相風銅烏

常鋮

喜歡郵票的朋友應該熟悉，1958年8月25日，中國人民郵政發行過一套《氣象》郵票，其中一枚郵票上印制的圖案就是“相風銅烏”。“相風銅烏”是我國古代一種測風向和風速的氣象儀器，它能夠在風中旋轉，鳥頭指向的方位便是風向，鳥嘴銜著的“花”能在風中旋轉并舒展，用來指示風速，風速越大其延展得就越多。

古氣象儀——相風銅烏的大家族

中國古人在氣象學方面曾有著輝煌的成就，除相風銅烏外比較著名的還有量雨器、濕度計。

量雨器是中國古代一種重要的氣象儀器，《后漢書》曾記載地方政府在每年的立春和立夏向中央政府報告雨量。在清代乾隆時期，政府還專門制成標準化的量雨器發放給地方政府以統一數據。量雨器由銅制成，高一尺，開口八寸，內有一根可以隨水位升降的浮尺，人們可以通過浮尺上的刻度快速讀出降雨量。

濕度是農業生產和氣象預報中的一項重要指標，早在2000多年前中國古人就掌握了測量濕度的方法。在《淮南子》一書中就記載了琴弦會隨濕度的變化而伸縮，古人還有通過皮制品上毛發的立伏來判斷濕度的方法。其中，最重要的濕度計要數漢代的天平式濕度計，在天平的一端放木炭，另一端放相同重量的鐵塊。木炭因其多孔性，容易吸收和揮發空氣中的水分，因此其重量隨濕度變化明顯，而鐵的重量則不變。當天平偏向木炭端時說明空氣濕度大，當天平偏向鐵塊時說明空氣干燥。在15世紀的歐洲，達芬奇也曾發明過類似的濕度計。

接下來我們來細數測風儀器“相風銅烏”的發明。中國古代對風的測量要從 “伣”說起，“伣”字最早見于殷墟卜辭中，是一種通過在高桿上懸掛羽毛，并根據羽毛在風中飄動的情況來判斷風向的方法。這種方法也被稱為“五兩”“八兩”或“羽葆”。除用羽毛測量風向外，中國古人也有利用綢綾掛在桿上，觀看綢綾飄動而判斷風向的 “測風 旗”。

據《三輔黃圖》記載，相風銅烏是由張衡發明的。張衡在一根約16cm高的直桿上放置一只銜著花的銅烏，外表裝飾了黃金，下面有轉動的樞軸，風吹時，銅烏會轉過頭來，迎著風，展開翅膀，好似正在飛翔。根據考古發現，相風銅烏除用于氣象觀測外，還常見于一些宅院甚至一些車輛船舶之上，作為一種常見儀器被廣泛使用。

歐洲12世紀發明的“候風雞”與相風銅烏的原理類似，公雞腳下踩有一個與其一起旋轉的箭頭，公雞嘴尖、頭小、尾巴大，當風吹過時，雞嘴所指的方向就是風向。

科技創新與后世影響——中國古代空氣動力學的應用

“相風銅烏”看似結構簡單，但其中蘊含著很深的科學原理。當風吹向相風銅烏時，風對鳥的頭部和尾部都產生一定的壓力，由于鳥頭面積小，受到的風壓就小，鳥尾面積大，受到的風壓也就大，而且鳥頭距轉軸較近，鳥尾離轉軸較遠，于是相風銅烏就會在尾翼產生的風力矩下繞軸轉動，當鳥頭正好指向風的來向時，相風銅烏就會穩定在一個位置。

相風銅烏的結構是現代箭頭式風向標的始祖，科技史學家李約瑟認為，“相風銅烏”是現代四轉杯風速表的先驅。轉杯風速計最早是由英國的魯賓孫發明的，它的感風部分是由3個或4個互成120°或90°的拋物錐空杯組成，這些空杯朝向相同并位于同一個平面。整個感風部分垂直安裝在高桿頂部的旋轉軸上，在風力作用下感風部分就會旋轉起來，并且轉速與風速成正比。

相風銅烏是我國古代空氣動力學應用的一個偉大嘗試，它利用自身結構在風中旋轉，與現代飛機在飛行過程中調整飛行方向、飛行姿態的原理是相同的。現代飛機的縱截面都是頭尖尾闊的形狀，只要過尾翼轉向就能輕易改變力矩從而調整飛機的飛行方向。