機(jī)械的形成與發(fā)展

1、機(jī)械的形成與發(fā)展機(jī)械的形成與發(fā)展海商職業(yè)技術(shù)學(xué)校 東漢時(shí)期，中國(guó)發(fā)生地震的次數(shù)是比較多的，為了測(cè)定地震方位，及時(shí)地挽救人民的生命財(cái)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(bào)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(tái)測(cè)定地震方位的科學(xué)儀器地動(dòng)儀。 張衡（公元78139年） 地動(dòng)儀由精銅鑄成,外形像一個(gè)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(xì)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(gè)方向布列。龍頭和內(nèi)

2、部信道中的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)相連，每個(gè)龍頭嘴里銜有一粒小銅珠。地上對(duì)準(zhǔn)龍嘴處，蹲著八個(gè)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(dòng)(牙機(jī))，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(gè)方向發(fā)生地震。儀器制成不久便測(cè)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(dòng)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(rèn)識(shí)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(dòng)儀比外國(guó)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(dòng)儀基本相似，但時(shí)

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(dòng)齒輪的機(jī)械原理。車?yán)锩嫜b有個(gè)大小不同的齒輪，當(dāng)兩個(gè)齒輪拼合在一起時(shí)，一個(gè)齒輪向右轉(zhuǎn)隔壁一個(gè)便相反地向左轉(zhuǎn)，利用這個(gè)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(shí)，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(yuǎn)指向南方。 它指南的原理是：在使用時(shí)先人為地進(jìn)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(gè)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(dòng)，因此木人不轉(zhuǎn)，當(dāng)然也不會(huì)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(huì)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(dòng)。若車子向左轉(zhuǎn)度，則在轉(zhuǎn)彎時(shí)，左輪不動(dòng)，右輪要轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)到大平 輪，則大平輪將以相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，又由于齒輪的嚙合傳動(dòng)右轉(zhuǎn)了90度，其結(jié)果等于沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，所以它的指向仍然不變。車子向右拐彎的情況或其他運(yùn)動(dòng)情況的結(jié)果可以類推。指南車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其中要使車子無論怎

5、么轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)。這種設(shè)計(jì)體現(xiàn)了我國(guó)古代勞動(dòng)人民和機(jī)械設(shè)計(jì)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(jìn)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(dòng)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guó)古代機(jī)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(xiàng)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(gè)，直徑六尺，圓周十八尺；l立輪（齒輪）一個(gè)，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(gè)，下平輪（齒輪）一個(gè)，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(gè)； l旋風(fēng)輪（齒輪）一個(gè)，齒距一寸二分，齒數(shù)三個(gè)； l中平輪（齒輪）一個(gè)，直徑四尺，圓周十二尺，齒距一寸二分，齒數(shù)一百個(gè)； l小平輪、上平輪（都是齒輪）各一個(gè)，齒數(shù)分別是十個(gè)和一百個(gè)。 記里鼓車的整個(gè)齒輪系是和車輛同行同止的。只要車輪一轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)齒輪系就隨著轉(zhuǎn)動(dòng)；車輪一停下來，整個(gè)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(gè)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(gè)起凸輪作用的撥子，撥動(dòng)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(gè)十齒的小平輪和一個(gè)一百齒的上平輪，每當(dāng)車行十里的時(shí)候，上平輪才能轉(zhuǎn)一周，它上面的撥子撥動(dòng)另一個(gè)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(yùn)動(dòng)變慢，最后一根軸在車行一里或十里的時(shí)候才轉(zhuǎn)一周；而指南車的齒輪系雖然比較簡(jiǎn)單，但是它是能 自動(dòng)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(guó)封建社會(huì)前期以及漢魏時(shí)期就已經(jīng)出現(xiàn)，它體現(xiàn)了兩千年前我國(guó)機(jī)械

8、工程技術(shù)的高度水平，是我國(guó)古代技術(shù)的卓越成就。 水排是利用水力來驅(qū)動(dòng)的一種鼓風(fēng)機(jī)，是在距今1900多年的東漢初年由我國(guó)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(dòng)輪，上臥輪為從動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(shí)，則

9、帶動(dòng)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(dòng)頂端的掉枝旋轉(zhuǎn)，從而使與之相連的行桄運(yùn)動(dòng)，行桄通過攀耳和臥軸帶動(dòng)直木往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使排扇一開一閉，達(dá)到鼓風(fēng)的目的。 水排的創(chuàng)制，是我國(guó)較早利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及帶傳動(dòng)原理的實(shí)例，它不僅在我國(guó)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(guó)時(shí)著名的機(jī)械發(fā)明家馬鈞馬鈞發(fā)明制造的一種農(nóng)用灌溉機(jī)械，是我國(guó)過去1700多年來社會(huì)上應(yīng)用最為普遍、效果最好的一種灌溉機(jī)械。下圖是元代王禎王禎農(nóng)書中介紹的一種翻車。

10、 原動(dòng)力為一個(gè)大水輪，中間并用兩個(gè)大齒輪傳遞動(dòng)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(zhǎng)齒或?yàn)檩嗇椛扉L(zhǎng)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(shì)，隨宜用之。其日夜不止，絕勝踏車。” 翻車實(shí)為最早的鏈傳動(dòng)的實(shí)例，并同時(shí)起搬運(yùn)水的作用，它是我國(guó)過去的1700多

