中國(guó)古代簡(jiǎn)單機(jī)械

1、中國(guó)古代簡(jiǎn)單機(jī)械 PB02203110 汪凱機(jī)械的涵義 中國(guó)的機(jī)械工程技術(shù)源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，內(nèi)涵豐富，成就至為輝煌。它與中華民族的形成和發(fā)展同步成長(zhǎng)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、文化的增長(zhǎng)起著極其重要的作用，也為世界物質(zhì)文化的進(jìn)步增添了光彩。 一般認(rèn)為機(jī)械是機(jī)器與機(jī)構(gòu)的總稱，它的根本目的是完成預(yù)定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)及完成特定的運(yùn)動(dòng)(即功能)，然后才是省力。機(jī)械具有三大特征： 第一，它是許多構(gòu)件的組合體； 第二，其各構(gòu)件間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)； 第三，它能轉(zhuǎn)換機(jī)械能或完成有效的機(jī)械功。 凡具有以上三個(gè)特征的是機(jī)械，而僅具有第一、二特征的是機(jī)構(gòu)。中國(guó)古代簡(jiǎn)單機(jī)械的特點(diǎn) 中國(guó)古代簡(jiǎn)單機(jī)械的產(chǎn)生和發(fā)展有它自身的特點(diǎn)，概括起來(lái)， 有以下

2、幾點(diǎn)： 第一，以農(nóng)業(yè)機(jī)械為主。 第二，還有大量的與紡織業(yè)，冶鑄業(yè)相配套的機(jī)械裝備。 第三，戰(zhàn)事頻繁使軍事技術(shù)受到高度重視，對(duì)古代機(jī)械 的發(fā)展也 起著推動(dòng)作用。 總之，從農(nóng)業(yè)、紡織、采礦、冶鑄、交通、軍事等方面均出現(xiàn)了用簡(jiǎn)單機(jī)械代替舊有工具的趨向。它們是以杠桿、斜面、滑動(dòng)、輪軸等力學(xué)原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，因此，既提高了工效，又節(jié)省了勞力。在軍事上，則提供了攻守兼?zhèn)涞男率轿淦餮b備。各式簡(jiǎn)單機(jī)械 這里的簡(jiǎn)單機(jī)械主要是指利用杠桿、斜面、螺旋、滑車、輪軸作功的簡(jiǎn)單機(jī)械。包括以下幾種： 一，杠桿一，杠桿 杠桿是中國(guó)古代應(yīng)用最普遍的簡(jiǎn)單機(jī)械，包括桔槔、藉車、 衡器等。 二，斜面與螺旋二，斜面與螺旋 中國(guó)古代

3、關(guān)于斜面與螺旋的利用比較早，主要有斜面、尖 劈、螺旋幾種形式。 三，滑車與絞車三，滑車與絞車 以杠桿原理為基礎(chǔ)，包括有滑車、轆轤、絞車等。這些機(jī) 械在中國(guó)發(fā)明較早，應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。 四，輪軸四，輪軸 兩物觸地，在相同的條件下，滾動(dòng)比滑動(dòng)省力。這一力學(xué) 原理，人類在很早以前就已經(jīng)懂得利用。本文列舉一些日 常應(yīng)用、看起來(lái)非常簡(jiǎn)單的輪軸機(jī)械，如車、石碾、石磙 子、研朱。杠桿1.桔槔: 亦稱吊桿，提升機(jī)械。這種機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用杠桿原理，在河邊、井邊豎一立木，或就地利用樹叉，架上一根橫木，一端綁上配重(石塊)，另一端系繩 (或細(xì)桿)及汲水器，用這種機(jī)械灌溉，其功效當(dāng)然比抱缶而溉要高得多，如圖所示。由于

4、它制作簡(jiǎn)易、使用方便、省力，因此用途很廣。2.藉車 亦稱拋石機(jī)，與桔槔相同，利用杠桿原理作業(yè)，是一種攻守兼?zhèn)涞膽?zhàn)具。藉車的結(jié)構(gòu)是：固定柱長(zhǎng)為十七尺，埋于地下部分為四尺，臂長(zhǎng)三十至二十五尺，用一根粗大的圓木做臂，而是用鐵絲將幾根較細(xì)的圓木捆綁在小于二十四尺的不能用。古人不是一起，既增強(qiáng)了臂的強(qiáng)度，又增加了彈性。支點(diǎn)放在臂的四分之三處，臂的一端叫上端，在其頂端系一裝石用的馬頰。馬頰長(zhǎng)二尺八寸。為了確保投石的速度與距離，以支點(diǎn)為中心，在臂的兩邊各裝一個(gè)飛輪，名“困”。它將人的部分拉力所形成的動(dòng)能積蓄在飛輪之中，在拋石的一瞬間釋放，以助石塊拋擲。困的大小與拋石的距離、石塊的大小、人的拉力有關(guān)。戰(zhàn)爭(zhēng)中需

