓一钩金与一舆羽之谓哉?”
因此,方以智记载的两个瓮,一个开一大孔,孔面积为一方寸;另一个开十小孔,以方分为单位,其总面积理所当然也应为一方寸。这样,才谈得上比较这两个瓮的水哪个先放完。方以智的记述遵循中国传统的文字表述方式。
从方以智的记载看,开方寸的大孔似以正方形为最简便;而开方分的十个小孔,从理论上看其边长各为?分,这个数值对于开孔而言并不易精确,各个小孔很可能是面积为10平方分(2分*5分或1分*10分)的矩形孔。假设,两瓮均为内半径一尺的圆柱形容器,起始水高均为2尺,取大孔、小孔的放水系数分别为0.61和0.63,则计算可得,开10个小孔得瓮比开一个大孔得瓮早约6秒将水放完[5]。由此可见,徐有贞的水箱放手实验与彭赛列等人完全相同。从实验要求的小孔尺寸到实验结果都基本一致。徐有贞是世界上最早做这种水箱放手实验的人。当然,徐有贞并非通过这个实验去测定放水系数,其时中国学者也没有“放水系数”的物理概念。再则,小孔出流与河渠明槽流是完全不同的两类流体力学问题,徐有贞试图以前者的实验证明后者分水的主张,从今天的力学观点看是更本行不通的。好在其时其人尚无今日这般“麻烦”,因而徐有贞的水箱放手实验终于成功了。
Q=CA=0.6A
式中,C或0.61为放水系数,它是从开孔面积与其理想流速中计算而得的放水量和实际放水量之比值;A是小孔面积,H为水箱内水面高度。实验发现,当小孔直径小于1英寸时,放水系数会随孔径的减小而稍有增加[1];当两箱的h与A相同时,孔口形状与孔缘的锐利程度也会影响放水系数,而且放水系数随以下几种孔口形状而依次增大;圆形、正方形、三角形、矩形[2]。这就是说,矩形小孔的放水系数最大,当先将水箱内的水放完。
大约比欧美的这些实验早400年,明代水利专家徐有贞作了相同的水箱放水实验,并得到了某些类似的结论。徐有贞于景泰三年(1452年)官左佥都御史,赴山东治理黄河,在今阳谷县张秋镇“相度水势,条上三策:一置水门,一开支河,一浚运河”[3]。为了决断这三策中哪个为上,他做了水箱放水实验。明代方以智在其著《物理小识》中记述道:
“徐有贞张秋治水,或谓当浚一大沟,或谓多开支河,乃以一瓮窍方寸者一,又以一瓮窍之方分者十,并实水开窍,窍十者先竭。”[4]
这里的瓮也就是水箱。从方以智的记述看,似乎并未指明两瓮开孔窍的面积应相等。其实不然,按照中国文化传统,比较事物的快慢、大小、多少等问题时,必然要以等距、等积、等容为前提。《孟子•告子下》写道:
“金重于羽者,岂谓一钩金与一舆羽之谓哉?”
因此,方以智记载的两个瓮,一个开一大孔,孔面积为一方寸;另一个开十小孔,以方分为单位,其总面积理所当然也应为一方寸。这样,才谈得上比较这两个瓮的水哪个先放完。方以智的记述遵循中国传统的文字表述方式。
从方以智的记载看,开方寸的大孔似以正方形为最简便;而开方分的十个小孔,从理论上看其边长各为?分,这个数值对于开孔而言并不易精确,各个小孔很可能是面积为10平方分(2分*5分或1分*10分)的矩形孔。假设,两瓮均为内半径一尺的圆柱形容器,起始水高均为2尺,取大孔、小孔的放水系数分别为0.61和0.63,则计算可得,开10个小孔得瓮比开一个大孔得瓮早约6秒将水放完[5]。由此可见,徐有贞的水箱放手实验与彭赛列等人完全相同。从实验要求的小孔尺寸到实验结果都基本一致。徐有贞是世界上最早做这种水箱放手实验的人。当然,徐有贞并非通过这个实验去测定放水系数,其时中国学者也没有“放水系数”的物理概念。再则,小孔出流与河渠明槽流是完全不同的两类流体力学问题,徐有贞试图以前者的实验证明后者分水的主张,从今天的力学观点看是更本行不通的。好在其时其人尚无今日这般“麻烦”,因而徐有贞的水箱放手实验终于成功了。