1、機械的形成與發展機械的形成與發展海商職業技術學校 東漢時期，中國發生地震的次數是比較多的，為了測定地震方位，及時地挽救人民的生命財產，公元年，張衡張衡在第二次擔任太史令之后， 就注意掌握收集地震的情報和記錄，經過多年的潛心研究，終于在公元年（東漢順帝陽嘉元年），發明了世界上第一臺測定地震方位的科學儀器地動儀。 張衡（公元78139年） 地動儀由精銅鑄成,外形像一個大酒壺，中間的圓徑八尺，頂上有突出的子,儀器的外表刻有篆文以及山，龜，鳥，獸等圖形。儀器內部中央立著一根銅質都柱(上粗下細的棍關)。儀體外部周圍鑄著八條龍,頭向下,尾朝上,按東、南、西、北、東南、東北、西南、西北八個方向布列。龍頭和內

2、部信道中的發動機關相連，每個龍頭嘴里銜有一粒小銅珠。地上對準龍嘴處，蹲著八個銅蟾蜍，昂著頭，張著嘴，當某處發生地震，都柱便倒向那一方，觸動(牙機)，使發生地震方向的龍頭張開嘴巴，吐出銅珠，落到 銅蟾蜍嘴里,發出“當啷”聲響,人們就知道哪個方向發生地震。儀器制成不久便測出順帝永和三年二月初三在隴西發生的地震，可見儀器靈敏度相當高。 張衡制成的地動儀是人類歷史上的首創，是人類文明史上用科學方法認識地震的第一次勇敢嘗試，它揭開 了地震科學的新紀元。張衡的地動儀比外國同類儀器早誕生了近一千年。古波斯直到公元十一世紀才有類似地震儀器。近代的地震儀在公元1880年才制成，它的原理和張衡地動儀基本相似，但時

3、間卻晚了一千七百年。 指南車是古代一種指示方向的車輛，也作為帝王的儀仗車輛。 指南車起源很早，歷代曾幾度重制，但均未留下資料，直至宋代才有完整的資料。它主要是采用差動齒輪的機械原理。車里面裝有個大小不同的齒輪，當兩個齒輪拼合在一起時，一個齒輪向右轉隔壁一個便相反地向左轉，利用這個道理，可以使指南車上木仙人的那只手指向南方，當車輪向東轉時，有的齒輪就反轉，使手仍保持向南，所以不管車輪怎么轉，手指可以永遠指向南方。 它指南的原理是：在使用時先人為地進行調整，使木仙人的手指向正南。若馬拖著轅直走，則左右兩個小平輪都懸空，車輪小齒輪和車中大平輪不發生嚙合傳動，因此木人不轉，當然也不會改變指向。若車子向

4、右拐彎，則車轅的前端也必向左，而其后端則必偏右。車轅的這種變化，會使系在車轅上的吊懸兩小平輪的繩子發生相應的松緊，從而把左邊的小平輪向上拉，但仍使它懸空著；而右邊的小平輪則借鐵墜子及其本身的重量往下落，從而造成了車輪小齒輪和大平輪的嚙合傳動。若車子向左轉度，則在轉彎時，左輪不動，右輪要轉動半周。與右輪相連的小齒輪也就轉半周，經過小平輪傳動到大平 輪，則大平輪將以相反的方向轉動四分之一周（也即90度），這樣木仙人在和車一起左轉90度的同時，又由于齒輪的嚙合傳動右轉了90度，其結果等于沒有轉動，所以它的指向仍然不變。車子向右拐彎的情況或其他運動情況的結果可以類推。指南車結構簡單，其中要使車子無論怎

