达芬奇在各个领域的成就

说达·芬奇是一名伟大的画家并不准确,他是一个博学者,在绘画、音乐、建筑、数学、几何学、解剖学、生理学、动物学、植物学、天文学、气象学、地质学、地理学、物理学、光学、力学、发明、土木工程等领域都有显著的成就。

最初,人们学习科学知识也只是学习像《圣经》一样的亚里士多德理论,只相信文字记载。达·芬奇反对经院哲学家们把过去的教义和言论作为知识基础,他鼓励人们向大自然学习,到自然界中寻求知识和真理。他认为知识起源于实践,应该从实践出发,通过实践去探索科学的奥秘。

他说“理论脱离实践是最大的不幸”,“实践应以好的理论为基础”。达·芬奇提出并掌握了这种先进的科学方法,采用这种科学方法去进行科学研究,在自然科学方面作出了巨大的贡献。

他提出的这一方法,后来得到了伽利略的发展,并由英国哲学家培根从理论上加以总结,成为近代自然科学最基本的研究方法。达·芬奇坚信科学,他对宗教感到厌恶,抨击天主教那些掌权的为“一个贩卖欺骗与谎言者”。他说:“真理只有一个,他不是在宗教之中,而是在科学之中。”达·芬奇的实验工作方法为后来哥白尼、伽利略、开普勒、牛顿、爱因斯坦等人的发明创造开辟了新的道路。

天文

达·芬奇对传统的“地球中心说”持否定的观点。他认为地球不是太阳系的中心,更不是宇宙的中心,而只是一颗绕太阳运转的行星,太阳本身是不运动的。达·芬奇还认为月亮自身并不发光,它只是反射太阳的光辉。他的这些观点的提出早于哥白尼的“日心说”,甚至在当时,达·芬奇就可能在幻想利用太阳能了。

物理

达·芬奇重新发现了液体压力的概念,提出了连通器原理。他指出:在连通器内,同一液体的液面高度是相同的,不同液体的液面高度不同,液体的高度与密度成反比。

15世纪,他最早开始了物体之间的摩擦学理论的研究。他发现了惯性原理,后来为伽利略的实验所证明。他认为一个抛射体最初是沿倾斜的直线上升,在引力和冲力的混合作用下作曲线位移,最后冲力耗尽,在引力的作用下作垂直下落运动。

还预示了物质的原子原理,形象生动的描述了原子能的威力:“那东西将从地底下爆起,使人在无声的气息中突然死去,城堡也遭到彻底毁坏,看起来在空中似乎有强大的破坏力。”

光学

设想光的传播由中心向外传播;认为光和水波、声波的运动方式相似,并预见了多普勒效应;认为光的速度是有限的,早于同时期的科学家;设计并进行了针孔成像实验;根据眼球的构造和功能设计了光学仪器。

力学

达·芬奇强调力学和数学同样是自然科学的基础,并研究过许多力学问题。他根据实验和观测得出:重物沿它和地心相连的直线下落,下落的速度同时间成正比。在静力学方面,他严格确定了力矩概念:杆上街体的平衡“由它们的重量和距支点的距离决定”,由此总结出计算几何体重心的一般法则。

他已知道力的平行四边形法则。在用这一法则研究重物沿斜面运动中,他正确地得到摩擦力的定义。他在观察笔记中写道:物体“都不能自己运动……每个物体在其运动方向上都有一个重量”。物体运动时“对空气的压力等于空气作用于其上的力”。

在流体力学方面,他总结出河水的流速同河道宽度成反比,井用这一结论说明血液在血管中的流动。他还运用力学和机械原理设计了许多机器和器械,参加了运河、水利和建筑工程的设计和施工。他通过对鸟翼运动的研究,于1493年首次设计出一个飞行器。

机械

对机械世界痴迷不已。水下呼吸装置、拉动装置、发条传动装置、滚珠装置、反向螺旋、差动螺旋、风速计和陀螺仪……达·芬奇将他无数的奇思妙想呈现在世人面前。故事的开头不得不说起达·芬奇初到佛罗伦萨学画的经历。事实上,这段经历开启了艺术家达·芬奇的大门,也开启了科学家达·芬奇的大门。

