中轴古建里的智慧与科技

“北京中轴线——中国理想都城秩序的杰作”今年正式列入《世界遗产名录》。在这条长7.8公里、世界最长的城市轴线上，由北至南依次分布着钟鼓楼、万宁桥、景山等15个遗产构成要素。它纵贯北京老城南北，始建于13世纪，形成于16世纪。这条“古都之脊”的建设过程，凝结了无数工匠的智慧，也闪耀着我国古代的科技光辉。

今年全国科普日期间，“科技中轴——北京中轴线上的科技”在北京科学中心开幕，通过17件展品，揭秘中轴线各遗产点中蕴藏的科技之光。

观展亮点

钟楼能“扩音” 声飘10公里

钟楼传声

曾经，人们判断时间需要“听”。浑厚的钟声仿佛是城市的脉动，钟楼的精准报时，为京城百姓的日常生活提供了刻度参照。

位于北京中轴线最北端的钟楼，始建于元代，最初是砖木结构。但由于它“身高”突出，容易遭到雷击，在元明时期经常发生火灾。于是，到了清代乾隆时期，钟楼改建为砖石结构避免失火，并将钟楼的高度加高至略高于鼓楼，同时起到了保护鼓楼的作用。而在设计建造的过程中，结合钟楼的功能需求，巧妙运用了共鸣、传声等声学原理，实现“钟响之时，都城内外，十有余里，莫不耸听”的震撼效果。

“但是如果现在到钟楼去参观，游客已经无法看到它扩音的机关所在。”北京科学中心策展开发部副部长宋男迪说，在民国时期，钟楼不再需要履行报时的功能，被改建为电影院，原本在楼体内贯通一层与二层的直径约6米的天井就此封闭。而正是这处天井，让钟楼变成了一个“大音箱”。

展厅内的钟楼模型，通过分贝仪的测试，直观展现了钟楼结构的巧妙设计。撞击悬挂在钟楼二层的大钟，钟声先从二层开设的4个券洞直接传出。同时，天井光滑的内壁可以实现声波最小损失的反射、散射、干涉，形成共鸣腔体，传至一层，一层的4个券洞再向外传声。这样一来，鼓楼就形成了有8个“喇叭”的巨大扩音器。如果关闭天井，分贝仪显示的数据则明显下降，这说明了天井对钟楼传声的重要作用。

“这种对声学原理的运用，即使是用我们今天的视角来审视，也是非常精妙的。”宋男迪说，利用声波叠加增强干涉，这与人们远距离呼喊时用手聚拢声音的原理相同。在数百年前，没有高层建筑阻挡和现代城市噪声干扰的环境下，钟楼的钟声可悠扬飘至10公里外，传遍北京内外城的角落。

屋顶有弧度 雨水“跑”得快

安檐滴翠

水遗南路

方形和圆形为我国古代工匠所钟爱，这是因为在传统观念中，圆形代表天宇，而方形代表大地。天文学和数学著作《周髀算经》中记载，“万物周事而圆方用焉，大匠造制而规矩设焉”，这正是我国古人运用规矩方圆之道进行规划设计的最佳注脚。

在“圆中方韵”展品前，宋男迪找到一个最合适的欣赏角度。如果把太庙的大殿正面梁柱看作一个个正方形，它们之间能找到清晰的内切圆、外切圆关系。“这有点像现在一些产品商标设计的理念，通过方圆之间的切割，构成一个和谐的结构。”宋男迪表示，这样的方圆构图比，能让古建的设计建造变得标准化、模数化、装配式。一座建筑只要确定了斗口的尺寸和数量，就能很快计算出整座房屋需要多少梁柱、多少斗拱，准确完成建筑的搭建工作。

天安门城楼大殿为重檐歇山式屋顶，这是典型的中国古建筑样式。如果细心观察就能发现，这种屋顶并非采用斜面设计，而是划出了一定的弧度。为何工匠选择了这样的设计方案？1条笔直的斜线轨道与两条弧度不同的轨道，起终点高度差相同，展厅中“安檐滴翠”部分，3颗小球的“赛跑”，解答了这个问题。“我们小学就学过，两点之间线段最短，但最短的路程，会让小球最快地滑到底部吗？”宋男迪一边讲解，一边将小球摆放至“屋顶”，3颗小球同时滚下，其中一条弧线上的小球率先抵达终点。其实，这条弧线就是最速降线，又称旋轮线。适宜的弧度让小球在前半程取得较大的加速度，即使弧线的路程长于线段，下滑时间也会更短。它是由瑞士数学家约翰·伯努利在1696年证明的，但这一原理在我国的建筑中早有应用。

“这种弧度的屋檐，能让雨水尽快排到屋檐下，防止房屋结构被腐蚀。虽然背后的数学原理没有被证明，但我国的匠人经过实践，总结出了这个规律，并一直沿用下来。”宋男迪说，这也证明了，我国古代的工匠拥有很高的技术水平。

