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標題: 祖沖之設計制造的幾種機械及其復原問題 [打印本頁]

作者: liyaman1986    時間: 2007-10-22 14:33
標題: 祖沖之設計制造的幾種機械及其復原問題
祖沖之設計制造的幾種機械及其復原問題
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4 t( ?- A, r6 K+ z6 G: s中國科學院自然科學史研究所
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祖沖之(公元429-500年)在數學、天文歷法方面有杰出的創造,在機械工程方面也很有建樹,設計制造過指南車、水碓磨、木牛流馬、千里船等。他的技術成就占有什么樣的歷史地位?我們真的能復原他的機械嗎?: {" z. Y+ r/ e! n

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一、祖沖之的機械及其歷史地位
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6 Q' |7 V  j8 e: `% d  N3 `" Z1、文獻記載的祖沖之機械8 `. \2 u- r# E
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記載祖沖之設計制造機械的文獻有《南齊書》和《南史》。# z  {) d, `6 w: W& Y, K* f

: K! Z" U7 p( j+ {2 Q, b南朝(梁)蕭子顯的《南齊書•祖沖之傳》記載:
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9 i+ R0 i: }( T" n“初,宋武平關中,得姚興指南車,有外形而無機巧,每行,使人于內轉之。昇明中,太祖輔政,使沖之追修古法。沖之改造銅機,圓轉不窮,而司方如一,馬鈞以來未有也。時有北人索馭驎者,亦云能造指南車,太祖使與沖之各造,使于樂游苑對共校試,而頗有差僻,乃毀焚之。
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! A- D* @1 ]- b' `2 e, o5 U……以諸葛亮有木牛流馬,乃造一器,不因風水,施機自運,不勞人力。又造千里船,于新亭江試之,日行百余里。于樂游苑造水碓磨,世祖親自臨視”。[1]
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唐朝李延壽的《南史•祖沖之傳》幾乎重復了上文,但文字上有個別差異:2 k7 x& g: t2 m( Q0 |6 E' B
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“……得姚興指南車,有外形而無機抒,……高帝使與沖之各造,……
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. U' G( ], y8 h7 Y2 [! ~4 v……于樂游苑內造水碓磨,武帝(公元483-493年在位)親自臨視?!盵2]
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引文中的“造”字的第一層含義是“設計”,第二層含義則是“制造”。參與制造“水碓磨”、“千里船”的可能還有一些工匠。
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“昇明中,太祖輔政”指南朝劉宋昇明年間(公元477-479年),肅道成輔政。這期間,祖沖之成功地制造了帶著“銅機”的指南車,而索馭驎卻未制成指南車。顯然,祖沖之不能從前代指南車那里繼承任何傳動機構。( }/ H7 V& \: \) I. z- W; C0 l
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“千里船”顯然是一種快船?!澳九A黢R”應當是一種運輸機械。說它“不因風水,施機自運,不勞人力”,這并是不可信,因為這顯然違背基本的科學原理??梢?,古人的描述并不都是可靠的。5 _4 F6 ^: [& n( h) B# H0 S

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7 S+ n8 \" J3 c4 J# @2、祖沖之機械的歷史地位
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祖沖之的技術成就在歷史上占有什么樣的地位呢?
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7 P4 F9 \1 D% P7 r! n: k4 l指南車技術到三國時也已經亡失。三國曹魏人馬鈞再次制成指南車[3]。到了東晉末年,姚興的指南車已經不能靠機械傳動裝置來自動指南了。因此,祖沖之造指南車及其“銅機”,是指南車的再發明。& y0 e# A5 x( w+ c

+ ~1 n+ N5 J/ V三國時期,諸葛亮“作木牛流馬”,《諸葛亮集》、《三國志》對木牛流馬的結構做了部分文字描述 [4][5]。我們無法知道祖沖之是否參考過諸葛亮的“木牛流馬法”。不過,由于《諸葛亮集》、《三國志》中的技術描述的欠缺和不確定性,筆者認為,祖沖之所造木牛流馬可能是一種新發明。5 Z8 Y3 L% O6 n+ m1 K5 v

