祖冲之,字文远。出生于建康(今南京),祖籍范阳县(今河北省来水县),是南北朝杰出的数学家和天文学家。祖冲之发明了周转率和指南车。
祖之冲的发明盘点
圆周率、指南车、水磨、千里船、定时器
圆周率:
祖冲一生学习自然科学,主要贡献在数学、天文历法和机械制造三个方面。在刘辉探索周转率的准确方法的基础上,他首要次将“周转率”精算成小数第七位,即3.1415926和3.1415927之间的“祖先率”对数学研究做出了重大贡献。阿拉伯数学家阿尔·卡西直到16世纪才打破这一纪录。
指南车:
是一种用来指示方向的汽车。车内装有机械,车内装有木人。开车前,先把木人的手指向南方,不管车怎么转,木人的手总是指向南方。这种车的结构已经消失了,但根据文献记载,可以知道它是由齿轮驱动的结构制成的。传说黄帝在古代对蚩尤作战,曾经用指南车来辨别方向,但这只是一个传说。据历史文献记载,三国时期的发明家马钧曾制作过这种指南车,可惜后来失传了。公元417年,东晋将军刘宇(后宋开国皇帝)进入长安时,曾获得后秦统治者姚兴的旧指南车。车里的机器已经丢失了。当汽车行走时,人们只能转动木人的手,把它指向南方。后来齐高帝萧道的成就模仿了祖冲。祖冲制作的指南车内部部件均为铜。小道成就派大臣王僧虔、刘休两人去实验,结果证明其结构精巧,操作灵活,无论如何转弯,木人的手往往指向南方。
当祖冲制作指南车时,北朝有一个叫索宇的人来到南朝,声称他也会制作指南车。所以小道成也让他做了一个指南车比赛,在宫殿里的乐游花园和祖冲。结果,祖冲制造的指南车运行自由,但索宇制造的指南车非常不灵活。索宇不得不承认失败,并摧毁了他自己的指南车。
水碓磨:
祖冲之还制造了非常有用的劳动工具。看到劳动人民磨米磨粉费力,他创造了一种叫做水磨的粮食加工工具。古代劳动人民很早就发明了水礁和水磨。杜预在西晋初年进步,发明了“连机”和“水转连磨”。一个连机器可以驱动几个石杵一起落地捣米;一个水转连磨可以驱动八个磨同时磨。祖冲之在此基础上进一步完善,将水磨与水磨相结合,提高了生产效率。中国南方的一些农村地区仍在使用这种加工工具。
千里船:
祖冲之还设计制造了一种千里船。它可能是由于轮子激水的原理,每天可以行驶100多英里。
定时器:
根据春秋时期文献记载,祖冲之为齐武帝的第二个儿子萧子良制作了一个“武器”。古人用来警告自满的器具。当装置内没有水时,它是侧向的。里面装满水后,如果水量适中,它就会竖起来;如果水满了,它会倒向一边,把水倒出来。晋朝学者杜预曾试制过这种器具三次,但都没有成功;祖冲之模仿成功。由此可见,祖冲之对各种机械都有深入的研究。
祖冲的数学成就“祖率”
数学史上的原创——“祖先”
计算出祖冲之的圆周率(π)真实值在3.1415926和3.1415927之间,相当于准确到小数第七,简化为3.1415926。因此,祖冲入选世界纪录协会世界首要,将圆周率计算为小数第七。祖冲之也给出了圆周率(π)两种分数形式:22/7(约率)和355/13(密率),其中密率准确到小数第七。祖冲对圆周率值的准确计算是对中国乃至世界的重大贡献。后人用他的名字命名“祖冲的圆周率”,简称“祖冲的圆周率”。
圆周率被广泛使用,特别是在天文学和历法学中,所有涉及圆的问题都应该用圆周率来计算。在世界数学史上,如何正确推断圆周率的值是一个重要课题。中国古代数学家非常重视这个问题,研究得很早。在《周腿算经》和《九章算术》中,提出了直径为一周三的古率,固定圆周率为三倍,即圆周长是直径长的三倍。此后,经过历代数学家的不断探索,计算出的圆周率值越来越准确。
东汉张衡计算的圆周率为3.162。王蕃在三国时期计算的圆周率值为3.155。魏晋盛名数学家刘辉在注释《九章算术》时,创造了一种新的计算圆周率的方法——割圆术,将圆周率的值除以2,其近似值为3.14;并且说明这个值小于圆周率的实际值。刘徽之后,探索圆周率成就的学者,先后有南朝何承天、皮延宗等人。何承天获得的圆周率为3.1428,皮延宗获得的圆周率为22/7≈3.14。
祖冲认为,刘辉是秦汉甚至魏晋数百年来研究周转率最大的学者,但没有达到准确性,所以他进一步学习,探索更准确的价值。