《人类科学技术史-064》古代中期机械制造

古代中期机械制造

人类在搬运重物的过程中，曾经使用过撬板、树干或圆木。从滚动的圆物发展到在轴的二端各装上一个轮子，这在工艺学上是一个巨大进步。

古代两河流域的贸易活动，主要是通过陆路运输进行的，起先主要靠人力担运、牲畜驮运，进而使用畜力牵引的泥撬；直到大约5000年前，有轮子的车辆最早在两河流域出现了。从古画上看出，最初的轮车是比较笨拙的四轮车，但已使运输效率大大提高了。

中国早在商代已经制出相当完备的两轮车了。车由车辕、车舆和轮、轭等部分组成，车轮有辐条，加上马具和辔饰，极为精致华美。周代已采用油脂作轴承的润滑剂。到春秋战国时期，各国除有大量战车之外，贵族和平民乘坐和运输用的车辆种类已很多。《考工记》中对官府制车工艺及规范，作了比较完整的总结记述。如《轮人》篇指出："凡察车之道，必自载于地者始也，是故察车自轮始。凡察车之道，欲其朴属而微至。不朴属，无以为完久也；不微至，无以为戚速也"。"朴属"就是坚固结实；"微至"即轮与地面的接触面积小。接触面积小，容易转得快。所以《考工记》对车轮的制作和检验，提出了一系列技术要求。此外，《考工记》还对车辕、车架的制作，各个部件的连接方法以及不同用途的车辆的要求等，作了分别的叙述。从这些记载可以看出，当时中国的车辆制造技术已达到很高的水平。

作为水上运输工具的船，也是史前时期的一项重要发明。古代埃及的货物运输主要通过尼罗河、地中海和红海，所以埃及船只的制造也比较发达。起初，他们是用枝条、稻草等密密编成筏，外面再蒙以兽皮或涂以油脂；在尼罗河三角洲，则用当地产的芦苇捆扎成筏。在拉丁美洲，也早就出现了用竹木柴草捆扎的筏，或用动物皮缝制、中间充气的皮筏。

后来就出现了用火将大树干中间烧空而凿成的独木舟。在有了切削工具后，人们就能制造相当大的木船了。最初的木船是用桨来推进的，进而又发明了风帆并以桨作舵来行驶，大大扩展了航行的范围。

有出土的遗物表明，美索不达米亚的船只很早就完成了环绕阿拉伯半岛到埃及的航行。古印度在哈拉巴文化时期也已在造船和航海了。公元前1世纪时，每年航行在印度与埃及之间的船只都在100只以上。在台湾出土的中国东部沿海黑陶文化时期的许多石器表明，中国在新石器时代末期也有船只驶过台湾海峡。

古希腊人由于同地中海沿岸国家有频繁的贸易往来，同时为了维护其海上势力，就需要大批船只，因而有发达的造船业。那时的商船多为帆船，据说公元前5世纪的希腊商船，载重量一般为250吨左右。战船为了增强机动性，常为桨帆并用。在公元前5世纪进行的反对波斯侵略的战争中，雅典一次就建造了200艘战船，每艘长约130英尺，由分坐三层的17O名桨手划行，用金属包装船嘴以冲撞敌船，船员们用长矛和利剑来杀伤敌方的人员。

古人为提挈重物，先后发明了杠杆、滑轮、螺旋和轮轴等简单机械。这些简单机械，成为后来技术发展的基础。在古代埃及、巴比伦和中国，很早就出现了"桔槔"这种提水杠杆，用以从深塘、河渠或井里把水提到高处进行灌溉。到春秋战国时期，利用轮轴制成的辘轳在中国已得到普遍应用，并成为从矿井中提升矿石和向井下运送支护木料等物品的重要工具。杠杆原理还被广泛用于制造天平、秤、剪刀、手钳、脚踏碓中。

