作者:王牟仁,青年力网专栏作家

漫谈唐宋机械:那个年代的中国,创造力也惊人-青年力

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“陀螺仪”香炉——唐代银质被中香炉

精巧的艺术珍品里蕴含着精妙的机械构造,当属1963年在西安沙坡村出土的唐代银质被中香炉。其球体外径50毫米,制作精细、镂刻雅致。被中香炉不仅是一种艺术珍品,从机构学的观点看,也是一项重要创造。它的球形外壳和位于中心的半球形炉体之间有两层或三层同心圆环。炉体在径向两端各有短轴,支承在内环的两个径向孔内,能自由转动。同样,内环支承在外环上,外环支承在球形外壳的内壁上。炉体、内环、外环和外壳内壁的支承轴线依次互相垂直。炉体由于重力作用,不论香炉在被子里怎么翻滚,香炉四周的环形支架都能保证香炉呈水平放置,丝毫不用担心火炭会倾覆。这种结构完全符合现代航空航海中使用的陀螺仪原理。

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以轮替桨——唐宋明轮船

说到航海,也就不能不说到船舶。车船是中国古代用人力驱动运转的明轮船,车船是在桨的基础上加以改进和设计的,桨用手力,而车船使用脚力,确为古代一项重大的船舶技术发明。《旧唐书·李皋传》有以下记录:“尝运巧思为战舰,挟二轮蹈之,朔风疾鼓,若挂帆席。”对车船的改进起了承前启后的作用。中国古车船仅作军用,而且只有在南宋时,得到较大规模的应用和推广。绍兴二年(1132)王彦恢制的战舰,“傍设四轮,每轮八楫,四人旋斡,日行千里”。匠高宣也是造车船的名匠,曾创造大小车船10余种,大型车船长20~30丈,吃水1丈左右,可容纳700~800人;中型车船一般承载200~300人。车船有2车、4车、5车、8车、9车以及23、24车等多种。宋朝最大车船长36丈,宽4丈1尺。

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唐国之风——唐宋水车

水可行舟,亦能运转机械。唐宋时期古代水力机械也有新的进展,唐代已有筒车,从人力提水发展为水力提水。筒车的水轮直立于河边水中, 轮周斜装若干竹木制小筒, 有达四十二管者。利用水流推动主轮; 轮周小筒次序入水舀满, 至顶倾出, 接以木槽, 导入渠田。最早的记载见于唐代, 宋以后逐渐推广。唐陈廷章《水轮赋》云:“水能利物,轮乃曲成。升降满农夫之用,低徊随匠氏之程。始崩腾以电散,俄宛转以风生。虽破浪于川湄,善行无迹;既斡流于波面,终夜有声。”功效显著,较人、畜力翻车为优, 一些地区沿用至今。唐朝水车已传到日本。829年,日本的“太政府符”专门谈及“应作水车事”,说:“传闻唐国之风,渠堰不便之处,多构水车。无水之地,以斯不失其利。此间之民,素无此备,动若焦损。宜下仰民间,作备件器,以为农业之资。其以手转、以足踏、服牛回等,备随便宜。”这一记载不仅是中日两国人民经济文化交流的绝好证明,也生动说明水车使用已成“唐国之风”。

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日拈百斤纱——宋代水力纺车

仅用水力帮助灌溉自然不能满足生产的需求,水转大纺车发明于南宋后期,元代盛行于中原地区,是当时世界上最先进的纺纱机械。水转大纺车专供长纤维加拈,主要用于加工麻纱和蚕丝。麻纺车较大,全长约9米,高2.7米左右。它与人力纺车不同,装有锭子32枚,结构比较复杂和庞大,有转锭、加拈、水轮和传动装置等四个部分。用两条皮绳传动使32枚纱锭运转。这种纺车用水力驱动,工效较高,每车每天可加拈麻纱100斤。水转大纺车是中国古代纺织机械方面的一个重大成就。

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机隐于内,规天矩地——宋代水运仪象台

水利机械的进步不仅推广在了农业和手工业生产上,也及时的应用在了天文观测的机械上。唐代开元年间,一行和梁令瓒设计制造的水运浑象。水运浑天仪是一具依靠水力而使其运转,能模仿天体运行的仪器,刻有二十八宿,注水激轮,每天一周,并可以测定时间。在水运浑天仪上,还设有两个木人用齿轮带动,一个木人每刻(古代把一昼夜分为一百刻)自动击鼓,一个木人每辰(合现在两个小时)自动撞钟。这是一个十分巧妙的计时机械,是世界上最早的机械时钟装置,最早将擒纵应用于计时的装置,是现代机械类钟表的祖先,比公元1370年西方才出现的自鸣钟威克钟要早六个世纪,这充分显示了中国古代劳动人民和科学家的聪明才智。英国著名科技史家李约瑟博士在《中国科学技术史》第四卷中说:高僧一行和梁令瓒所发明的平行联动装置,实质上就是最早的机械时钟,是一切擒纵器的祖先,走在欧洲14世纪第一具机械时钟的前面。

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百尺竿头更进一步,宋代机械制造方面最杰出的成就是1088年,苏颂、韩公廉制成带有擒纵机构的水运仪象台。“机隐于内 规天矩地” ——《宋史·天文志》对它的描述,突出地反映了处于巅峰时期的传统机械工程技术的水平。水运仪象台是集天文测量仪器和报时装置于一体的大型天文钟,由水力通过一组齿轮系统予以驱动和运行。

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水运仪象台高36.65尺,宽21尺,为截面方形的木结构建筑。其原动轮称作枢轮,边缘有水斗和铁拨子。顶部设杠杆装置,相当于钟表的擒纵机构,可控制枢轮作定速转动,在机械发展史上具有重要价值。计时装置称作昼夜机轮,经由木人及击钟、击鼓等方式,自动报时。上设浑象和浑仪,用来观测天象和显示天体运行。浑仪所处木屋有可开合的屋面板,与现代望远镜观测的可开启屋顶具有相同的作用。水流系由河车经筒车灌注到天河(受水槽)中,再经铜壶滴漏装置(天池,平水壶)驱动枢轮。昼夜机轮由传动齿轮通过昼夜钟鼓轮、昼夜时初正轮、报刻司辰轮、夜漏金钲轮和夜漏司辰轮来报时。浑象设有天轮,与昼夜机轮轴相接。浑仪设有环状齿轮(天运单环)和名为天毂的小齿轮,从而也可随着水轮运转。英国科技史家李约瑟在他的书中这样写道:“苏颂把钟表机械和天文观察仪器结合以来,在原理上已经完全成功。他比罗伯特·胡克先行了6个世纪,比方和斐(与胡克同被西方认为是天文钟表的发明人)先行7个半世纪。”

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