機械的形成與發(fā)展

1、機械的形成與發(fā)展機械的形成與發(fā)展海商職業(yè)技術(shù)學(xué)校 東漢時期，中國發(fā)生地震的次數(shù)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(chǎn)，公元年，張衡張衡在第二次擔(dān)任太史令之后， 就注意掌握收集地震的情報和記錄，經(jīng)過多年的潛心研究，終于在公元年（東漢順帝陽嘉元年），發(fā)明了世界上第一臺測定地震方位的科學(xué)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(nèi)部中央立著一根銅質(zhì)都柱(上粗下細的棍關(guān))。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(nèi)

2、部信道中的發(fā)動機關(guān)相連，每個龍頭嘴里銜有一粒小銅珠。地上對準(zhǔn)龍嘴處，蹲著八個銅蟾蜍，昂著頭，張著嘴，當(dāng)某處發(fā)生地震，都柱便倒向那一方，觸動(牙機)，使發(fā)生地震方向的龍頭張開嘴巴，吐出銅珠，落到 銅蟾蜍嘴里,發(fā)出“當(dāng)啷”聲響,人們就知道哪個方向發(fā)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(fā)生的地震，可見儀器靈敏度相當(dāng)高。 張衡制成的地動儀是人類歷史上的首創(chuàng)，是人類文明史上用科學(xué)方法認識地震的第一次勇敢嘗試，它揭開 了地震科學(xué)的新紀(jì)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(jì)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(dāng)兩個齒輪拼合在一起時，一個齒輪向右轉(zhuǎn)隔壁一個便相反地向左轉(zhuǎn)，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(dāng)車輪向東轉(zhuǎn)時，有的齒輪就反轉(zhuǎn)，使手仍保持向南，所以不管車輪怎么轉(zhuǎn)，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(diào)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(fā)生嚙合傳動，因此木人不轉(zhuǎn)，當(dāng)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(fā)生相應(yīng)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(zhuǎn)度，則在轉(zhuǎn)彎時，左輪不動，右輪要轉(zhuǎn)動半周。與右輪相連的小齒輪也就轉(zhuǎn)半周，經(jīng)過小平輪傳動到大平 輪，則大平輪將以相反的方向轉(zhuǎn)動四分之一周（也即90度），這樣木仙人在和車一起左轉(zhuǎn)90度的同時，又由于齒輪的嚙合傳動右轉(zhuǎn)了90度，其結(jié)果等于沒有轉(zhuǎn)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(jié)果可以類推。指南車結(jié)構(gòu)簡單，其中要使車子無論怎

5、么轉(zhuǎn)動，木仙人的手臂始終指向南方，關(guān)鍵就在于中心大平輪和附足子輪或聯(lián)或斷的設(shè)計。這種設(shè)計體現(xiàn)了我國古代勞動人民和機械設(shè)計人員的高度智慧和創(chuàng)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(shù)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(zhuǎn)動帶動齒輪轉(zhuǎn)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(xiàn)了我國古代機械技術(shù)的高度水平。關(guān)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(shù)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(shù)五十四個； l旋風(fēng)輪（齒輪）一個，齒距一寸二分，齒數(shù)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(shù)一百個； l小平輪、上平輪（都是齒輪）各一個，齒數(shù)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(zhuǎn)動，整個齒輪系就隨著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)一周車行十八尺，足輪轉(zhuǎn)一百周，車行一百八十丈 ，恰合一里之?dāng)?shù)。 足輪

7、、下平輪、旋風(fēng)輪和中平輪等四個齒輪的齒數(shù)分別是十八、五十四、三、一百。車行一里，中平輪只轉(zhuǎn)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(dāng)車行十里的時候，上平輪才能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)記載，在我國封建社會前期以及漢魏時期就已經(jīng)出現(xiàn)，它體現(xiàn)了兩千年前我國機械