5、么轉動，木仙人的手臂始終指向南方，關鍵就在于中心大平輪和附足子輪或聯或斷的設計。這種設計體現了我國古代勞動人民和機械設計人員的高度智慧和創造能力。 記里鼓車是配有減速齒輪系的古代車輛，因車上木人擊鼓以示行進里數而得名，一般作為帝王出行儀仗車輛，至遲在漢代已問世。其工作原理是利用車輪在地面的轉動帶動齒輪轉動，變換為凸輪杠桿作用使木人抬手擊鼓。每行走一里擊鼓一次，體現了我國古代機械技術的高度水平。關于記里鼓車的制造，宋史輿服志有兩項記載：一是宋神宗天圣五年（公元1027年）盧道隆盧道隆制記里鼓車；一是宋徽宗大觀年間（公元 1107年到1110年），吳吳德仁德仁再造記里鼓車。盧道隆記里鼓車的輪和齒輪

6、如下： l足輪二個，直徑六尺，圓周十八尺；l立輪（齒輪）一個，直徑一尺三寸八分，圓周四尺一寸四分，齒距二寸三分，齒數十八個，下平輪（齒輪）一個，直徑四尺一寸四分，圓周十二尺四寸二分，齒距二寸三分，齒數五十四個； l旋風輪（齒輪）一個，齒距一寸二分，齒數三個； l中平輪（齒輪）一個，直徑四尺，圓周十二尺，齒距一寸二分，齒數一百個； l小平輪、上平輪（都是齒輪）各一個，齒數分別是十個和一百個。 記里鼓車的整個齒輪系是和車輛同行同止的。只要車輪一轉動，整個齒輪系就隨著轉動；車輪一停下來，整個齒輪系也就隨著停下來了。 足輪直徑六尺，轉一周車行十八尺，足輪轉一百周，車行一百八十丈 ，恰合一里之數。 足輪

7、、下平輪、旋風輪和中平輪等四個齒輪的齒數分別是十八、五十四、三、一百。車行一里，中平輪只轉一周。 在中平輪的軸上裝上一個起凸輪作用的撥子，撥動木人的手臂，就可以使木人擊鼓一次，也就是車行一里擊鼓一次。 如果再加上一個十齒的小平輪和一個一百齒的上平輪，每當車行十里的時候，上平輪才能轉一周，它上面的撥子撥動另一個木人的手臂，使木人擊鐲一次。 記里鼓車本身具有一套減速齒輪系使運動變慢，最后一根軸在車行一里或十里的時候才轉一周；而指南車的齒輪系雖然比較簡單，但是它是能 自動離合的齒輪系，技巧又超過了記里鼓車。 總之，這兩種車，根據記載，在我國封建社會前期以及漢魏時期就已經出現，它體現了兩千年前我國機械

8、工程技術的高度水平，是我國古代技術的卓越成就。 水排是利用水力來驅動的一種鼓風機，是在距今1900多年的東漢初年由我國古代著名的技術發明家杜詩杜詩主持發明的。下圖是元代王禎王禎農書中所介紹的一種臥輪式水排。 在一豎軸3的兩端各裝有一大型臥輪，即下臥輪1及上臥輪2，下臥輪為主動輪，上臥輪為從動輪；上臥輪前有一鼓形小輪即旋鼓7，上臥輪和旋鼓的輪周上繞以弦索4，即相當于 現在的傳動皮帶；在旋鼓頂端裝有一掉枝6，即相當于現在的曲柄；掉枝上安裝有可以擺動的行桄5，即相當于現在的連桿，行桄的另一端和臥軸上的一個攀耳8相聯，臥軸上的另一攀耳與排扇11間安裝一根直木10，相當于復桿。這樣當水流沖擊下臥輪時，則

9、帶動上臥輪旋轉。因上臥輪與旋鼓間有弦索相連，故上臥輪旋轉一周，可使旋鼓旋轉幾周。旋鼓旋轉，又帶動頂端的掉枝旋轉，從而使與之相連的行桄運動，行桄通過攀耳和臥軸帶動直木往復運動，使排扇一開一閉，達到鼓風的目的。 水排的創制，是我國較早利用曲柄連桿機構以及帶傳動原理的實例，它不僅在我國的科技史上留下了光輝的一頁，而且在世界的科技史上也占有重要地位。在歐洲，到1112世紀之間才出現使用水力鼓風設備的鼓風爐，到14世紀才普遍使用。 翻車是由三國時著名的機械發明家馬鈞馬鈞發明制造的一種農用灌溉機械，是我國過去1700多年來社會上應用最為普遍、效果最好的一種灌溉機械。下圖是元代王禎王禎農書中介紹的一種翻車。

