机械的形成与发展

机械的形成与发展江苏大学工业中心制作:刘会霞等工业系统认识实习（第六部分）地动仪东汉时期，中国发生地震的次数是比较多的，为了测定地震方位，及时地挽救人民的生命财产，公元１２６年，张衡在第二次担任太史令之后，就注意掌握收集地震的情报和记录，经过多年的潜心研究，终于在公元１３２年（东汉顺帝阳嘉元年），发明了世界上第一台测定地震方位的科学仪器——地动仪。张衡（公元78～139年）地动仪由精铜铸成,外形像一个大酒壶，中间的圆径八尺，顶上有突出的子,仪器的外表刻有篆文以及山，龟，鸟，兽等图形。仪器内部中央立着一根铜质都柱(上粗下细的棍关)。仪体外部周围铸着八条龙,头向下,尾朝上,按东、南、西、北、东南、东北、西南、西北八个方向布列。龙头和内部信道中的发动机关相连，每个龙头嘴里衔有一粒小铜珠。地上对准龙嘴处，蹲着八个铜蟾蜍，昂着头，张着嘴，当某处发生地震，都柱便倒向那一方，触动(牙机)，使发生地震方向的龙头张开嘴巴，吐出铜珠，落到铜蟾蜍嘴里,发出“当啷”声响,人们就知道哪个方向发生地震。仪器制成不久便测出顺帝永和三年二月初三在陇西发生的地震，可见仪器灵敏度相当高。张衡制成的地动仪是人类历史上的首创，是人类文明史上用科学方法认识地震的第一次勇敢尝试，它揭开了地震科学的新纪元。张衡的地动仪比外国同类仪器早诞生了近一千年。古波斯直到公元十一世纪才有类似地震仪器。近代的地震仪在公元1880年才制成，它的原理和张衡地动仪基本相似，但时间却晚了一千七百年。指南车指南车是古代一种指示方向的车辆，也作为帝王的仪仗车辆。指南车起源很早，历代曾几度重制，但均未留下资料，直至宋代才有完整的资料。它主要是采用差动齿轮的机械原理。车里面装有９个大小不同的齿轮，当两个齿轮拼合在一起时，一个齿轮向右转隔壁一个便相反地向左转，利用这个道理，可以使指南车上木仙人的那只手指向南方，当车轮向东转时，有的齿轮就反转，使手仍保持向南，所以不管车轮怎么转，手指可以永远指向南方。它指南的原理是：在使用时先人为地进行调整，使木仙人的手指向正南。若马拖着辕直走，则左右两个小平轮都悬空，车轮小齿轮和车中大平轮不发生啮合传动，因此木人不转，当然也不会改变指向。若车子向右拐弯，则车辕的前端也必向左，而其后端则必偏右。车辕的这种变化，会使系在车辕上的吊悬两小平轮的绳子发生相应的松紧，从而把左边的小平轮向上拉，但仍使它悬空着；而右边的小平轮则借铁坠子及其本身的重量往下落，从而造成了车轮小齿轮和大平轮的啮合传动。若车子向左转９０度，则在转弯时，左轮不动，右轮要转动半周。与右轮相连的小齿轮也就转半周，经过小平轮传动到大平轮，则大平轮将以相反的方向转动四分之一周（也即90度），这样木仙人在和车一起左转90度的同时，又由于齿轮的啮合传动右转了90度，其结果等于没有转动，所以它的指向仍然不变。车子向右拐弯的情况或其他运动情况的结果可以类推。指南车结构简单，其中要使车子无论怎么转动，木仙人的手臂始终指向南方，关键就在于中心大平轮和附足子轮或联或断的设计。这种设计体现了我国古代劳动人民和机械设计人员的高度智慧和创造能力。记里鼓车记里鼓车是配有减速齿轮系的古代车辆，因车上木人击鼓以示行进里数而得名，一般作为帝王出行仪仗车辆，至迟在汉代已问世。其工作原理是利用车轮在地面的转动带动齿轮转动，变换为凸轮杠杆作用使木人抬手击鼓。每行走一里击鼓一次，体现了我国古代机械技术的高度水平。关于记里鼓车的制造，《宋史·舆服志》有两项记载：一是宋神宗天圣五年（公元1027年）卢道隆制记里鼓车；一是宋徽宗大观年间（公元1107年到1110年），吴德仁再造记里鼓车。卢道隆记里鼓车的轮和齿轮如下：足轮二个，直径六尺，圆周十八尺；立轮（齿轮）一个，直径一尺三寸八分，圆周四尺一寸四分，齿距二寸三分，齿数十八个，下平轮（齿轮）一个，直径四尺一寸四分，圆周十二尺四寸二分，齿距二寸三分，齿数五十四个；旋风轮（齿轮）一个，齿距一寸二分，齿数三个；中平轮（齿轮）一个，直径四尺，圆周十二尺，齿距一寸二分，齿数一百个；小平轮、上平轮（都是齿轮）各一个，齿数分别是十个和一百个。