相风铜乌

常铖

喜欢邮票的朋友应该熟悉，1958年8月25日，中国人民邮政发行过一套《气象》邮票，其中一枚邮票上印制的图案就是“相风铜乌”。“相风铜乌”是我国古代一种测风向和风速的气象仪器，它能够在风中旋转，鸟头指向的方位便是风向，鸟嘴衔着的“花”能在风中旋转并舒展，用来指示风速，风速越大其延展得就越多。

古气象仪——相风铜乌的大家族

中國古人在气象学方面曾有着辉煌的成就，除相风铜乌外比较著名的还有量雨器、湿度计。

量雨器是中国古代一种重要的气象仪器，《后汉书》曾记载地方政府在每年的立春和立夏向中央政府报告雨量。在清代乾隆时期，政府还专门制成标准化的量雨器发放给地方政府以统一数据。量雨器由铜制成，高一尺，开口八寸，内有一根可以随水位升降的浮尺，人们可以通过浮尺上的刻度快速读出降雨量。

湿度是农业生产和气象预报中的一项重要指标，早在2000多年前中国古人就掌握了测量湿度的方法。在《淮南子》一书中就记载了琴弦会随湿度的变化而伸缩，古人还有通过皮制品上毛发的立伏来判断湿度的方法。其中，最重要的湿度计要数汉代的天平式湿度计，在天平的一端放木炭，另一端放相同重量的铁块。木炭因其多孔性，容易吸收和挥发空气中的水分，因此其重量随湿度变化明显，而铁的重量则不变。当天平偏向木炭端时说明空气湿度大，当天平偏向铁块时说明空气干燥。在15世纪的欧洲，达芬奇也曾发明过类似的湿度计。

接下来我们来细数测风仪器“相风铜乌”的发明。中国古代对风的测量要从 “伣”说起，“伣”字最早见于殷墟卜辞中，是一种通过在高杆上悬挂羽毛，并根据羽毛在风中飘动的情况来判断风向的方法。这种方法也被称为“五两”“八两”或“羽葆”。除用羽毛测量风向外，中国古人也有利用绸绫挂在杆上，观看绸绫飘动而判断风向的 “测风 旗”。

据《三辅黄图》记载，相风铜乌是由张衡发明的。张衡在一根约16cm高的直杆上放置一只衔着花的铜乌，外表装饰了黄金，下面有转动的枢轴，风吹时，铜乌会转过头来，迎着风，展开翅膀，好似正在飞翔。根据考古发现，相风铜乌除用于气象观测外，还常见于一些宅院甚至一些车辆船舶之上，作为一种常见仪器被广泛使用。

欧洲12世纪发明的“候风鸡”与相风铜乌的原理类似，公鸡脚下踩有一个与其一起旋转的箭头，公鸡嘴尖、头小、尾巴大，当风吹过时，鸡嘴所指的方向就是风向。

科技创新与后世影响——中国古代空气动力学的应用

“相风铜乌”看似结构简单，但其中蕴含着很深的科学原理。当风吹向相风铜乌时，风对鸟的头部和尾部都产生一定的压力，由于鸟头面积小，受到的风压就小，鸟尾面积大，受到的风压也就大，而且鸟头距转轴较近，鸟尾离转轴较远，于是相风铜乌就会在尾翼产生的风力矩下绕轴转动，当鸟头正好指向风的来向时，相风铜乌就会稳定在一个位置。

相风铜乌的结构是现代箭头式风向标的始祖，科技史学家李约瑟认为，“相风铜乌”是现代四转杯风速表的先驱。转杯风速计最早是由英国的鲁宾孙发明的，它的感风部分是由3个或4个互成120°或90°的抛物锥空杯组成，这些空杯朝向相同并位于同一个平面。整个感风部分垂直安装在高杆顶部的旋转轴上，在风力作用下感风部分就会旋转起来，并且转速与风速成正比。

相风铜乌是我国古代空气动力学应用的一个伟大尝试，它利用自身结构在风中旋转，与现代飞机在飞行过程中调整飞行方向、飞行姿态的原理是相同的。现代飞机的纵截面都是头尖尾阔的形状，只要过尾翼转向就能轻易改变力矩从而调整飞机的飞行方向。