# S7 Q- O8 l# O' y6 l僅憑“日行百里”這句簡單的性能描述,我們難以判斷“千里船”是哪種類型的船,其中含有哪些技術創造。
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西漢桓譚《桓子新論》、東漢服虔《通俗文》都記載了水碓 [6]。三國時期,馬鈞造水力“舂磨”模型 [7]。 祖沖之可能改進了舊式的水碓、水磨,提出了自己的設計。他的“水碓磨”在基本原理方面可能類似于馬鈞的“舂磨”,即同時用一個水輪驅動的碓和磨,或者是兩個獨立的水碓和水磨。+ g( S' I7 x6 Y0 f

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6 j, \, m7 z% Y% J* e) O$ o二、復原問題  Y4 ^$ ~  c6 T* W2 V' e
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漢以后,指南車多次被試制。三國以后,幾乎歷代都有人醉心于木牛流馬的制造。
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20世紀,這類機械的復原成了技術史研究的課題。在文獻記載不夠詳實且無考古依據的情況下,國內外科技史界、機械工程界的專家和愛好者在指南車、木牛流馬等機械的復原方面做了許多嘗試。
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關于指南車的傳動機構,后人提出了多種推測。到80年代初,國外和國內學者已經提出近20種指南車傳動機構推想圖,主要可分為定軸輪系和差動輪系兩大類,定軸輪系方案中有自動離合裝置[8]。其中,對宋以前的指南車的機構復原都沒有具體的史料依據。
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《宋史》、《愧郯錄》記述了宋朝燕肅指南車和吳德仁指南車的結構,為復原提供了具體的文獻依據。然而,由于《宋史》、《愧郯錄》的文字記載不夠充分,且沒有插圖,后人在做傳動機構復原時未能取得一致意見。為了彌補文獻記載的缺憾,復原者做出了不同的機構推測[9]。其中,差動輪系方案與《宋史》、《愧郯錄》的記載距離較遠,在其它中國古文獻中也找不到有關差動輪系的記載。3 r5 ~7 I( @" m- F2 E7 S

% y' \! I4 ~: z木牛流馬的復原吸引了一些學者和工程師?!吨T葛亮集》對木牛流馬的描述引起了多種猜測,其中“獨輪車說”受到較多學者的認同[10]。但始終有人認為獨輪車式的木牛流馬都太簡單了。于是,有的機械工程師發揮自己的專業特長,試圖另找一條復原木牛流馬的途徑,設計出了模仿牛馬行走的步行器 [11][12]。設計師證明了機械式步行器能夠模仿牛馬等四腿動物的行走,但人們難以證明它們之中的哪一個是諸葛亮的木牛流馬。實際上,他們的“木牛流馬”至少在技術方面尚未解決好負重行走等難題。有的設計還含有很復雜的、缺乏史料依據的機構,人們有理由懷疑古代是否有這樣的技術能力。
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在復原古代技術時,我們應遵守科技史研究的基本學術規范 [13][14]。 機械專家都知道,功能相同的裝置往往有不同的機構設計。也就是說,不同的機構設計往往都能滿足同樣的功能要求。不同的設計者,可以設計出機構不同的指南車、木牛流馬、水碓、水磨、快船。在缺乏基本技術記載的情況下,后人提出的不同設計都是難以證實的推測,只是接近當時技術條件的設計較為可信。; I; [7 l1 L* i5 \- T, L6 c

9 t% d' E# e& |. G( a. R  o關于祖沖之的指南車、木牛流馬、水碓磨、千里船,沒有留下任何具體的結構記載。在機構設計存在多樣性的情況下,我們不可能做出可以被證實的復原。那些采用復雜的差動輪系、漸開線齒輪的所謂“祖沖之指南車”更像是利用現代技術去“發明”一種新機械,而不是真正的復原。( S7 h) o& A+ p2 K% G
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盡管祖沖之的指南車、木牛流馬、千里船等機械裝置成了難解之謎,但這并不等于貶低他的智慧和成就,也無損他在科技史上的地位。




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