记里鼓车的整个齿轮系是和车辆同行同止的。只要车轮一转动，整个齿轮系就随着转动；车轮一停下来，整个齿轮系也就随着停下来了。足轮直径六尺，转一周车行十八尺，足轮转一百周，车行一百八十丈，恰合一里之数。足轮、下平轮、旋风轮和中平轮等四个齿轮的齿数分别是十八、五十四、三、一百。车行一里，中平轮只转一周。在中平轮的轴上装上一个起凸轮作用的拨子，拨动木人的手臂，就可以使木人击鼓一次，也就是车行一里击鼓一次。如果再加上一个十齿的小平轮和一个一百齿的上平轮，每当车行十里的时候，上平轮才能转一周，它上面的拨子拨动另一个木人的手臂，使木人击镯一次。记里鼓车本身具有一套减速齿轮系使运动变慢，最后一根轴在车行一里或十里的时候才转一周；而指南车的齿轮系虽然比较简单，但是它是能自动离合的齿轮系，技巧又超过了记里鼓车。总之，这两种车，根据记载，在我国封建社会前期以及汉魏时期就已经出现，它体现了两千年前我国机械工程技术的高度水平，是我国古代技术的卓越成就。古代水力机械－水排水排是利用水力来驱动的一种鼓风机，是在距今1900多年的东汉初年由我国古代著名的技术发明家杜诗主持发明的。下图是元代王祯《农书》中所介绍的一种卧轮式水排。在一竖轴3的两端各装有一大型卧轮，即下卧轮1及上卧轮2，下卧轮为主动轮，上卧轮为从动轮；上卧轮前有一鼓形小轮即旋鼓7，上卧轮和旋鼓的轮周上绕以弦索4，即相当于现在的传动皮带；在旋鼓顶端装有一掉枝6，即相当于现在的曲柄；掉枝上安装有可以摆动的行桄5，即相当于现在的连杆，行桄的另一端和卧轴上的一个攀耳8相联，卧轴上的另一攀耳与排扇11间安装一根直木10，相当于复杆。这样当水流冲击下卧轮时，则带动上卧轮旋转。因上卧轮与旋鼓间有弦索相连，故上卧轮旋转一周，可使旋鼓旋转几周。旋鼓旋转，又带动顶端的掉枝旋转，从而使与之相连的行桄运动，行桄通过攀耳和卧轴带动直木往复运动，使排扇一开一闭，达到鼓风的目的。水排的创制，是我国较早利用曲柄连杆机构以及带传动原理的实例，它不仅在我国的科技史上留下了光辉的一页，而且在世界的科技史上也占有重要地位。在欧洲，到11～12世纪之间才出现使用水力鼓风设备的鼓风炉，到14世纪才普遍使用。古代水力机械－翻车翻车是由三国时著名的机械发明家马钧发明制造的一种农用灌溉机械，是我国过去1700多年来社会上应用最为普遍、效果最好的一种灌溉机械。下图是元代王祯《农书》中介绍的一种翻车。原动力为一个大水轮，中间并用两个大齿轮传递动力到上部的转轴。若水源较高，也可采用立式水轮。《农书》卷十九“灌溉门”有如下的记载：“水转翻车，其制与人踏翻车俱同，但于流水岸边掘一狭堑，置车于内，车之踏轴外端，作一竖轮。竖轮之旁，架木立轴，置二卧轮，其上轮适于车头竖轮辐支（按：相当长齿或为轮辐伸长的一段）相间。乃擗水傍激，下轮既转，则上轮随拨车头竖轮，而翻车随转，辄倒水上岸。此是卧轮之制。若作立轮，当别置水激立轮，其轮轴之末复作小轮，辐头稍阔，以拨车头竖轮，此立轮之法也。然亦当视其水势，随宜用之。其日夜不止，绝胜踏车。”翻车实为最早的链传动的实例，并同时起搬运水的作用，它是我国过去的1700多年来，社会上应用最广、效果最好的一种灌溉机械，至今有的地区仍可见到使用。古代计时装置－日晷日晷是一种利用太阳的射影来测报时间的计时器。很久以前，我们的老祖宗发现当太阳移动时，树影的位置和长短也在发生变化，而变化很有规律：早晨，太阳从东方冉冉升起，树影朝西，而且显得特别长；中午，太阳在正空中上高悬，这时的树影朝北，而且显得非常短；傍晚，太阳向西方缓缓落下，当太阳离地面很低时，树影朝东，而且越来越长。这个规律的发现，使我们的祖先找到了计时方法，这就导致了日晷的产生。日晷又称“日规”，通常是由铜制的指针和石制的圆盘组成。铜制的指针叫做“晷针”，垂直地穿过圆盘中心，起着圭表中立竿的作用，因此，晷针又叫“表”，石制的圆盘叫做“晷面”，安放在石台上，呈南高北低状，使晷面平行于天赤道面，这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。