非风摇石石摇风——漫话风动石与平衡石

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　　是石是星丽太空，非风摇石石摇风。

　　云根直缔槐杓上，月馆堪梯小八鸿。

　　这是明代诗人文三俊关于风动石的诗句。风动石，又名兔石，是一种自然奇观，通指倾斜悬立的巨石，与地面接触面积很小，风吹则石动摇摇欲坠，但又不会跌落悬崖。

　　造化原来一只丸，东封幽谷万层峦，

　　天风吹向关中坠，海飚还得逐势转。

　　五丁欲举难为力，一卒微排不饱餐。

　　鬼神呵护谁能测，动静机宜在此观。

　　这是明朝督抚程朝京，为福建漳州东山风动石所题写的一首七言律诗。福建漳州东山风动石以奇、险、悬，而居中国风动石之最。早在明代张岱的《夜航船·荒唐部》记载：“漳州鹤鸣山上，有石高五丈，围一十八丈，天生大盘石阁之，风来则动，名风动石。”石体正面，有明朝武英殿大学士黄道周所题“铜山风动石”大字，笔力雄浑遒劲。

　　福建漳州东山县铜陵镇风动石

　　铜山风动石为花岗岩石质，高4.37米，宽4.57米，长4.69米，重约200吨，上尖底圆，状似仙桃，巍然“搁”在一块卧地凸起且向海倾斜的磐石上，两石的接触面仅为十余平方厘米。狂风吹袭可使巨石轻轻摇晃。如果找来瓦片置于石下，选择适当的位置，一个人就能把这硕大的奇石轻轻摇动起来。此时，瓦片“咯咯”作响，顷刻化为齑粉。站在风动石下面，有一种惊险的感觉，叹为天下奇观。
　　1918年2月13日，东山岛发生7.5级地震，山石滚落，屋倒人亡，可风动石却安然无恙。

　　“七七事变”后，日军企图搬走风动石，日舰“太和丸”用钢丝索系于风动石上，开足马力，可多条钢丝索被拉断了，风动石却纹丝未动，最后只得放弃这一企图。

　　风动石的奇妙之处就在于它前后左右重量平衡极佳，狂风吹来时，石体左右晃动，但倾斜到一定角度就不会再动了，故为风动石。为什么风动石会风吹石动摇摇欲坠，但又不会跌落悬崖?这要从力学稳定性的概念来分析。

　　稳定性概念最清楚的例子来自质点力学，可以由一个圆球位于不同的状态，得到形象地理解。以下4个图表示重力场中，球在不同形状表面上的状态：图A是稳定的，圆球在凹面上，当其偏离静止位置时，由于重力引发的阻尼效应，能自已回到原静止位置;图B是表面为水平的情况，其稳定性是中性的，圆球偏离其原始位置时，仍在水平面上;图C是不稳定的，圆球在凸表面上时，对其静止位置的微小偏离都会使球继续偏离，远离原静止位置;图D表示稳定与否取决于扰动强度，圆球对于小扰动稳定，对于大扰动不稳定，这种情况称为条件稳定。

　　图A 稳定

　　图B 中性稳定

　　图C 不稳定

　　图D 条件稳定

　　铜山风动石虽动不倒，可看成是第四种情况，大风吹来引起的扰动強度仍在条件稳定允许的阈值范围内，所以摇晃后，还会回到原静止位置。同样，1918年的地震引发的铜山风动石的扰动強度也是在条件稳定允许的范围内。

　　世界上许多国家都有风动石，下面是从网络搜到几个风动石例子：

　　澳洲的风动石

　　非洲的风动石

　　风动石是怎样形成的?

       地质学家认为风动石的成因，有异地与原地之分。异地成因的风动石就是从异地滚来的大石球(块)，如冰川搬运来的，地震时山崩滚下来的，洪水冲下来的等等。而大多数风动石是原地形成的，即通过差异性风化、剥蚀而来。坚硬的、难风化的、不破碎的、裂隙少的岩石留存下来，而压在其下的软弱的、破裂多、易碎的、易水溶的岩石被剥蚀搬运而去，随着上下岩层之间的接触面积越来越小，景观就越来越奇。地震是摧毁风动石的最大杀手。如果由于其种原因，使风动石的力学平衡被破坏，也就会轰然倒塌损坏。

　　许多国家将风动石当作旅游资源开发利用，如我国福建东山县的铜山风动石现在是中国4A级风景区。笔者正因为2006年曾去铜山风动石参观，才思考风动石的力学道型理，写就这篇文章。

　　2006年参观铜山风动石

　　有的国家还将风动石加以修饰一番，以吸引旅游者。

　　缅甸将风动石漆成金色，并在顶上加盖了佛塔

　　葡萄牙在两块风动石之间盖上房子

　　天然形成的风吹可动又不倒的岩石，被称之为风动石，而不叫平衡石。平衡石(或平衡岩)当狂风吹时并不会动，其上下部岩石连接在一起，上部岩石的重心稳稳落在与下部岩石的接触区域内，也常形成很著名的旅游景色，如河北承德捧槌山，安徽黄山飞来石，贵州梵净山蘑菇石。

　　河北承德避暑山庄旁有座棒槌山，远远看去，像以前民间妇女捶打衣物的棒槌一样。现在山下已有空中缆车直达棒槌峰下，到了峰下再顺山坡攀登，就可以到达山跟前。因民间有“摸到棒槌山，活到一百三”的传说，前来观光旅游的人，多想要亲手摸一摸棒槌山。

　　河北承德捧槌山

　　安徽黄山千岩万壑，有许多灵幻奇巧的怪石，其形成期约在100多万年前的第四纪冰川期，飞来石奇观位于光明顶西北方，“飞来石”并非天外飞来，它与下部的基座平台原系一体，都是由黄山岩体的中细粒斑状花岗岩所构成;在山体的不断抬升中，由于风化剥蚀，冰川流水和重力崩塌，使四周岩块逐渐被剥离脱落，基座平台面上的接触面变得很小，最终形成了兀立于高座平台之上的“飞来石”奇观。有诗云：“策杖游兹峰，怕上最高处。知尔是飞来，恐尔复飞去。”

　　安徽黄山飞来石

　　梵净山是著名的佛教名山，位于贵州省铜仁市的印江自治县、江口县、松桃自治县交界处，为武陵山脉的主峰，海拔2494米。原始生态保存完好，1982年被联合国列为一级世界生态保护区，2012年被国家旅游局批准为国家4A级旅游景区。蘑菇石是梵净山的著名景点。

　　贵州梵净山蘑菇石

　　加拿大东海边的平衡石

　　参考文献
       1. 王振东，野渡无人舟自横—谈流体流动中物体的稳定性，力学与实践，1992，14(4):76-78
　　2. 王振东，风乍起、吹皱一池春水—谈流体运动的不稳定性，力学与实践，1994，16(5):77-78
　　3. 刘延柱，关于白行车的稳定性，力学与实践，2012，34(2):90-93
　　4. 王振东，介绍《普朗特流体力学基础》，力学与实践，2010，32(6):126

　　来源：力学园地(imech.blog.kepu.cn)，作者：王振东，天津大学力学系