中國古代機械史

中國古代機械史

中國是世界上機械發展最早的國家之一。中國古代在機械方面有許多發明創造,在動力的利用和機械結構的設計上都有自己的特色。許多專用機械的設計和套用,如指南車、地動儀和被中香爐等(見彩圖),均有獨到之處,古代金屬冶鑄技術發明時間較早,且技術精湛。如商周青銅器樸質雄渾,春秋青銅器纖細精巧,形成了中國古代青銅器的獨特風格。已發現的中國最早的青銅器如甘肅東鄉馬家窯出土的銅刀,距今已有4800年左右。

中國古代機械史

正文

中國是世界上機械發展最早的國家之一。中國古代在機械方面有許多發明創造,在動力的利用和機械結構的設計上都有自己的特色。許多專用機械的設計和套用,如指南車、地動儀和被中香爐等(見彩圖),均有獨到之處,古代金屬冶鑄技術發明時間較早,且技術精湛。如商周青銅器樸質雄渾,春秋青銅器纖細精巧,形成了中國古代青銅器的獨特風格。已發現的中國最早的青銅器如甘肅東鄉馬家窯出土的銅刀,距今已有4800年左右。

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春秋以前(公元前770年前) 在中國大約40~50萬年前就已出現加工粗糙的刮削器、砍砸器和三棱形尖狀器等原始工具。4~5萬年前出現磨製技術,許多石器已比較光滑,刃部也較鋒利,並有單刃、雙刃、凸刃、凹刃和圓刃之分。28000年前出現弓箭,這是機械方面最早的一項發明。公元前8000~前2800年期間出現了陶輪(制陶用轉台)。農具大約出現在公元前6000~前5000年,除石斧石刀外,還有石鋤、石鏟、石鐮、蚌鐮、骨鐮和骨耜。石斧和石刀上已有用硬質砂子磨削而成的孔。
夏代以前和夏代,先後出現了無輻條的輇和各種有輻條的車輪。殷商和西周時已有相當精緻的兩輪車(見中國古代車輛)。獨木舟和筏等水上運輸工具早就相繼出現。
新石器時代晚期,人們已能用石范和泥范鑄造簡陋的工具和武器。商殷時期,隨著手工業生產的發展和技術水平的提高,形成了燦爛的青銅文化。青銅冶鑄技術得到高度發展(見中國古代青銅冶鑄技術),青銅鑄件司母戊方鼎重達875千克,春秋時期的青銅鑄件曾侯乙尊盤已十分精細。
春秋至漢魏時期(公元前770~公元265) 這一時期是中國古代機械開始較快發展的時期。
春秋時期鐵器和生鐵冶鑄技術(見中國古代鑄鐵技術)開始出現。黑心可鍛鑄鐵、白心可鍛鑄鐵和鍛鋼的出現加速了由銅器向鐵器的過渡。春秋中期以後發明了失蠟鑄造法和低熔點合金鑄焊技術。戰國時期又有了疊鑄和錨鏈鑄造等工藝。西漢中期已煉出灰口鑄鐵,並出現了壁厚3~5毫米的薄壁鑄鐵件。鑄鐵熱處理技術也有所發展。
春秋時期出現弩,控制射擊的弩機已是比較靈巧的機械裝置。到漢代,弩機的加工精度和表面光潔度已達到相當高的水平。漢弩有1石至10石等八種規格,這些規格的形成表明機械製造標準在漢代已初步確立。弩機上留下了作工、鍛工、磨工等的名字(見弓和弩)。
戰國時期流傳的《考工記》是現存最早的手工藝專著,其中記有車輪的製造工藝。對弓的彈力、箭的射速和飛行的穩定性等都作了深入的探索。
漢代已有各類艦艇和大量的三四層艙室的樓船。有些艦船已裝備了艉舵和高效率的推進工具櫓。西漢時的被中香爐構造精巧,無論球體香爐如何滾動,其中心位置的半球形爐體都能經常保持水平狀態。
陸上交通運輸工具不斷發展。1980年出土的秦始皇陵銅車馬代表了當時鑄造技術、金屬加工和組裝工藝的水平。東漢以後出現了記里鼓車和指南車。記里鼓車有一套減速齒輪系,通過鼓鐲的音響分段報知里程。三國馬鈞所造的指南車除用齒輪傳動外,還有自動離合裝置,在技術上又勝記里鼓車一籌。自動離合裝置的發明,說明傳動機構齒輪系已發展到相當的程度。
東漢時已有不同形狀和用途的齒輪和齒輪系。有大量棘輪,也有人字齒輪。特別是在天文儀器方面已有比較精密的齒輪系。張衡利用漏壺的等時性製成水運渾象,以漏水為動力通過齒輪系使渾象每天等速鏇轉一周。公元132年張衡創製了世界上第一台地震儀,即候風地動儀。
漢代紡織技術和紡織機械也不斷發展,綾機已成為相當複雜的紡織機械。到三國時期,馬鈞將50綜(分組提放經線的綜片)50躡(踏具)和60綜60躡的綾機都改成50綜12躡和60綜12躡,提高了生產效率。馬鈞還創製了新式提水機具翻車,能連續提水,效率高又十分省力。
漢代的農具鐵犁已有犁壁,能起翻土和碎土的作用。漢武帝時趙過既已創製三腳耬,一天能播種一頃地。
兩晉至宋元時期(265~1368) 在這一時期,大型銅鐵鑄件和大型機械結構陸續出現。五代時鑄造的滄州鐵獅子重約40噸,宋代木結構水運儀象台高3丈5尺,寬2丈1尺(圖1)。