10、 原動力為一個大水輪，中間并用兩個大齒輪傳遞動力到上部的轉軸。若水源較高，也可采用立式水輪。農書 卷十九“灌溉門”有如下的記載：“水轉翻車，其制與人踏翻車俱同，但于流水岸邊掘一狹塹，置車于內，車之踏軸外端，作一豎輪。豎輪之旁，架木立軸 ，置二臥輪，其上輪適于車頭豎輪輻支（按：相當長齒或為輪輻伸長的一段）相間。乃擗水傍激，下輪既轉，則上輪隨撥車頭豎輪，而翻車隨轉，輒倒水上岸。此是臥輪之制。若作立輪，當別置水激立輪，其輪軸之末復作小輪，輻頭稍闊，以撥車頭豎輪，此立輪之法也。然亦當視其水勢，隨宜用之。其日夜不止，絕勝踏車?！?翻車實為最早的鏈傳動的實例，并同時起搬運水的作用，它是我國過去的1700多

11、年來，社會上應用最廣、效果最好的一種灌溉機械，至今有的地區仍可見到使用。 日晷是一種利用太陽的射影來測報時間的計時器。很久以前，我們的老祖宗發現當太陽移動時，樹影的位置和長短也在發生變化，而變化很有規律：早晨，太陽從東方冉冉升起，樹影朝西，而且顯得特別長；中午，太陽在正空中上高懸，這時的樹影朝北，而且顯得非常短；傍晚，太陽向西方緩緩落下，當太陽離地面很低時，樹影朝東，而且越來越長。 這個規律的發現，使我們的祖先找到了計時方法，這就導致了日晷的產生。日晷又稱“日規”，通常是由銅制的指針和石制的圓盤組成。銅制的指針叫做“晷針”，垂直地穿過圓盤中心，起著圭表中立竿的作用，因此，晷針又叫“表”，石制的

12、圓盤叫做“晷面”，安放在石臺上，呈南高北低狀，使晷面平行于天赤道面，這樣，晷針的上端正好指向北天極，下端正好指向南天極。在晷面的正反兩面刻劃出12個大格，每個大格代表兩個小時。當太陽光照在日晷上時，晷針的影子就會投向晷面，太陽由東向西移動，投向晷面的晷針影子也慢慢地由西向東移動。于是，移動著的晷針影子好像是現代鐘表的指針，晷面則是鐘表的表面，以此來顯示時刻。日晷有一個最大的弱點：在陰天以及晚上就不能工作。因此逐漸退出了歷史舞臺。 漏壺是以漏壺滴水在刻箭上表示出時刻的記時器。漏壺一般由銅制成，它的歷史可追溯到夏、商時期。早期的漏壺叫“沉箭壺”，一般是這樣制作的：在壺底部鉆一個孔，壺的中間豎著一根

13、標有刻度的箭桿。使用時，壺里裝滿水。隨著壺里的水慢慢地從小孔里往下滴漏，壺里的水平面也逐漸地下降，箭桿露出水面的部分則越來越長。古人就用箭桿露出水面的長度來計算時間，水面上箭桿上的刻度就表示時間數字。但這種壺水位高時，壓力大，水漏得快；水位低時，壓力小 水漏得慢。漏速不均，記時也缺乏準確性。于是古人發明了“浮箭壺”。左圖為中國元代延祐三年（1316年）制造的三級受水漏壺形“浮箭壺”，分日壺、月壺、星壺三級，下面還有一件受水壺。受水壺蓋中央插銅尺一把，上面刻劃十二時辰。銅尺前插放木質浮箭，下為浮舟，水積舟升，度尺計辰。 它與原始漏壺相比具有明顯的優勢：上級漏壺可以補充下級漏壺的水量，以穩定下級漏

