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从宋朝复杂的水运仪象台,看中国古代机械传动系统的复杂与精密

2020年02月25日 09:25:47来源:今日头条 作者:文史浅聊 浏览数:185 责任编辑:秦岩总编

在古代中国,不仅创造出许多灿烂的文化,而且还拥有丰富的文学作品,这都得益于汉字的存在,它让一个文明形成一种强大的凝聚力,而独一无二的汉字,也为中华文明不中断奠定了基础。除了这些,在许多方面,中国古代都有着辉煌的成就,其中在机械行业中,更是独帜一树的存在。

早期的机械行业很简单,比如在农业上,为了提高生产和灌溉,古人发明了七种针对农业的机械,分别是:整土机械、播种机械、中耕除草机械、灌溉机械、收获脱粒机械、加工机械、运输机械,但这些机械都特别简单。有的是靠水力提供动力的,有的是靠牲畜提供动力的。作为农业大国,这些都是中国古代对生产做出的发明。随着时间的发展,进入宋朝时期,中国的机械行业越来越精密。

从宋朝复杂的水运仪象台,看中国古代机械传动系统的复杂与精密

一、齿轮对机械行业的作用

想要提高精密,在机械行业中,是离不开齿轮的。或许有的人认为,中国的齿轮发展史比西方国家的要晚很多,其实不然,中国古代中,齿轮的发展也很早,至今有2200多年的历史。也就是说,秦朝时期,齿轮就出现在中国。纵观春秋战国时代,是中国古代发展一重大时期,诸子百家中,不少家族在机械行业中,有着独特的发展与见解,他们创造出许多令人惊叹的机械。

根据如今出土的齿轮来看,1954年,在山西省永济县出土了青铜棘齿轮,为秦朝时期的齿轮。可见,齿轮已经被运用起来,根据推测,这种齿轮是用于制动,防止轮轴倒转,进入东汉时期,齿轮得到更大的发展。之后齿轮越来越精密,这得益于冶炼技术的改进,生产出更加坚固耐用的钢铁,而冶炼技术的先进,和机械行业有着密不可分的作用,制作出比较精密的齿轮,对传动系统的精密有很大的作用。

从宋朝复杂的水运仪象台,看中国古代机械传动系统的复杂与精密

二、宋朝水运仪象台的精密程度

宋朝时期,中国发明了集天文观测、天文演示和报时系统为一体的仪器,它就是:水运仪象台。它的出现,是中国古代天文仪器制造史上的巅峰,堪称世界上最早的天文钟,也是中国古代科技成就代表之一。无论是规模还是精度,都达到让人叹为观止的科技水平。它的机械结构可分为:动力系统、传动系统、执行系统、辅助控制系统等。

在动力系统方面,依靠的都是水力,这是最方便又能解放人力的方式之一。有了动力,剩下就是把动力传到各个部分,这就需要到各种精密的齿轮。这座由苏颂和韩公廉,带人共同制造出的水运仪象台,高约12米,宽约7米。它的作用非常大,不仅能准确报时,还能观察天文气象,更惊叹的是,有一些部件成为后世钟表重要的部件,比如:擒纵器。

从宋朝复杂的水运仪象台,看中国古代机械传动系统的复杂与精密

擒纵器是现代钟表的关键部件,早在唐朝时就出现,只是和现在的有差别,但原理是一样的,它能准确的报时。宋朝的水运仪象台,就运用到擒纵器,在复原的水运仪象台中,擒纵器完美的展现出来。再来看看水运仪象台的齿轮运用,首先,对于大的齿轮,不可能用金属制成,需要用木材料来完成,比如:擒纵器,由于比较大,它是用木材料做成齿轮状态的,一样达到精确的数值。