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唐宋時期機械製造已有較高水平。如西安出土的唐代銀盒,其內孔與外圓的不同心度很小,子母口配合嚴緊,刀痕細密,說明當時機械加工精度已達到新的水平。
在運輸工具方面,人力和水力並用,在技術上有進一步發展。南朝齊祖沖之所造日行百里的所謂千里船和南朝梁侯景軍中的160槳快艇,都是人力推進的快速艦艇。南北朝時期出現了車船。唐代的李皋對車船的改進起了承前啟後的作用。
水力機械也有新的進展,唐代已有筒車,從人力提水發展為水力提水。南宋末期又創造出先進的水轉大紡車。三、 五(錠)手搖(圖2)紡車曾是當時世界上比較先進的人力紡紗機具。元代薛景石所著《梓人遺制》是木工名家總結親身經驗之作,並詳細記述了當時通行的紡織機具和車輛,以古代著名的木製機械技術專著而留世。

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這一時期天文和計時儀器發展迅速。北宋蘇頌和韓公廉等製成的木構水運儀象台,能用多種形式表現天體時空的運行。它由水力驅動,其中有一套擒縱機構(見中國古代計時器)。水運儀象台代表了當時機械製造的高度水平,是當時世界上先進的天文鐘。元代的滾柱軸承也屬當時世界上先進的機械裝置。
明清時期(1368~1840) 明初的造船業已有很大進展。鄭和下西洋的船隊是世界上最大的船隊。鄭和所乘寶船長約137米,張12帆,舵桿長11米多,是古代最大的遠洋船舶。(見彩圖c)
當時的機械製造主要仍靠手工操作。大者如千鈞錨(圖3),是靠人工先鍛成四爪,然後依次逐節鍛接。小者如制針用的冷拔鋼絲,也用手工製成。

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明代已有活塞風箱。它是宋元木風扇的進一步發展。風箱靠活塞推動和空氣壓力自動啟閉活門,成為金屬冶鑄的有效的鼓風設備。
在明中葉或稍前,木帆船已能逆風行駛,並擁有全風向航行的能力。揚州立帆式風輪是將八扇縱帆等距裝置在八角形木架上,圍繞一個垂直軸鏇轉,並能自動調節帆面角度。這是中國古代獨具特色的木船風帆的進一步發展和運用。長期以來,中國沿海一帶多利用它推動翻車,以提取海水曬制食鹽(見中國古代風帆)。
機械技術的進步促進了學術研究。王徵於1627年編譯和出版了《遠西奇器圖說錄最》,介紹了西方機械工程的概況。來自西方的自鳴鐘表和水銃等也在一定範圍內得到流傳。1634~1637年宋應星編著和出版了《天工開物》,記錄了許多先進的工藝技術和科學創見。它反映出當時的農業和手工業的生產技術水平。記載了不少有關機械製造和產品性能的情況。內容涉及泥型鑄釜、失蠟法鑄造以及鑄錢等鑄造技術,還記述了千鈞錨和軟硬繡花針的製造方法、提花機和其他紡織機械以及車船等各種交通工具的性能和規格等。《天工開物》被稱為中國17世紀的工藝百科全書。
清乾隆年間宮廷造辦處曾製造大更鐘,它依靠懸錘重力驅動,並增添了精確的報更機構,加工精緻,富有中國民族特色。明清兩朝中國鐘錶工匠創製了不少新奇的鐘表。當時的廣州、蘇州、南京、揚州等,成為有名的製造鐘錶的城市。
參考書目
 劉仙洲編著:《中國機械工程發明史》第一編,科學出版社,北京,1962。
 杜石然范楚玉等編著:《中國科學技術史稿》上、下冊、科學出版社,北京,1982。
 自然科學史研究所主編:《中國古代科技成就》,中國青年出版社,北京,1978。

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