5、要遠(yuǎn)距離的投射。困就要做大些，拉的人也得多些，亦即“藉車之力而為之困”。 3. 稱 衡器，相傳起源很早，目前所見(jiàn)較早的衡器實(shí)物是環(huán)形銅權(quán)，1975年在湖北江陵雨臺(tái)春秋墓出土 (約公元前5世紀(jì)以前)。中國(guó)古代最早使用的衡器是天平。 隨著古代農(nóng)業(yè)與商品經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，衡器也在不斷地變革，它由天平、不等臂稈到提系桿秤的這個(gè)發(fā)展過(guò)程是漸進(jìn)的，在某一時(shí)期會(huì)出現(xiàn)各種衡器同時(shí)使用的情況。其后不等臂秤逐漸被淘汰，而天平與提系桿秤則一直沿用至今。在使用不等臂秤時(shí)，無(wú)論是本端(重臂)或標(biāo)端(力臂)的任意一邊，增加重物或權(quán)。 秤的平衡就會(huì)被打破，若在本端加重，則必垂，要保持衡的平衡，秤的提紐向本端移動(dòng)，若衡的提紐在衡的

6、中間位置固定不能移動(dòng)，則移動(dòng)本端的提系，向中心提紐靠攏，上述兩種方法都是要維系衡的平衡。而后一種方法平衡的結(jié)果是“則本短而標(biāo)長(zhǎng)”。若在這種平衡狀態(tài)下，兩邊又各加相等的重物，平衡再次被打破，“則標(biāo)下，標(biāo)得權(quán)也”。這里把力臂乘法碼，等于重臂乘重物的扛桿原理，生動(dòng)地描述出來(lái)了。斜面與螺旋1.斜面 同水平面成一傾角的平面，其傾角通稱為升角，沿斜面提升物體比垂直提升要省力基于這一力學(xué)原理，古代宮殿建筑材料上運(yùn)斜面提升是一個(gè)很好的方法。而森林砍伐，木材外運(yùn)，利用山坡滾動(dòng)而下，可達(dá)事半而功倍之效：這種斜面省力的經(jīng)驗(yàn)，早在日常生活中為古人所利用。古人利用這一原理制造的工具有杵臼和犁鏵等。當(dāng)杵下舂時(shí)，被舂的谷物

7、沿臼壁斜推而上，這實(shí)際就是斜面提升：當(dāng)谷物沿壁升到一定高度時(shí)，在自重與震動(dòng)力的作用下，又回落到底部，被二次加工。如此往復(fù)，谷物可脫殼或被加工成粉。如圖犁鏵，呈V字型，中間有一凸起的脊，使犁體略呈斜面，隨著犁壁的使用，犁鏵與犁壁相結(jié)合，成為真正的斜面體。這不僅改善了犁的入土性能，而且起到了翻垡、碎土的作用。2.尖劈 為斜面利用的一種形式。其兩平面必須成銳夾角。它的銳角越小，在相同作用力下，產(chǎn)生的劈力就越大。歸納起來(lái)，古代對(duì)尖劈的利用，主要有以下幾方面：其一，用作工具。中國(guó)古代很早就懂得將尖劈與杠桿原理相結(jié)合。如陜西省風(fēng)翔縣秦公一號(hào)大墓(春秋中晚期秦國(guó)國(guó)君秦景公之墓)出土的一把青銅手鉗，結(jié)構(gòu)合理，

8、扣合嚴(yán)密，大小與現(xiàn)代手鉗相似。其后出現(xiàn)的剪、鍘等工具，均屬這一類（圖為出土的鐵剪）。其二，用作兵器。從最原始的鏃頭，到銅、鐵制的刀、槍、劍、矛等冷兵器，無(wú)不與利用尖劈原理有關(guān)。其三，楔的應(yīng)用。楔不僅可用于古代森林砍伐，也可以起緊固作用。中國(guó)古代許多宮殿建筑，可以不用鐵釘，只用卯和楔。楔既起張緊作用，又起連接作用。關(guān)于這方面的事例，以榨油機(jī)最為典型。圖為明代南方榨。3.螺旋 具有螺紋的圓柱(或圓錐)體，也屬斜面類簡(jiǎn)單機(jī)械，起增力、推進(jìn)及連接的作用。中國(guó)古代把螺旋原理應(yīng)用于實(shí)際生活中，其起源是相當(dāng)早的。但以后在機(jī)械工程中，沒(méi)有充分發(fā)揮它的作用，以致落后于西方。中國(guó)古代將這原理比較多的應(yīng)用在古塔建筑