14、壺的水壓。延祐漏壺是三級漏壺的標本，它的水壓較穩定，滴漏更均勻。這組漏壺原置于廣州城拱北樓上，現藏于中國歷史博物館。 盂漏據說是唐朝的一個和尚發明的。制造使用原理是：在一個銅盂的底部穿一個小洞，把它放在水面上。水從洞中涌入盂里，盂里的水滿到一定的程度，就會沉下去。于是，取出盂，倒掉水，再重復使用。銅盂的大小重量是有一定規格的，一般一個時辰（2個小時）沉浮一次。 更香就是我們平常用的香作出刻度來計量時間。為了使更香的實用性更大，人們把香做得很長，并盤旋成各種形狀，有的能連續燃十幾天。有趣的是，有人還用更香做“鬧鐘”。他們在更香的某時某刻的地方懸掛一個小金屬球，當香燒到這個地方的時候，金屬球便會掉

15、到接在下面的金屬盤子里。這響聲便提醒人們到了某時某刻了。 沙漏又稱“沙鐘”，是我國古代又一種計量時間的儀器。沙漏的制造原理與漏壺大體相同，它是根據流沙從一個容器漏到另一個容器的數量來計量時間。之所以采用流沙代替流水，是因為我國北方冬天天氣寒冷，水容易結冰的緣故。最著名的沙漏是在1360年明初詹詹希元希元創制的“五輪沙漏”。據明史天文志一載：“明初，詹希元以水漏至嚴寒水凍輒不能行，故此以沙代水。然沙行太疾，未協天運。乃于斗輪之外，復加四輪，輪皆三十六齒”。其內部結構的復原圖如下圖所示。圖中裝置沙斗的原動輪稱初輪，其上共裝有16個斗，在初輪軸的一頭，裝上一個6齒的小齒輪，它帶動具有36個齒的二輪。

16、二輪軸的一頭又裝上一個6齒的小齒輪，它又帶動具有36齒的三輪。這樣依次傳動，到四輪軸頭上的小齒輪，則帶動在水平面上旋轉的中輪。中輪的立軸穿過測景盤。盤上刻十二時并分為百刻。立軸上端裝置一個相當指針作用的云托日形橫桿，云腳所到的地方就是應指的時刻。 這種顯示方法幾乎與現代時鐘的表面結構完全相同。此外，詹希元還巧妙地在中輪上添加了一個擊鼓撥牙，以控制兩個站在五輪沙漏兩旁的木人。每到整點或一刻，兩個木人便會自行出來，一擊鼓，一鳴鉦。 這種沙漏脫離了輔助的天文儀器，已經獨立成為一種機械性的時鐘結構。 北宋哲宗元佑初年，蘇頌蘇頌和韓公韓公廉廉等所制的水運儀象臺，是把渾象、渾儀和機械性計時器都組織在一個儀象臺內。臺上置渾儀、中間置渾象，下邊制成五層樓閣，中立一機輪軸。機輪軸上部由稱為“天束”的兩根橫梁約束住，下端放在一個樞臼中。機輪軸上穿裝8個輪，位于天束上邊的一個叫天輪，具有600個齒，和渾象的赤道牙相銜接（或間接帶動渾象）。下邊有一機輪，也有600個齒。其余六輪分為兩類：一類是在輪上裝有一定數目地撥牙（即凸輪），按一定的時刻，用杠桿撥動或用繩索牽動司晨（木偶人），使它一定的動作，以鳴報時刻；另一類是在輪上裝上一定數目的司晨（木偶人），按一定的時刻 手里拿著那個時刻的牌在樓閣中門內出現，表明當時的時刻。 蘇頌等的設計，記錄在新儀象法要中。其中控制原動輪（