佛罗伦萨圣母玛丽亚大教堂是文艺复兴建筑的开端。达·芬奇在安装穹顶灯塔上的巨型铜球时,亲眼目睹了三速提升机等机械装置的效率,深感其中的神奇。

1460年达·芬奇随父亲来到佛罗伦萨,开始了他的学徒生涯,同时开始学画。学画的达·芬奇参与安装佛罗伦萨圣母玛丽亚大教堂穹顶灯塔上的巨型铜球,由此接触并感受到了各式各样机械系统的神奇。

由此,布鲁内莱斯基的机械系统设计理念对达·芬奇产生了很大影响。当时一批锡耶纳工程师对达·芬奇的科学世界也产生了重要影响。工程师们设计了一种外形像船的河道淤泥挖掘机,用来清除浅水口的沙砾和淤泥,还有一种能够提高装载量又加快行驶速度的桨叶船。这些锡耶纳工程师的发明,让达·芬奇对机械的魔力产生了巨大的兴趣。

密码筒

看过《达·芬奇密码》的人大概都知道达·芬奇密码筒。而事实上在当时的社会,人们也越来越重视文件的保密工作。达·芬奇设计的这种密码筒造型古典,内涵着文艺复兴特质,设计优雅,符合达·芬奇的睿智风格。按照故事情节,密码筒里藏匿着关于郇山隐修会乃至整个基督教最大秘密的莎草纸。达·芬奇设计的密码筒内有一个装着醋液的容器,如果强行砸烂密码筒,醋液就会流出溶解莎草纸。

要打开密码筒,必须解开一个5位数的密码,密码筒上有5个转盘,每个转盘上都有26个字母,可能作为密码的排列组合多达11881376种。

机器人研究

设计出初级机器人。最为奇妙的是,达·芬奇还设计了一套方法以做心脏修复手术。

达·芬奇曾称自己没有受过书本教育,大自然才是他真正的老师。为了认识自然,认识自己,这位文艺复兴时期的天才不遗余力地探索着。为了认识人类自身,达·芬奇亲自解剖了几十具尸体,对人体骨骼、肌肉、关节以及内脏器官进行了精确了解和绘制。

令人惊讶的是,当年达·芬奇连人体循环系统工作机理的概念都没有。更为神奇的是,2005年一名英国外科医生还利用达·芬奇设计的方法做心脏修复手术。不过,解剖学的研究在当时并没有给达·芬奇带来声誉,而是遭到了无数的诽谤。

不过,就是有了对人体的这种深入了解,达·芬奇才在手稿中绘制了西方文明世界的第一款人形机器人。

达·芬奇赋予了这个机器人木头、皮革和金属的外壳,而如何让机器人动起来,才是让达·芬奇大伤脑筋的。他想到了用下部的齿轮作为驱动装置,由此通过两个机械杆的齿轮再与胸部的一个圆盘齿轮咬合,机器人的胳膊就可以挥舞,可以坐或者站立。更绝的是,再通过一个传动杆与头部相连,头部就可以转动甚至开合下颌。而一旦配备了自动鼓装置后,这个机器人甚至还可以发出声音。

原来,500多年前,就已经有了机器人的雏形。

机械车研究

点燃现代机动车发明灵感之火。达·芬奇长达1万多页的手稿(现存约6000页)至今仍在影响科学研究,他就是一位现代世界的预言家,而他的手稿也被称为一部15世纪科学技术真正的百科全书。

很早,达·芬奇就对当时的四轮马车不满。在他的科学世界中,早就有了机动车的影子。事实上,点燃现代机动车发明灵感之火的正是这辆“达·芬奇机械车”。

既然是机动车就要考虑动力问题,达·芬奇在机动车中部安装了两根弹簧以解决这个问题。人力转动车的后轮使得各个齿轮相互咬合,弹簧绷紧就产生了力,再通过杠杆作用将力传递到轮子上。

那么怎么控制车速呢?达·芬奇也想到了。他在车身上安装了一个圆盘装置,圆盘表面设置了很多方形的木块,和每个轮子连接的铁杆的另一端与圆盘相接,这就是用于控制车速的装置。圆盘上放置的木块数量越多,与铁杆之间的摩擦就会越大,阻力也越大,轮子的运转速度越慢,行驶的距离越长。