8、工程技術(shù)的高度水平，是我國古代技術(shù)的卓越成就。 水排是利用水力來驅(qū)動的一種鼓風(fēng)機，是在距今1900多年的東漢初年由我國古代著名的技術(shù)發(fā)明家杜詩杜詩主持發(fā)明的。下圖是元代王禎王禎農(nóng)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(dāng)于 現(xiàn)在的傳動皮帶；在旋鼓頂端裝有一掉枝6，即相當(dāng)于現(xiàn)在的曲柄；掉枝上安裝有可以擺動的行桄5，即相當(dāng)于現(xiàn)在的連桿，行桄的另一端和臥軸上的一個攀耳8相聯(lián)，臥軸上的另一攀耳與排扇11間安裝一根直木10，相當(dāng)于復(fù)桿。這樣當(dāng)水流沖擊下臥輪時，則

9、帶動上臥輪旋轉(zhuǎn)。因上臥輪與旋鼓間有弦索相連，故上臥輪旋轉(zhuǎn)一周，可使旋鼓旋轉(zhuǎn)幾周。旋鼓旋轉(zhuǎn)，又帶動頂端的掉枝旋轉(zhuǎn)，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(fù)運動，使排扇一開一閉，達到鼓風(fēng)的目的。 水排的創(chuàng)制，是我國較早利用曲柄連桿機構(gòu)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(jì)之間才出現(xiàn)使用水力鼓風(fēng)設(shè)備的鼓風(fēng)爐，到14世紀(jì)才普遍使用。 翻車是由三國時著名的機械發(fā)明家馬鈞馬鈞發(fā)明制造的一種農(nóng)用灌溉機械，是我國過去1700多年來社會上應(yīng)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(nóng)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(zhuǎn)軸。若水源較高，也可采用立式水輪。農(nóng)書 卷十九“灌溉門”有如下的記載：“水轉(zhuǎn)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(nèi)，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(dāng)長齒或為輪輻伸長的一段）相間。乃擗水傍激，下輪既轉(zhuǎn)，則上輪隨撥車頭豎輪，而翻車隨轉(zhuǎn)，輒倒水上岸。此是臥輪之制。若作立輪，當(dāng)別置水激立輪，其輪軸之末復(fù)作小輪，輻頭稍闊，以撥車頭豎輪，此立輪之法也。然亦當(dāng)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(yīng)用最廣、效果最好的一種灌溉機械，至今有的地區(qū)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(fā)現(xiàn)當(dāng)太陽移動時，樹影的位置和長短也在發(fā)生變化，而變化很有規(guī)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(dāng)太陽離地面很低時，樹影朝東，而且越來越長。 這個規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，使我們的祖先找到了計時方法，這就導(dǎo)致了日晷的產(chǎn)生。日晷又稱“日規(guī)”，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(dāng)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(xiàn)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(biāo)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(shù)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(zhǔn)確性。于是古人發(fā)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(zhì)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(yōu)勢：上級漏壺可以補充下級漏壺的水量，以穩(wěn)定下級漏

14、壺的水壓。延祐漏壺是三級漏壺的標(biāo)本，它的水壓較穩(wěn)定，滴漏更均勻。這組漏壺原置于廣州城拱北樓上，現(xiàn)藏于中國歷史博物館。 盂漏據(jù)說是唐朝的一個和尚發(fā)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(fù)使用。銅盂的大小重量是有一定規(guī)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(xù)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(dāng)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(jù)流沙從一個容器漏到另一個容器的數(shù)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(jié)冰的緣故。最著名的沙漏是在1360年明初詹詹希元希元創(chuàng)制的“五輪沙漏”。據(jù)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(xié)天運。乃于斗輪之外，復(fù)加四輪，輪皆三十六齒”。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)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(zhuǎn)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(dāng)指針作用的云托日形橫桿，云腳所到的地方就是應(yīng)指的時刻。 這種顯示方法幾乎與現(xiàn)代時鐘的表面結(jié)構(gòu)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(jīng)獨立成為一種機械性的時鐘結(jié)構(gòu)。 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(nèi)。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(shù)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(shù)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(nèi)出現(xiàn)，表明當(dāng)時的時刻。 蘇頌等的設(shè)計，記錄在新儀象法要中。其中控制原動輪（