在水运仪象台的结构和传动系统中,在主轴中,拥有八个轮,它们分别输送不同的动力给各个部分。其中有两个大齿轮,如下图,16和11,16是拔牙机轮,11是天轮,它们的齿数非常大,达到600,这和它的转数有关,因为它们要模仿地球的自转,速度快不了。整个水运仪象台中,有两组齿轮传动系统,一组是经过3、4、5、16、11、10,带动浑象,另一组经过3、4、6、7、8、9,带动浑仪。

从宋朝复杂的水运仪象台,看中国古代机械传动系统的复杂与精密

经过这两组齿轮传动系统,精密的带动模拟天文的浑象和浑仪,同时也把报时精准的呈现出来,这就是水运仪象台精密所在,它的构造非常复杂,从这也看出,古人已经知道,利用齿轮的齿数来改变传动力的大小与速度,最终完成对天文学的研究。而宋朝的水运仪象台,是中国古代历史中,最精密的天文仪器之一,连李约瑟都赞叹过:水运仪象台可能是欧洲中世纪天文钟的直接祖先。

三、中国古代机械的发展

在秦朝时,中国古代机械已经进入成熟期,产生出许多科技成果,特别是对农业这方面。犁的一再改进,大大提高生产力;灌溉上出现的水车,有效的调节农作物需要的水分。在运输方面,秦朝出现多种轮子的车,从秦始皇陵出土的马车来看,反映出秦朝车辆运输的高水平。其中带有刻度的弩出现,更是体现古人对机械原理的运用。

从宋朝复杂的水运仪象台,看中国古代机械传动系统的复杂与精密

汉朝时期,冶金技术的发达,铁器取代了青铜器。这一时期,出现了指南车、记里鼓车、地动仪等,这些都是机械行业中的佼佼者。这些都领先于西方国家,这种状态一直持续到宋元时期。明清时期,逐渐被西方国家赶上,并且超越,这确实是一个不可避免的问题,毕竟西方已经文艺复兴,许多领域开始发展。

四、机械与数学的结合

古代中,机械的发达,并不是单纯的,它以数学为基础,开发更多的合理的机械。即使现在,机械行业也离不开数学的运用。在《九章算术》中,收集了246个数学问题,涉及到方田、粟米、衰分、少广、商功、均输、盈不足、方程、勾股等。这些数学问题,有的许多用于机械行业中,如:勾股,也就是如今的勾股定理,用于各种几何体。而想要制作精密的齿轮,就要懂得数学,只有掌握这些知识,才能制造出各种精密仪器和机械。

从宋朝复杂的水运仪象台,看中国古代机械传动系统的复杂与精密

中国古代在数学这方面,在宋元时,已经达到巅峰,即使西方的《几何原本》传入中国,但对中国的数学并没有多大的影响。《几何原本》对西方国家来说,影响非常之深,它涉及到许多方面。因东方人和西方人的思维不同,导致对数学的研究也不同,采用的方法也不同,正是数学的发达,古人才能懂得如何算出齿轮的齿数,又如何配置不同的齿轮,达到不同的速度,这些都和数学有关。

五、总结

古代中,由于数学的发达,中国的机械行业也跟着发达,它们是相互促成的。因为需要,所以去研究和制造,才得出许多杰出的成就。到宋朝时期,不管是在科技还是经济实力,都是中国历史上最繁荣的朝代。而水运仪象台的出现,是中国历史上,最精密的仪器之一。

从宋朝复杂的水运仪象台,看中国古代机械传动系统的复杂与精密

结合我国古代的冶炼技术,制造出许多精密的零件是不成问题的。比如在秦始皇陵中出土的一号铜车,这辆青铜马车非常精密。采用就铸造、镶嵌、焊接、子母扣连接、活铰连接等多种工艺,上面还有各种图纹,如果没有精湛的工艺,是无法完成的,所以在秦朝时,已经能制造出精密的齿轮。宋朝时期,古人已经知道利用不同齿数的齿轮来改变速度,水运仪象台的齿轮传动系统,是一个伟大的杰作,它代表中国在机械行业中的运用成就。

【本站总编:秦岩     微信号:shaanture      新闻热线:13384928744】


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