当前倡导的“海绵城市”概念，在北京中轴线的建设过程中也早有实际应用。展品“水遗南路”展现了中轴线南段道路遗存的剖面，石板路、碎石和植草沟组成的层叠结构，实现了“海绵城市”所提倡的“渗”“滞”作用。同时，与现代城市的水泥下垫面不同，无论使用青石板还是碎石，都可以满足通过土壤净化水质、改善城市微气候的功能。

冬至一缕光 巧穿皇穹宇

江山社稷，社为土神，稷为谷神。位于故宫西南侧的社稷坛，是明清皇帝祭祀太社和太稷的祭坛，以祈求国家与疆土永固。而在农业领域，二十四节气正是先民顺应农时，通过观察天体运行，认知一年中时令、气候、物候等变化规律所形成的知识体系。

事实上，二十四节气是由太阳与地球的位置关系，加上北京所处的经纬度所构建的。一组动态展品，直观展现了不同的气候和时令对应的日地位置，并将现代天文学的结论与我国古代度量日影长度的天文仪器——圭表相印证。

每年冬至正午，一缕阳光会从天坛皇穹宇的正门射入，经过地面反射，恰好照射到殿内“皇天上帝”的牌匾上，形成独特的冬至光。在展厅“皇穹光至”区域，一个缩小比例的皇穹宇模型和可调节的光线设备，复刻了这个现象背后的原理。在春分、夏至、冬至等不同时节，太阳所处的高度角不同。冬至时，太阳高度角较低，刚好可以通过反射照亮大殿中的牌匾。而拨动“地面”上的隔板，将光滑的镜面推走，换成粗糙的平面，这束神奇的冬至光即刻消失。“古代工匠对自然光线的运用十分精妙，颐和园十七孔桥的金光穿洞，也是一个著名的案例。”宋男迪说。

与古建相伴而生的还有北京雨燕，由于北京雨燕的脚趾生理结构特殊，不像普通的鸟类可以方便地抓握树枝，四趾朝前的形态更便于它们在建筑上攀爬、起飞，因此，古建筑成了它们的重要栖息地。雨燕伴古建，已经成为北京一张独特的文化名片。

闸门重两吨 开合很轻松

箭楼千斤

曾经，正阳门箭楼是北京重要的城市军事防御建筑，而箭楼内的千斤闸就是守护京城安全的利器之一。但如此沉重的闸门，怎样才能实现轻松开合，“箭楼千斤”展品可供观众亲身体验。

虽然现在的正阳门箭楼中，千斤闸的部分木质结构已经朽而不存，但策展团队还是通过查阅史料记载，复原了千斤闸的模型。贯柱、贯梁、贯尺和滑车等结构，对应的就是现代物理学中力臂、定滑轮等概念。那么，不同粗细的贯柱、不同长度的贯尺，是否会影响提起千斤闸所需的力道？展品通过探究式的设计，用控制变量的方法，带领孩子们体验这套省力杠杆的设计过程。简单的结构，就能让守卫人员操控重量近两吨的闸门起降。

在讲述科技知识的同时，讲解员还通过历史与现实的对照，唤起观众的家国情怀。“正阳门箭楼上号称可以抵御千军万马的千斤闸，却无法阻挡八国联军攻入北京城的脚步，这是由于当时的百姓失去了对清政府的认可，带领侵略者绕过坚固的城门，从城墙的缺口进入北京城。”宋男迪表示，展览以古鉴今，重要的是培养青少年的科学态度和社会责任，基于对科学观念的深度理解，在探究实践的支撑下，通过科学思维内化而形成良好品格。

观展解码

首个解读中轴线科技的展览

“虽然在北京，以中轴线为主题的展览很多，但它们大多是基于文化历史角度展开的，专门围绕中轴线相关的科技主题进行深入挖掘的展览不多，这个展览做出了有益的探索。”宋男迪说，作为本市服务青少年的公益性社会科普教育基地，北京科学中心有责任填补这一空白。

于是，沿着北京中轴线的15处遗产点，策展团队开始了探索。“以钟楼为例，围绕我国古今的计时设备，钟鼓楼管理处已经策划了相关展览，所以我们在设计展品时，就选取了声学原理这个新的角度。我们希望通过这些展品，展现出不一样的‘科技中轴’。”宋男迪介绍。

策展团队还为每个展品取了意蕴深远的名称。钟楼传声、御苑梳流、彩画端美……展品设计在展现科普功能的同时，还与科学教育融合，实现科技、教育、文化“三合一”。声音的反射传播、光的直射和斜射、镜面反射和漫反射等科学原理，都与当前中小学的课程标准相对应。孩子们在课堂上学习了相关理论知识，再到场馆内亲手操作，就能对相关知识点有更深入的理解。围绕这些展品，北京科学中心还延伸出一系列科学探究课，如果觉得看展“不解渴”，还可以到研学课程中继续学习。

观展提示

●地点：北京科学中心2号馆5层展厅

●展期：长期设展

●票价：免费，持有效身份证件实名登记入馆

本报记者 刘苏雅 文 王海欣 摄 冯晨清 制图