七、回转器的始祖“被中香炉”
在近代力学中，回转器被用以研究回转运动的特性。它由几个轴心线互相垂直的金属环构成，有几个金属环就称为有几个自由度。这些金属环结构，在物理学上被称为平衡环，在工程上被称为常平支架或万向支架。最内层的金属环轴心线上置一陀螺，或是一个具有较大重量的圆轮，如图1-32中的AA'轴上置陀螺或圆轮一样。中心具有陀螺或圆轮的整个金属环结构又称为陀螺仪或回转仪，它是航空、航海中不可缺少的仪器之一。如果在陀螺或圆轮位置换上盂形或半圆形容器，由于互相垂直的各个机环的转轴彼此制约，以及容器本身的重心影响，容器内所置放的任意形态的物质都不会发生倾倒、逸出的现象。这实质上就是古代中国人发明的所谓“被中香炉”。
图1-32 近代两种回转器
被中香炉又称卧褥香炉、熏球、木火通、香球、灯球等。它们的结构相同，名称是随其用途而变的。据《西京杂记》卷一记载，西汉长安巧工丁缓最早发明了这样的仪器：
长安巧工丁缓者……又作卧褥香炉，一名被中香炉。本出房风，其法后绝。至缓始更为之。为机环，转运四周，而炉体常平，可置之被褥，故以为名。
丁缓其人生平事迹，史籍均无记载。他可能是西汉宫廷中的巧匠。所谓“机环”，即轴心线相互垂直并活动接合的各层金属环。所谓“炉体常平”，是指内环轴上悬挂的容器时刻保持平衡位置，不会翻倒（见图1-33）。在这个容器内盛入引燃生烟的香草，并将该仪器放进被褥之中，以达到焚香除臭、熏烟灭虫的目的。这就是被中香炉或卧褥香炉。
图1-33 被中香炉及其机环示意图：①唐代银熏球；②明代铜熏球；③机环示意
收录于《古文苑》中的汉代司马相如（约公元前179—前118年）的《美人赋》一诗中有“金薰香，黼帐低垂”之句。据考，“金
”就是“香球，衽席间可旋转者”。可见，“金
”也是被中香炉。汉以后，历代典籍对被中香炉屡有记述，如唐代徐坚《初学记》，宋代洪刍《香谱》、赵令畤《侯鲭录》等。明代屠隆在《考槃余事》中记述卧褥香炉如下：
以铜为之，花文透漏，机环转四周，而炉体常平，可置之被褥。
明代田艺蘅在《留青日札》卷二十二中记述一种香球：
今镀金香球，如浑天仪然，其中三层关捩，轻重适均，圆转不已，置之被中，而火不覆灭，其外花卉玲珑，而篆烟四出。
这个香球，也是被中香炉。所谓“三层关捩”，就是三层机环结构。
除此之外，历代制作了其他用途的种种平衡环。宋代李昉《太平广记》引唐代张鷟的《朝野佥载》说，武则天如意元年（692年），来自海州的一位工匠“作木火通，铁盏盛火，辗转不翻”。所谓木火通，即今之火笼，是一种手提的烤火取暖器。在平衡环的内环轴上挂铁盂，内盛炭火，可取暖，且不用担心火炭因故掉落而烧毁衣物或烫伤身体。
宋代周密《武林旧事》、吴自牧《梦粱录》都是记述南宋京城旧事之作。在《武林旧事》卷二、卷九中，在《梦粱录》卷一、卷十三、卷十九中，都记述了一种可能是节日舞龙灯用的“灯球”，一种妇女佩挂的小巧的“香球”。舞龙灯用的灯球历代相传至今。将平衡环安装在木棍一端，其内环装上盛油脂的容器。无论舞灯人如何挥舞灯棍，灯球内灯火不会掉落。香球，类似前述田艺蘅的描写，在内环上装上一个雕孔半圆盒，盒内放香料。这两种器物，也就是明代王文禄在《海沂子》卷二中述及的“香球、滚灯”。王文禄说香球、滚灯“外虽旋转，而香烛原不动也”。
与这些文字记载相映成趣的是，考古界的确发现了许多平衡环。1963年在西安东南郊沙坡村发现四件唐代银熏球，其中两件内径为4.8厘米，有两个机环三个支轴。中国国家博物馆藏有明代铜熏球（见图1-33之②）一件，内径12.8厘米，也为两个机环三个支轴。北京文物工作者还曾收购一件清乾隆年间铜熏炉，内径为17.5厘米，这是有三个机环、四个支轴的平衡环。1970年又在西安南郊何家村发现了内径为4.5厘米，盛香料佩戴用的唐代银熏球（又叫葡萄花鸟纹银香囊，见图1-33之①），其内部结构与1963年在西安沙坡村发现的相同，或许它们出自同一个银匠或工艺师之手。还有许多这样的文物已流散于国外（见图1-34之①），如日本奈良正仓院收藏的唐代被中香炉；大英博物馆、肯普收藏馆（Kempe Collection）收藏的唐代银熏球，如同陕西出土的唐代银熏球一样；罗马圣彼得收藏馆（St. Peter Collection）珍藏的南宋时期的熏炉。李约瑟博士于1950年在巴黎市场上目睹欧洲人出售清代西藏制铜灯球，他因此购买并收藏了其中的一个（见图1-34之②）。这种西藏铜灯球有五个机环、六个支轴，是历史上自由度最多的一种平衡环。在机环中心装有壶形灯盏，盛上油供寺庙内点灯用。
类似中国的被中香炉在欧洲称为“卡丹吊环”（Cardan suspension）。因为意大利数学家和工程师卡丹（Jerome Cardan，或写为Gerolamo Cardano，1501—1576年）于1550年最早描述过它，但卡丹本人并未宣称自己发明了它。在他之前，画家达·芬奇曾绘制有关的简图，并设想将它用于航海罗盘上。在他之后，毕森（Besson，1501—1576年）于1576年、布兰卡（Giovanni Branca，生活于16、17世纪之间）于1629年分别设想过人坐其中的大平衡环或具有平衡环装置的马车，以便航海或旅行中安稳。然而，早在公元1237年，德·洪内库特（Villard de Honnecourt）已绘制了如图1-33之③所示的平衡环中机环图。但是，要想将这种发明上溯至公元前2世纪左右的亚历山大里亚或拜占庭时期，就缺乏根据和说服力了。值得注意的是，大约至迟在13世纪，中国的平衡环通过阿拉伯商人或犹太人已传播到欧洲。当时处于寒冷教堂内的教士已有手提木火通的。图1-34之①，过去被认为是欧洲人于13世纪使用手提火炉的实例，但从其外表造型等方面看，它显然是早期传播到欧洲的中国文物。可以说，西汉巧匠丁缓发明的被中香炉影响深远、流布极广。近代科学仪器回转器的始祖不是卡丹吊环，而是被中香炉。
图1-34 流散于欧洲的平衡环：①欧洲的铜熏炉；②清代西藏铜灯球的内部结构