揭秘：古人以“冰道+水膜”运送故宫建造石料

明代用来建造紫禁城的石料动辄上百吨，工人竟然有车不使，用旱船；有路不走，靠冰道。有何玄机？中美学者的一项合作研究发现，除了当时的车辆不具备这种载重能力外，在低速重载的情况下，滑动比滚动更省力、更安全。该论文刊登在最新一期《美国科学院院报》上。

明代《两宫鼎建记》中记载：1557年，重达120吨的石块乘坐旱船，从房山大石窝地区的采石场出发，沿着人工冰道“滑行”了28天、70公里，最终来到紫禁城。

百吨巨石这一路究竟是如何滑行的呢？论文第一作者、北京科技大学机械工程学院副教授李疆向本报记者详细还原了石块“滑”船的场景：工人先是在运送石料的路上每隔一里左右掘一口井，到了隆冬滴水成冰的日子，从井里汲水泼成冰道；运输时，工人再取井水洒向冰面，让冰道表面瞬间形成一层“水膜”，再向前拉拽载有石料的旱船。

别小看这层“水膜”，它的作用相当于润滑剂，使得旱船与冰面之间的摩擦力骤然减小。李疆等人的实验表明，这种情况下所产生的动摩擦系数仅0.03，而普通冰面是0.22。如果要搬动120吨重的石块，“冰道+水膜”仅需50人；若是在土路和冰面上，至少分别需要1500人和330人。

李疆表示，不少经典文献普遍认为，古时以轮式车为代表的滚动运输方式，比滑动更先进。但是，车辆对路面要求比较苛刻，势必大兴道路，影响到故宫的建造工期。当时北京冬季的平均气温在零下5℃左右，冰道既结实又光滑。此外，16世纪末所使用的十六轮车，载重量最高约95吨。而修建紫禁城动用的巨石多为百吨级，最重的一块是摆放在保和殿后、刻着九龙戏珠的大石雕，超过300吨，比一架波音747还重。用旱船代替轮式车，说明此时古人已经意识到，在低速重载的情况下，“滑”船比拉车更省力、更安全。

还有分析称，采石场大多位于浅山，运往紫禁城一带基本是一路下坡，地形上也帮了忙。现在看来，故宫运石路虽是优中选优，仍行之多艰——极限速度只有每秒8厘米，而蜗牛每秒爬行约2厘米。

李疆告诉记者，这项研究源于一次旅游。去年夏天，她与清华大学摩擦学国家重点实验室副研究员陈皓生，陪同首次来访的普林斯顿大学机械与航空工程系教授霍华德·斯通参观故宫，期间三人对大石雕的运输问题颇为好奇。事后他们查阅文献，却未发现从工程科学角度进行相关分析的资料，三人因此决定一探究竟。