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1、中国古代简单机械PB02203110汪凯 机械的涵义 中国的机械工程技术源远流长 内涵丰富 成就至为辉煌 它与中华民族的形成和发展同步成长 对社会经济 文化的增长起着极其重要的作用 也为世界物质文化的进步增添了光彩 一般认为机械是机器与机构的总称 它的根本目的是完成预定的机械运动及完成特定的运动 即功能 然后才是省力 机械具有三大特征 第一 它是许多构件的组合体 第二 其各构件间具有确定的相对运动 第三 它能转换机械能或完成有效的机械功 凡具有以上三个特征的是机械 而仅具有第一 二特征的是机构 中国古代简单机械的特点 中国古代简单机械的产生和发展有它自身的特点 概括起来 有以下几点 第一 以农
2、业机械为主 第二 还有大量的与纺织业 冶铸业相配套的机械装备 第三 战事频繁使军事技术受到高度重视 对古代机械的发展也起着推动作用 总之 从农业 纺织 采矿 冶铸 交通 军事等方面均出现了用简单机械代替旧有工具的趋向 它们是以杠杆 斜面 滑动 轮轴等力学原理为基础发展起来的 因此 既提高了工效 又节省了劳力 在军事上 则提供了攻守兼备的新式武器装备 各式简单机械 这里的简单机械主要是指利用杠杆 斜面 螺旋 滑车 轮轴作功的简单机械 包括以下几种 一 杠杆杠杆是中国古代应用最普遍的简单机械 包括桔槔 藉车 衡器等 二 斜面与螺旋中国古代关于斜面与螺旋的利用比较早 主要有斜面 尖劈 螺旋几种形式
3、三 滑车与绞车以杠杆原理为基础 包括有滑车 辘轳 绞车等 这些机械在中国发明较早 应用也相当广泛 四 轮轴两物触地 在相同的条件下 滚动比滑动省力 这一力学原理 人类在很早以前就已经懂得利用 本文列举一些日常应用 看起来非常简单的轮轴机械 如车 石碾 石磙子 研朱 杠杆 1 桔槔 亦称吊杆 提升机械 这种机械结构简单 利用杠杆原理 在河边 井边竖一立木 或就地利用树叉 架上一根横木 一端绑上配重 石块 另一端系绳 或细杆 及汲水器 用这种机械灌溉 其功效当然比抱缶而溉要高得多 如图所示 由于它制作简易 使用方便 省力 因此用途很广 2 藉车亦称抛石机 与桔槔相同 利用杠杆原理作业 是一种攻守兼
4、备的战具 藉车的结构是 固定柱长为十七尺 埋于地下部分为四尺 臂长三十至二十五尺 用一根粗大的圆木做臂 而是用铁丝将几根较细的圆木捆绑在小于二十四尺的不能用 古人不是一起 既增强了臂的强度 又增加了弹性 支点放在臂的四分之三处 臂的一端叫上端 在其顶端系一装石用的马颊 马颊长二尺八寸 为了确保投石的速度与距离 以支点为中心 在臂的两边各装一个飞轮 名 困 它将人的部分拉力所形成的动能积蓄在飞轮之中 在抛石的一瞬间释放 以助石块抛掷 困的大小与抛石的距离 石块的大小 人的拉力有关 战争中需要远距离的投射 困就要做大些 拉的人也得多些 亦即 藉车之力而为之困 3 称衡器 相传起源很早 目前所见较早
5、的衡器实物是环形铜权 1975年在湖北江陵雨台春秋墓出土 约公元前5世纪以前 中国古代最早使用的衡器是天平 随着古代农业与商品经济的发展 衡器也在不断地变革 它由天平 不等臂秆到提系杆秤的这个发展过程是渐进的 在某一时期会出现各种衡器同时使用的情况 其后 不等臂秤逐渐被淘汰 而天平与提系杆秤则一直沿用至今 在使用不等臂秤时 无论是本端 重臂 或标端 力臂 的任意一边 增加重物或权 秤的平衡就会被打破 若在本端加重 则必垂 要保持衡的平衡 秤的提纽向本端移动 若衡的提纽在衡的中间位置固定不能移动 则移动本端的提系 向中心提纽靠拢 上述两种方法都是要维系衡的平衡 而后一种方法平衡的结果是 则本短而
6、标长 若在这种平衡状态下 两边又各加相等的重物 平衡再次被打破 则标下 标得权也 这里把力臂乘法码 等于重臂乘重物的扛杆原理 生动地描述出来了 斜面与螺旋 1 斜面同水平面成一倾角的平面 其倾角通称为升角 沿斜面提升物体比垂直提升要省力基于这一力学原理 古代宫殿建筑材料上运 斜面提升是一个很好的方法 而森林砍伐 木材外运 利用山坡滚动而下 可达事半而功倍之效 这种斜面省力的经验 早在日常生活中为古人所利用 古人利用这一原理制造的工具有杵臼和犁铧等 当杵下舂时 被舂的谷物沿臼壁斜推而上 这实际就是斜面提升 当谷物沿壁升到一定高度时 在自重与震动力的作用下 又回落到底部 被二次加工 如此往复 谷物