11、年來，社會(huì)上應(yīng)用最廣、效果最好的一種灌溉機(jī)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(cè)報(bào)時(shí)間的計(jì)時(shí)器。很久以前，我們的老祖宗發(fā)現(xiàn)當(dāng)太陽移動(dòng)時(shí)，樹影的位置和長(zhǎng)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(zhǎng)；中午，太陽在正空中上高懸，這時(shí)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(shí)，樹影朝東，而且越來越長(zhǎng)。 這個(gè)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，使我們的祖先找到了計(jì)時(shí)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(tái)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(gè)大格，每個(gè)大格代表兩個(gè)小時(shí)。當(dāng)太陽光照在日晷上時(shí)，晷針的影子就會(huì)投向晷面，太陽由東向西移動(dòng)，投向晷面的晷針影子也慢慢地由西向東移動(dòng)。于是，移動(dòng)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(shí)刻。日晷有一個(gè)最大的弱點(diǎn)：在陰天以及晚上就不能工作。因此逐漸退出了歷史舞臺(tái)。 漏壺是以漏壺滴水在刻箭上表示出時(shí)刻的記時(shí)器。漏壺一般由銅制成，它的歷史可追溯到夏、商時(shí)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(gè)孔，壺的中間豎著一根

13、標(biāo)有刻度的箭桿。使用時(shí)，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(zhǎng)。古人就用箭桿露出水面的長(zhǎng)度來計(jì)算時(shí)間，水面上箭桿上的刻度就表示時(shí)間數(shù)字。但這種壺水位高時(shí)，壓力大，水漏得快；水位低時(shí)，壓力小 水漏得慢。漏速不均，記時(shí)也缺乏準(zhǔn)確性。于是古人發(fā)明了“浮箭壺”。左圖為中國(guó)元代延祐三年（1316年）制造的三級(jí)受水漏壺形“浮箭壺”，分日壺、月壺、星壺三級(jí)，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(shí)辰。銅尺前插放木質(zhì)浮箭，下為浮舟，水積舟升，度尺計(jì)辰。 它與原始漏壺相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)：上級(jí)漏壺可以補(bǔ)充下級(jí)漏壺的水量，以穩(wěn)定下級(jí)漏

14、壺的水壓。延祐漏壺是三級(jí)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(guó)歷史博物館。 盂漏據(jù)說是唐朝的一個(gè)和尚發(fā)明的。制造使用原理是：在一個(gè)銅盂的底部穿一個(gè)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(huì)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(gè)時(shí)辰（2個(gè)小時(shí)）沉浮一次。 更香就是我們平常用的香作出刻度來計(jì)量時(shí)間。為了使更香的實(shí)用性更大，人們把香做得很長(zhǎng)，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?cè)诟愕哪硶r(shí)某刻的地方懸掛一個(gè)小金屬球，當(dāng)香燒到這個(gè)地方的時(shí)候，金屬球便會(huì)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(shí)某刻了。 沙漏又稱“沙鐘”，是我國(guó)古代又一種計(jì)量時(shí)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(gè)容器漏到另一個(gè)容器的數(shù)量來計(jì)量時(shí)間。之所以采用流沙代替流水，是因?yàn)槲覈?guó)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?jiǎng)?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(yán)寒水凍輒不能行，故此以沙代水。然沙行太疾，未協(xié)天運(yùn)。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(dòng)輪稱初輪，其上共裝有16個(gè)斗，在初輪軸的一頭，裝上一個(gè)6齒的小齒輪，它帶動(dòng)具有36個(gè)齒的二輪。

16、二輪軸的一頭又裝上一個(gè)6齒的小齒輪，它又帶動(dòng)具有36齒的三輪。這樣依次傳動(dòng)，到四輪軸頭上的小齒輪，則帶動(dòng)在水平面上旋轉(zhuǎn)的中輪。中輪的立軸穿過測(cè)景盤。盤上刻十二時(shí)并分為百刻。立軸上端裝置一個(gè)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(shí)刻。 這種顯示方法幾乎與現(xiàn)代時(shí)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(gè)擊鼓撥牙，以控制兩個(gè)站在五輪沙漏兩旁的木人。每到整點(diǎn)或一刻，兩個(gè)木人便會(huì)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(dú)立成為一種機(jī)械性的時(shí)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(yùn)儀象臺(tái)，是把渾象、渾儀和機(jī)械性計(jì)時(shí)器都組織在一個(gè)儀象臺(tái)內(nèi)。臺(tái)上置渾儀、中間置渾象，下邊制成五層樓閣，中立一機(jī)輪軸。機(jī)輪軸上部由稱為“天束”的兩根橫梁約束住，下端放在一個(gè)樞臼中。機(jī)輪軸上穿裝8個(gè)輪，位于天束上邊的一個(gè)叫天輪，具有600個(gè)齒，和渾象的赤道牙相銜接（或間接帶動(dòng)渾象）。下邊有一機(jī)輪，也有600個(gè)齒。其余六輪分為兩類：一類是在輪上裝有一定數(shù)目地?fù)苎溃赐馆啠匆欢ǖ臅r(shí)刻，用杠桿撥動(dòng)或用繩索牽動(dòng)司晨（木偶人），使它一定的動(dòng)作，以鳴報(bào)時(shí)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(shí)刻 手里拿著那個(gè)時(shí)刻的牌在樓閣中門內(nèi)出現(xiàn)，表明當(dāng)時(shí)的時(shí)刻。 蘇頌等的設(shè)計(jì)，記錄在新儀象法要中。其中控制原動(dòng)輪（