当然,达·芬奇也想到了刹车装置。位于齿轮之间有一个木块,拉动绳索将木块卡在齿轮之间,车就可以停止。不过,这辆汽车不能载人,因为仅靠弹簧的动力根本无法行驶很长的距离。

同时,达·芬奇还将弹簧巧妙地运用在了钟表设计上。后来大型钟表采用的原理,就是出自达·芬奇的设想。只是在这个设想中,弹簧的弹力被物体的重力所代替,物体向下的重力通过众多齿轮咬合作用被均匀传递,钟表便得以保持匀速运动。

此外,乐器、闹钟、自行车、照相机、温度计、烤肉机、纺织机、起重机、挖掘机……达·芬奇曾有过无数的发明设计,而这些发明设计在当时如果发表足足可以让我们的世界科学文明进程提前100年。

医学

达·芬奇在生理解剖学上也取得了巨大的成就,被认为是近代生理解剖学的始祖。他掌握了人体解剖知识,从解剖学入手,研究了人体各部分的构造。他最先采用蜡来表现人脑的内部结构,也是设想用玻璃和陶瓷制作心脏和眼睛的第一人。

他发现了血液的功能,认为血液对人体起着新陈代谢的作用,并认为血液是不断循环的。他说血液不断的改造全身,把养料带到身体需要的各个部分,再把体内的废物带走。达·芬奇研究过心脏,他发现心脏有四个腔,并画出了心脏瓣膜。他认为老年人死因之一是动脉硬化,而产生动脉硬化的原因是缺乏运动。后来,英国科学家哈维证实和发展了达·芬奇这些生理解剖学的成果。

考古

虽然他已经逝世了将近500年,但我们还记得在这个典型的文艺复兴时期的人,他的兴趣之一是化石的研究。在新的期刊论文Palaios,安德烈Baucon表明他是一个有“体化石研究的先驱,”或曾经生物遗骸,与“遗迹化石,如脚印”。

建筑

在建筑方面,达·芬奇也表现出了卓越的才华。他设计过桥梁、教堂、城市街道和城市建筑。在城市街道设计中,他将车马道和人行道分开。设计城市建筑时,具体规定了房屋的高度和街道的宽度。米兰的护城河就是他设计和监工建造而成的。1502年,达芬奇离开桑蒂西马·阿努佳塔后,就曾在声名狼藉的罗马教皇亚历山大六世之子凯撒·波吉亚手下担任过军事建筑师及工程师。

2019年美国麻省理工学院(MIT)师生采用3D打印技术,重现达·芬奇在1502年设计的桥梁方案,用微缩模型证明其具备可行性。按照设计图,桥梁长达240米,是当时世界上最长的桥梁。达·芬奇当时是应苏丹巴耶兹二世之请设计这座桥,可惜由于桥梁造型奇特,苏丹巴耶兹二世无法接受,使得这一设计草图被永久埋没。

军事

达·芬奇的研究和发明还涉及到了军事领域。他发明了簧轮枪、子母弹、三管大炮、坦克车、浮动雪鞋、潜水服及潜水艇、双层船壳战舰、滑翔机、扑翼飞机和直升机、旋转浮桥等等。2008年4月26日,在瑞士西部城市帕耶讷,36岁的瑞士人奥利维耶·维耶提-特帕使用由达·芬奇设计的金字塔型降落伞从距地面600米高的直升机上成功跳下。

水利

达·芬奇对水利学的研究比意大利的学者克斯铁列早一个世纪。为了排除泥沙,他作了疏通亚诺河的施工计划。他设计并亲自主持修建了米兰至帕维亚的运河灌溉工程。由他经手建造的一些水库、水闸、拦水坝便利了农田灌溉,推动了农业生产的发展。有些水利设施至今仍在发挥作用。

地质

达·芬奇根据高山上有海中动物化石的事实推断出地壳有过变动,指出地球上洪水的痕迹是海陆变迁的证明,这个思想与300年后赫顿在地质学方面的发现颇为近似。并且在麦哲伦环球航行之前,他就计算出地球的直径为7000余英里。