在晷面的正反两面刻划出12个大格，每个大格代表两个小时。当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，太阳由东向西移动，投向晷面的晷针影子也慢慢地由西向东移动。于是，移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此来显示时刻。日晷有一个最大的弱点：在阴天以及晚上就不能工作。因此逐渐退出了历史舞台。古代计时装置－漏壶漏壶是以漏壶滴水在刻箭上表示出时刻的记时器。漏壶一般由铜制成，它的历史可追溯到夏、商时期。早期的漏壶叫“沉箭壶”，一般是这样制作的：在壶底部钻一个孔，壶的中间竖着一根标有刻度的箭杆。使用时，壶里装满水。随着壶里的水慢慢地从小孔里往下滴漏，壶里的水平面也逐渐地下降，箭杆露出水面的部分则越来越长。古人就用箭杆露出水面的长度来计算时间，水面上箭杆上的刻度就表示时间数字。但这种壶水位高时，压力大，水漏得快；水位低时，压力小水漏得慢。漏速不均，记时也缺乏准确性。于是古人发明了“浮箭壶”。左图为中国元代延祐三年（1316年）制造的三级受水漏壶形“浮箭壶”，分日壶、月壶、星壶三级，下面还有一件受水壶。受水壶盖中央插铜尺一把，上面刻划十二时辰。铜尺前插放木质浮箭，下为浮舟，水积舟升，度尺计辰。它与原始漏壶相比具有明显的优势：上级漏壶可以补充下级漏壶的水量，以稳定下级漏壶的水压。延祐漏壶是三级漏壶的标本，它的水压较稳定，滴漏更均匀。这组漏壶原置于广州城拱北楼上，现藏于中国历史博物馆。古代计时装置－盂漏更香盂漏据说是唐朝的一个和尚发明的。制造使用原理是：在一个铜盂的底部穿一个小洞，把它放在水面上。水从洞中涌入盂里，盂里的水满到一定的程度，就会沉下去。于是，取出盂，倒掉水，再重复使用。铜盂的大小重量是有一定规格的，一般一个时辰（2个小时）沉浮一次。更香就是我们平常用的香作出刻度来计量时间。为了使更香的实用性更大，人们把香做得很长，并盘旋成各种形状，有的能连续燃十几天。有趣的是，有人还用更香做“闹钟”。他们在更香的某时某刻的地方悬挂一个小金属球，当香烧到这个地方的时候，金属球便会掉到接在下面的金属盘子里。这响声便提醒人们到了某时某刻了。古代计时装置－沙漏沙漏又称“沙钟”，是我国古代又一种计量时间的仪器。沙漏的制造原理与漏壶大体相同，它是根据流沙从一个容器漏到另一个容器的数量来计量时间。之所以采用流沙代替流水，是因为我国北方冬天天气寒冷，水容易结冰的缘故。最著名的沙漏是在1360年明初詹希元创制的“五轮沙漏”。据《明史天文志一》载：“明初，詹希元以水漏至严寒水冻辄不能行，故此以沙代水。然沙行太疾，未协天运。乃于斗轮之外，复加四轮，轮皆三十六齿”。其内部结构的复原图如下图所示。图中装置沙斗的原动轮称初轮，其上共装有16个斗，在初轮轴的一头，装上一个6齿的小齿轮，它带动具有36个齿的二轮。二轮轴的一头又装上一个6齿的小齿轮，它又带动具有36齿的三轮。这样依次传动，到四轮轴头上的小齿轮，则带动在水平面上旋转的中轮。中轮的立轴穿过测景盘。盘上刻十二时并分为百刻。立轴上端装置一个相当指针作用的云托日形横杆，云脚所到的地方就是应指的时刻。这种显示方法几乎与现代时钟的表面结构完全相同。此外，詹希元还巧妙地在中轮上添加了一个击鼓拨牙，以控制两个站在五轮沙漏两旁的木人。每到整点或一刻，两个木人便会自行出来，一击鼓，一鸣钲。这种沙漏脱离了辅助的天文仪器，已经独立成为一种机械性的时钟结构。古代计时装置－水运仪象北宋哲宗元佑初年，苏颂和韩公廉等所制的水运仪象台，是把浑象、浑仪和机械性计时器都组织在一个仪象台内。台上置浑仪、中间置浑象，下边制成五层楼阁，中立一机轮轴。机轮轴上部由称为“天束”的两根横梁约束住，下端放在一个枢臼中。机轮轴上穿装8个轮，位于天束上边的一个叫天轮，具有600个齿，和浑象的赤道牙相衔接（或间接带动浑象）。下边有一机轮，也有600个齿。其余六轮分为两类：一类是在轮上装有一定数目地拨牙（即凸