乾隆镂空转心瓶里的科学

周乾

（本文载于《科技日报》2022年11月11日第8版，有修改）

我国陶瓷制造史悠久，制造技艺高超，而清代是我国古代制瓷工艺的高峰时期，典型代表的瓷器即为转心瓶。转心瓶属于有旋转功能的瓷器，即在一个镂空的瓶内，套一个内瓶，内瓶内有转心装置。在转心装置转动过程中，观者通过外瓶侧面的镂孔，可以看到内瓶侧面的不断变化的画面。民国学者许之衡撰《饮流斋说瓷》载：“转心瓶，瓶之腹际玲珑剔透，两面洞见而瓶内更有一瓶兼能转动，似美术雕刻之象牙球者然”。故宫博物院藏天蓝地开光镂空粉彩转心瓶（图1），为清乾隆时期烧造，高73厘米，口径31厘米，足径28厘米。瓶外表面以天蓝色为底色，上绘青花蟠螭纹，颈部两侧对称饰以金彩螭形耳，四面腹壁有圆形开光，镂空处雕刻有五彩窗栏纱幔垂帐。该转心瓶不仅结构巧妙、色彩典雅、雕工细腻，而且还体现了丰富的科学内涵。

图1天蓝地开光镂空粉彩转心瓶

转心瓶组装的科学性：转心瓶由外瓶、内瓶及转心装置组装而成（图2）。外瓶由颈部、腹部、底座组装而成，各部分相连接处由铜质的铆钉固定。外瓶侧面开有镂孔，用以观察内瓶图案。外瓶颈部的内部用水平瓷板封严，瓷板上开有1个圆孔，用于铜导管插入。铜导管用于进水，而水流是转心装置的动力来源。瓷板底面有3个瓷销，用于固定内瓶。内瓶犹如一个倒扣的瓷杯，其顶面有4个开口，其中3个为长方形，与外瓶的瓷销对位卡固。内瓶顶面第4个开口为圆孔，且与外瓶颈部瓷板预留孔对应，主要用于铜导管的插入。由上可知，转心瓶各部件的铆固、卡固方式，保证了装置的牢固性；而瓷板及预留圆孔的设置，有利于保证水动力不流失。

图2转心瓶剖面图

装置设计的科学性：转心装置由竖轴、勺形铜叶片、齿轮、“L”形铜丝、十字铜片支架、铜导管、开关等部件组成。其中，竖轴位于内瓶中心，其上端被约束在内瓶顶面预留的凹槽内，下端插入底部十字铜片支架的中心孔内；竖轴中部、下部分别有勺形叶片、齿轮，均与之垂直向安装固定；铜导管由外瓶颈部瓷板、内瓶顶面预留的圆孔插入，其上部与瓷板顶面基本相平，下部位于某个勺形叶片的正上方；勺形铜叶片与铜导管呈斜向夹角，使得导管中的水流落在叶片上时，其部分冲力转为侧向转动力，带动铜叶片转动；齿轮包括8个齿，每个齿的侧面伸出1根“L”形铜丝；“L”形铜丝的立边外侧，与内瓶侧面有一定间隙，可插入画片。由上可知，勺形铜叶片为斜向布置，利于水流产生侧压力；竖轴、铜叶片、齿轮、“L”形铜丝为组合体，利于通过竖轴的转动，带动组合体的转动；画片不与装置固定，可灵活调换；以上均体现了装置设计的科学性。另十字铜片支架位于装置最底部，通过铆钉与内、外瓶固定；开关位于装置上部，为一根竖向操纵杆与水平铜条的组合体，用手拨动竖杆，可带动铜条盖住或打开铜导管的进水口。

展示方式的科学性：考虑水的冲力很小，转心装置使用的铜叶片很薄，竖轴、齿轮均为木制，图片为纸质或其他轻质材料，支撑图片的铜丝很细，以上使得各组件的总重量均很轻。在水流侧压力作用下，竖轴带动上述组件产生转动时，仅需克服轴端很小的静摩擦力（与各组件重量成正比）。水流速均匀，产生的侧向转动力基本不变，因而在匀速流动的小水压作用下，画片绕竖轴做匀速、缓慢转动，易于观者欣赏完整的画片内容，且没有视觉上的不适；画片与勺形叶片之间有内瓶侧壁“阻挡”，从而避免了水花溅到画片上；外瓶底座底部有开孔，使得上部注入的水从底座流出。易知，水力学、机械动力学、光学等科学知识均在转心瓶中得到了运用。

转心瓶的转动方法为：向大瓶颈内的瓷板处注水，水由铜导管流下，落到勺形叶片上，水的冲力带动叶片转动；叶片带动木轴、木齿轮转动；木齿轮带动8个铜丝转动；搭放在各铜丝侧边的立画因而产生了转动。观者可通过外瓶侧壁的镂空开光，不仅清晰地欣赏到内瓶表面的图案，还可看到围绕内瓶转动的各幅画片，且画片犹如走马灯般变化，产生妙趣横生的视觉效果。

需要说明的是，乾隆皇帝对陶瓷艺术有着极高的欣赏品味。而为迎合乾隆皇帝的心理，景德镇御窑厂不计工本，制作了各种新奇、精巧的陶瓷品，转心瓶由此而被创造。据清宫《各作成做活计清档》之“记事录”载，乾隆八年（1743）五月十七日，时任景德镇御窑厂督陶官的唐英“新拟得夹层玲珑交泰瓶等共九种”。在这里，“交泰瓶”即为转心瓶的一种。乾隆帝看这些瓷器后，下旨：“俱各留下，其新式玲珑巧工瓷器，不必照随常瓷器一样多烧”。由此可知，乾隆皇帝对唐英烧造的转心瓶是非常满意的。而实际上，烧造转心瓶费时达一年半之久，其工艺之复杂，装饰之华美，为任何朝代无法比拟。而其中多种科学知识的运用，则体现了我国古代工匠卓越的智慧。