7、可脱壳或被加工成粉 如图犁铧 呈V字型 中间有一凸起的脊 使犁体略呈斜面 随着犁壁的使用 犁铧与犁壁相结合 成为真正的斜面体 这不仅改善了犁的入土性能 而且起到了翻垡 碎土的作用 2 尖劈为斜面利用的一种形式 其两平面必须成锐夹角 它的锐角越小 在相同作用力下 产生的劈力就越大 归纳起来 古代对尖劈的利用 主要有以下几方面 其一 用作工具 中国古代很早就懂得将尖劈与杠杆原理相结合 如陕西省风翔县秦公一号大墓 春秋中晚期秦国国君秦景公之墓 出土的一把青铜手钳 结构合理 扣合严密 大小与现代手钳相似 其后出现的剪 铡等工具 均属这一类 图为出土的铁剪 其二 用作兵器 从最原始的镞头 到铜 铁制的刀
8、 枪 剑 矛等冷兵器 无不与利用尖劈原理有关 其三 楔的应用 楔不仅可用于古代森林砍伐 也可以起紧固作用 中国古代许多宫殿建筑 可以不用铁钉 只用卯和楔 楔既起张紧作用 又起连接作用 关于这方面的事例 以榨油机最为典型 图为明代南方榨 3 螺旋具有螺纹的圆柱 或圆锥 体 也属斜面类简单机械 起增力 推进及连接的作用 中国古代把螺旋原理应用于实际生活中 其起源是相当早的 但以后在机械工程中 没有充分发挥它的作用 以致落后于西方 中国古代将这原理比较多的应用在古塔建筑中 著名的西安大雁塔 建于唐代高宗李治永徽三年 652 为方形砖塔 历经宋 明 清等多次修缮 现有七层 高64 1米 在塔内有限的面
9、积与空间里 修一螺旋式的楼梯 结构紧凑 游人可盘旋而上 直至顶层 还有流传中国民间久广的儿童玩具 竹蜻蜓 如图 用手搓蜒杆 使挺片呈螺旋状旋转 推动空气而飞升 这与现代直升机的螺旋浆原理极为相似 它约于18世纪传入欧美 被称为 中国陀螺 滑车与绞车 1 滑车主要构件为木架 滑轮 短轴及绳索 其核心构件是滑轮 滑车是用绳索绕在滑轮中间的槽内 滑轮中穿一短轴 两端固定在木架上 这种机械叫定滑轮滑车 春秋时滑车已扩大到用于军事方面 秦汉时期 滑车已被普遍使用 如成都东站东乡西汉墓出土的陶井 河南洛阳出土的汉陶井模型 图 及山东嘉祥桔槔画像石等 都有定滑轮装置的滑车 但不论哪一种滑车 都有一个共同的特
10、点 它们仅仅是改变了作用力的方向使施力比较容易 但并不省力 2 辘轳利用轮轴与杠杆原理相结合的简单起重机械 它的主要构件有木架 轮轴 曲柄及绳索 核心构件是轮轴 一头较粗 呈圆柱形 上装曲柄 另一头细长 支持在木架上 这种圆柱体本身不能单独绕轴旋转 而整个轮轴可以自由转动的方式恰好与滑轮 滑车相反 春秋战国 辘轳与滑车同时流行 并应用于农田灌溉 矿业开采 工程建筑 军事等方面 图取自 天工开物 3 绞车为古代起重机械 其结构与原理基本和辘轳相同 只是绞车手柄的回转半径比卷袖的半径要大得多 因此 它在提升重物时更省力 春秋战国时期的 木辘轳轴 实际上是绞车的卷轴 图 这是迄今中国发现的最早实物
11、其轴长250厘米 两头放出轴头 轴的两端各有两排疏密不同的孔 疏孔为6孔 密孔为14孔 疏f孔用于安装手柄 密孔沿轴一周均匀分布 以便在孔内镶嵌长木条 用这种方法 既减轻了整个卷轴的重量 又增大了卷筒轴的半径 改善了提升能力 轮轴 1 车轮轴机械中最典型的机械 早在商周 车已经是军事上不可缺少的装备 在春秋战国 车战已成为军事上一种主要的作战方式 双方交战 出动的战车 少则几十辆 多则上千辆 如 孙子 作战 篇所描述的 驰车千两 革车千乘 带甲千万 当时各诸侯国拥有的战车的多少 是该国军事实力强弱的一个重要标志 因此 有 千乘之国 之说 除此之外 有帝王 贵族用的车 有一般平民用的车 有运输用
12、的车 有独轮车 双轮车 三轮车 四轮车及多轮车 车成为中国古代轮轴机构中最为显著的一种系列机械 图为商代轮 2 石碾谷物加工机械和中国北方的盖种工具 从图可看出 石碾为圆轮形 也有的为圆柱体 无论哪一种形式 由于简单 方便 耐用 在农村一直沿用至今 3 石磙子每当秋季作物收割 翻耕 播种之后 紧接着就要用石磙子碾压 使种子很好地着床 有利于出芽 这种石磙子有两个小石轮 亦叫陀 中穿一细长的轴 工作时如 天工开物 乃粒 所说 用驴驾两小石团 压土埋麦 这种轮轴工具简单 实用 至今在北方一些农村仍沿用着 3 研朱朱砂加工机械 在柱下端固定一短轴 轴上穿一铁碾轮 短轴不能转动 而铁轮可绕轴旋转 轮下有一月牙形铁碾槽 立柱上端穿在一个三角架内 可动 如图 1987年4月 陕西省扶风县法门寺宝塔地宫发现了一件鎏金团花银锅轴 是碾茶的轮轴工具 制作精细 采用银制 对碾茶有利 可保持茶的原有品味 其形状与研朱的碾与槽几乎完全相同 就是在今天 这种工具仍可在中药房见到 陕西关中农民则用它来碾制辣椒粉 参考资料 中国科学技术史 机械卷 卢嘉锡总主编陆敬严华觉明分卷主编科学出版社2000年9月第1版 谢谢观看
