第178章 物理定律（1/2）

显微镜下的细胞世界正被小心探察，而书院另一处场地——毗邻造船工坊的“格物验证场”上，一场关于宏观世界运行规律的、更为喧腾热烈的探究，也正渐入佳境。这里没有镜片的静谧聚焦，有的是绳索、滑轮、杠杆、水箱、各式各样的重物与测量工具，以及学子们被汗水浸湿的衣衫和因专注而发亮的眼睛。

起初，驱动这些实验的并非抽象的理论兴趣，而是实实在在的工程难题。造船工坊在建造“探海一型”时，遇到了如何将沉重的龙骨精准吊装就位、如何估算不同船材的浮力与承重、如何设计更省力的舵机与帆索系统等问题。盐场和农技站也需要改良水车、设计更高效的提水工具、计算土方与物料运输。

问题反馈到书院，云湛并未直接给出答案，而是将其转化为一系列探究课题：“欲省力吊装，需明杠杆之理；欲知浮沉，需究阿基米德之律；欲算物料，需通力学平衡。此等皆天地间固有之‘理’，有待我辈格而致知。”

他组织起一个以工学院和应用数学学子为主的“力学探究组”，由柳文渊协助统筹。探究从最简单的工具——杠杆开始。

验证场上竖起了坚固的木架，架设了不同长度的硬木作为杠杆，支点可调，两端悬挂着标有重量的石砣或沙袋。最初的实验杂乱无章：学子们随意改变支点位置、两边重量，记录下杠杆是否平衡、哪边下沉。

数据积累了不少，但规律似乎隐藏在混乱中。直到一位名叫李冶的学子（擅长数学）将多组数据整理成表，尝试寻找关系。他注意到，当杠杆平衡时，似乎“重量x距离”的乘积在两边有某种关联。经过多次验算和排除错误数据，他激动地向小组展示：

“诸位请看！若以支点为界，左侧物重乘以它到支点的距离，与右侧物重乘以它到支点的距离，在平衡时，两者数值极为接近！其差或在测量误差之内。”

这便是杠杆原理的雏形发现。小组立刻设计更精密的实验验证：使用更标准的砝码（用铜铸成规整立方体，由书院铁匠精心打造），用刻有精细刻度的木尺测量力臂距离，反复测试不同组合。结果反复证实了那个关系：力 x 力臂 = 阻力 x 阻力臂。他们甚至尝试用不同单位的重量和长度，发现只要单位一致，比例关系恒成立。

“此规律可称之为‘杠杆平衡律’！”柳文渊总结道，“其妙处在于，可用小力撬动重物，只需加长力臂即可。于吊装、起重、乃至日常使用撬棍，皆有指导之实。”

他们将此规律写成初步公式，并开始绘制不同杠杆类型（省力、费力、等臂）的示意图，标注力、力臂、支点。工匠们闻讯前来观看，亲眼见到一个孩童用力按下长杆一端，缓缓撬起一块需要两个壮汉才能搬动的石块时，无不啧啧称奇。“原来撬石头不是全靠力气，还得会用巧劲！”一位老木匠恍然大悟。

杠杆原理的成功，极大地鼓舞了探究组。他们顺势开始研究滑轮组。通过组合定滑轮与动滑轮，测量提升相同重物所需的拉力，他们总结出理想情况下（忽略摩擦）拉力 = 物重 \/ 承担重物的绳子股数 这一简化关系，并绘制了多种省力滑轮组的绕绳方式图。这些成果迅速被造船工坊采纳，用于设计帆索和吊装系统。

接下来是更具挑战性的浮力问题。这直接关系到“探海一型”的稳性与载重估算。探究组建造了一个大型水槽，用不同材质（木头、金属、陶土）、不同形状的物体进行沉浮实验。

起初，他们和许多人一样，认为物体的沉浮只与材质“轻重”有关。但很快发现矛盾：一块沉重的实心铁块下沉，而用同样铁皮制成的中空盒子却能漂浮；同一块木头，形状改变，吃水深度也不同。

困惑之际，云湛提示：“何不测量物体排开之水重？”他讲述了古人称量皇冠的典故启发。

他们改进了实验：将物体轻轻浸入盛满水的水槽，收集溢出的水并称重；同时精确称量物体本身的重量。大量的数据对比后，规律逐渐浮现：物体在水中所受的向上托力（浮力），等于其排开的水的重量。无论是浮是沉，这一关系似乎都成立。对于漂浮物体，浮力等于物体自身重量；对于下沉物体，浮力小于物体重量。

李冶再次发挥数学特长，尝试用公式表达：f浮 = p液 x g x v排（他们尚未精确定义密度p和重力加速度g，但用了“单位体积水重”和“排开体积”的概念来等价描述）。他们还通过实验发现，浮力方向总是竖直向上，且与物体形状无关（尽管形状影响v排），与液体种类有关（盐水浮力略大于淡水）。

这一“浮力定律”的初步总结，令造船工坊的匠师们如获至宝。他们开始有意识地计算船体不同载重状态下的排水体积，估算最大安全载荷，甚至讨论通过调整压舱物分布来改善稳性。