1970年，西安何家村窖藏出土了千余件唐代文物，包含金银器皿271件，其中一件“熏球”颇为亮眼，名曰“葡萄花鸟纹银香囊”。

银质的球体灵动圆满，外壳镂刻着葡萄纹、花鸟纹。葡萄源自西域，纹饰不仅代表了累累硕果和盎然生机等吉祥寓意，也反映了唐代贸易繁荣和文化交流的盛况。

唐葡萄花鸟纹银香囊

图源：参考文献[1]

相传，安史之乱后，玄宗思念贵妃，命人前往马嵬（wéi）坡，却只得到“肌肤已坏，而香囊犹在”的讯息。何家村出土银香囊很可能就是杨贵妃“同款”，不禁引人遥想这段悲剧爱情。

唐朝人喜香是出了名的，恨不得在策马时，也能有芬芳相伴。但马背颠簸，香囊中的香料要如何才不会外洒呢？“葡萄花鸟纹银香囊”便完美解决了这一难题：无论香囊如何转动，内部的香料始终不易洒落。这令人惊叹的设计，究竟蕴藏着古人怎样的智慧与“黑科技”？

前世密码

香料不外洒的原因，与一种叫做“同心圆机环”的结构有关。同心圆机环由两层垂直相交的银质环构成，外层机环与外壳相连，内层机环分别与外层机环和盛放香料的焚香盂连接。这种结构能够保持整个焚香盂的稳定，不受外部晃动影响。

生活中，假如你正在“端水”，则必须靠手臂来保持碗中水的稳定。而同心圆机环就相当于用机械结构实现的“自动防抖手臂”。将机环两两相连接的转轴，用现在的话说，分别代表了坐标系中三个方向，提供了几乎是全方位的自由度。而最中间的焚香盂因为重力和转轴，可以始终保持开口向上，香料自然就不容易外洒。

今生技术

近千年以后，出现了一种和“同心圆机环”有着异曲同工之妙的仪器——陀螺仪。

1852年，法国物理学家傅科研制出了世界上第一台陀螺仪。这台陀螺仪中间是一个高速转动的部件，名为“转子”，被万向支架包裹。转子可以看成是香囊中间盛放香料的容器，万向支架则像当于同心圆机环。万向支架的存在保证了转子在高速转动时候的定轴性，也就是说，转子的旋转轴会保持在固定的方向不发生改变。

陀螺仪示意图

图源：图虫创意

这种陀螺仪的基本原理是“角动量守恒”：若一个系统不受外力影响，则该系统的总角动量（与系统质量分布、旋转半径、速度、方向有关）保持恒定。

当陀螺仪旋转时，不论整体如何转动，方向如何改变，里面高速转动的转子会遵守“角动量守恒”，努力保持原来的旋转方向、抗拒改变。这时，安装在万向支架上的感应元件就能检测出“外壳转了，但转子没跟上”的偏差角度，再通过机械或电子系统换算，把这个偏差转换成相应的结果。

手机能自动旋转屏幕，是因为陀螺仪感知到了设备的转动。

陀螺仪的技术发展到现在，已经从机械结构演进为光学陀螺仪、MEMS陀螺仪（微机电陀螺仪）等多种类型。在智能手机中，MEMS陀螺仪通过检测设备姿态变化，实现屏幕自动旋转功能；在AR设备中，当我们沉浸式体验游戏，陀螺仪捕捉到了头部的转动，实现画面视角的变化；在航天领域中，与空间站每一次成功对接、卫星每一次姿态调整也都是小小的陀螺仪在高速运作。

同心圆机环和陀螺仪虽然有着相似的结构原理，但在实际的使用逻辑上还是有一定区别的。同心圆机环利用的是焚香盂和香料的重力“自动校正”，保持器皿开口朝上，属于“被动适应”。而陀螺仪则依靠转子的高速旋转，通过角动量守恒，保持着转轴的“主动稳定”。

当我们在博物馆凝视葡萄花鸟纹银香囊时，看到的不仅是精美的唐代工艺，更是古人的智慧。而今天，科学家带着现代的技术，与过去对话，共同诠释科学的魅力。

参考文献

[1]《花舞大唐春——何家村遗宝精粹》，文物出版社2003年5月，P222

[2]《国家宝藏》第一季第四期

[3]王利强,宋菲君,任文杰.陀螺的分类、原理及应用现状[C]//中国仪器仪表学会.2004全国测控、计量与仪器仪表学术年会论文集（下册）.北京邮电大学电子工程学院;大恒新纪元科技股份有限公司;大连理工大学土木水利学院;,2004:238-244.

[4]崔玉祥.陀螺基本知识(一)[J].惯性世界,1995,(02):25-31.

作者：王梦天

编辑：Tiara

鸣谢：上海博物馆考古研究部副研究馆员戎静侃；中国科学院大学博士、高级工程师郭玮宏为本文提供科学指导。

题图图源：图虫创意

来源: 上海科技馆