9、中：著名的西安大雁塔，建于唐代高宗李治永徽三年(652)，為方形磚塔。歷經(jīng)宋、明、清等多次修繕，現(xiàn)有七層，高641米。在塔內(nèi)有限的面積與空間里，修一螺旋式的樓梯，結(jié)構(gòu)緊湊，游人可盤旋而上，直至頂層。還有流傳中國(guó)民間久廣的兒童玩具竹蜻蜓(如圖)，用手搓蜒桿，使挺片呈螺旋狀旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)空氣而飛升。這與現(xiàn)代直升機(jī)的螺旋漿原理極為相似，它約于18世紀(jì)傳入歐美，被稱為“中國(guó)陀螺”。滑車與絞車1.滑車 主要構(gòu)件為木架、滑輪、短軸及繩索，其核心構(gòu)件是滑輪?；囀怯美K索繞在滑輪中間的槽內(nèi)?；喼写┮欢梯S，兩端固定在木架上，這種機(jī)械叫定滑輪滑車。春秋時(shí)滑車已擴(kuò)大到用于軍事方面，秦漢時(shí)期，滑車已被普遍使用。如成都東

10、站東鄉(xiāng)西漢墓出土的陶井、河南洛陽(yáng)出土的漢陶井模型（圖）及山東嘉祥桔槔畫像石等，都有定滑輪裝置的滑車。 但不論哪一種滑車，都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，它們僅僅是改變了作用力的方向使施力比較容易，但并不省力。2.轆轤 利用輪軸與杠桿原理相結(jié)合的簡(jiǎn)單起重機(jī)械。它的主要構(gòu)件有木架、輪軸、曲柄及繩索，核心構(gòu)件是輪軸。一頭較粗，呈圓柱形，上裝曲柄。另一頭細(xì)長(zhǎng)，支持在木架上。這種圓柱體本身不能單獨(dú)繞軸旋轉(zhuǎn)，而整個(gè)輪軸可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的方式恰好與滑輪、滑車相反。春秋戰(zhàn)國(guó)，轆轤與滑車同時(shí)流行，并應(yīng)用于農(nóng)田灌溉、礦業(yè)開(kāi)采、工程建筑、軍事等方面。（圖取自天工開(kāi)物）3.絞車 為古代起重機(jī)械，其結(jié)構(gòu)與原理基本和轆轤相同。只是絞車手

11、柄的回轉(zhuǎn)半徑比卷袖的半徑要大得多。因此，它在提升重物時(shí)更省力。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的“木轆轤軸”，實(shí)際上是絞車的卷軸(圖)。這是迄今中國(guó)發(fā)現(xiàn)的最早實(shí)物。其軸長(zhǎng)250厘米，兩頭放出軸頭，軸的兩端各有兩排疏密不同的孔。疏孔為6孔，密孔為14孔。疏f孔用于安裝手柄密孔沿軸一周均勻分布，以便在孔內(nèi)鑲嵌長(zhǎng)木條。用這種方法，既減輕了整個(gè)卷軸的重量，又增大了卷筒軸的半徑，改善了提升能力。輪軸1.車 輪軸機(jī)械中最典型的機(jī)械。早在商周，車已經(jīng)是軍事上不可缺少的裝備，在春秋戰(zhàn)國(guó)，車戰(zhàn)已成為軍事上一種主要的作戰(zhàn)方式。雙方交戰(zhàn)，出動(dòng)的戰(zhàn)車，少則幾十輛，多則上千輛。如孫子作戰(zhàn)篇所描述的“馳車千兩，革車千乘，帶甲千萬(wàn)”，當(dāng)時(shí)各諸

12、侯國(guó)擁有的戰(zhàn)車的多少，是該國(guó)軍事實(shí)力強(qiáng)弱的一個(gè)重要標(biāo)志。因此，有“千乘之國(guó)”之說(shuō)。除此之外，有帝王、貴族用的車，有一般平民用的車，有運(yùn)輸用的車，有獨(dú)輪車、雙輪車、三輪車、四輪車及多輪車，車成為中國(guó)古代輪軸機(jī)構(gòu)中最為顯著的一種系列機(jī)械。（圖為商代輪）2.石碾 谷物加工機(jī)械和中國(guó)北方的蓋種工具。從圖可看出，石碾為圓輪形(也有的為圓柱體)。無(wú)論哪一種形式，由于簡(jiǎn)單、方便、耐用，在農(nóng)村一直沿用至今。3.石磙子 每當(dāng)秋季作物收割、翻耕、播種之后，緊接著就要用石磙子碾壓，使種子很好地著床，有利于出芽。這種石磙子有兩個(gè)小石輪(亦叫陀)， 中穿一細(xì)長(zhǎng)的軸。工作時(shí)如天工開(kāi)物乃粒所說(shuō)“用驢駕兩小石團(tuán)，壓土埋麥”。這種輪軸工具簡(jiǎn)單、實(shí)用，至今在北方一些農(nóng)村仍沿用著。3.研朱 朱砂加工機(jī)械。在柱下端固定一短軸，軸上穿一鐵碾輪。短軸不能轉(zhuǎn)動(dòng)，而鐵輪可繞軸旋轉(zhuǎn)。輪下有一月牙形鐵碾槽，立柱上端穿在