机械的形成与发展

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1、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 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78139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

2、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。

3、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

4、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。造成了车轮小齿轮和大平 轮的啮合传动。若车子向左转度 ，则在转弯时，左轮 不动，右轮要转动半 周方向转动四 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

5、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

6、和齿轮 如下： l足轮二个，直径六尺，圆周十八尺；l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； l旋风轮（齿轮）一个，齿距一寸二分，齿 数三个； l中平轮（齿轮）一个，直径四尺，圆周十是十个和一百个。 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

7、 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

8、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

9、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1112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

10、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

11、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

12、，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，

13、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

14、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

15、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