橄榄油和酒类是雅典出口用以换购粮食的主要产品；而从橄榄中提炼油就需要把橄榄压碎，再用木板一层层码堆起来，用载有重石的杠杆加压。后来就发明了由两个固定的柱子和一个沉重的水平顶梁构成的压榨机，用打进许多楔子的办法增大压力；进而又发明了用螺杠向下加压的压榨机。另外，希腊诸城邦之间频繁的战争，也推动了希腊兵器的制造发展，如战船、弓弩、围城机械的制造等。希腊人在战争中还使用施放烟幕和毒气的手段。

托勒密王朝建立以后，实行鼓励科学研究和技术创造的政策。亚历山大城涌现了一批很有成就的工程学家，史称亚历山大里亚工程学派。这个学派是由一位理发师的儿子克达席布斯(活动于公元前285-前222)所创立的。他们曾发明了空气和水的压力泵、水风琴、水钟等。这一时期的机械发明主要集中于三个方面。一是军事机械，如在早先的投石器的基础上发明了石炮；另外还有飞弩车、连发弩、撞城车、海岸用圆炮塔等。二是科学仪器，克达席布斯发明的用流水带动机械动作的水钟，就是在夜间报时用的仪器。公元前2世纪或前1世纪这个学派最著名的机械发明家赫隆发明的车程计，是现代里程表的祖先，他发明的多用照准仪是现代经纬仪的雏型。此外他还发明了虹吸器、水准仪和测温器等。这些仪器的发明对于提高人们观测的精密度，推动科学认识的发展，都是很有意义的。三是机械玩具。赫隆在他所著的《气体装置》一书中，记载了以空气、蒸汽和真空为动力的七八种自动机械装置。如神庙中能"自动开关的门"，自动推出灯芯的"自动调节油灯"，供信徒门洗手漱口用的"自动圣水装置"等。赫隆最著名的发明是玩具蒸汽球。它是把沸水生成的蒸汽导入安装在两轴间的空心球体内；当蒸汽从方向相反的两个喷口喷出时，反冲作用就会使球体旋转起来。这个装置被看作是现代汽轮机的雏形。

古希腊亚历山大里亚时期的著名科学家阿基米德，不仅曾发现了浮力定律和杠杆原理，而且还是一位杰出的工程学家。早在亚历山大城学习期间，他就发明了一种叫作"阿基米德螺旋"的扬水器。这是在一个圆柱体上螺旋状地绕上中空的管子，把它倾斜放置，下端侵入水中，随着圆柱体的旋转，水便沿螺旋管被提升上来，从上端流出。多少年来埃及人就利用这种扬水器引尼罗河水灌溉两岸的农田。阿基米德还是一位伟大的爱国者。在他晚年罗马军队入侵他的国家，围攻叙拉古时，他为叙拉古设计制造了大型投石机；还用杠杆、滑轮和螺旋制成带有铁爪的起重机，能把敌船从水中抓起翻倒入海中。他还用许多镜片组成大型凹面镜，把太阳光会聚到敌船上，将敌船焚烧。

中国在春秋战国时期由于各个诸侯国互相攻占兼并，战争频繁，所以军事技术和兵器制造也得到很大发展。《墨子.备城门》篇述及的攻城器械有：钩(钩梯）、衝(人推的车辆，上装铁头巨木，用以冲破城门）、梯(云梯）、轒輼(四轮车上立木架，蒙以牛皮，下可容10人，作攻城之用）等。守城用的器械有：连弩之车，转射机(可能是装有立轴的弩，可向各个方向转动发射）、橐龠(施放烟幕的鼓风皮囊）等。

当时所用的基本兵器是所谓"五戎"或"五兵"，即刀、剑、矛、戟、矢等。关于弓箭的制造，《考工记》记载当时已有"弓人"、"矢人"、"冶氏"的专门分工，各个部件的制作都有很详细的技术规定。中国弩的发明比西方早13个世纪，弩机大约是在春秋时期发明的，它是在弓的基础上经改进而制造的一种强力武器。最初弩和弓一样是用一个人手臂的力量拉开的，战国以来则出现了装有连杆和脚踏的、用脚蹬方式将踏脚压到地就可将弓拉开的偏架弩，又叫"神臂弓"。据说它可将箭射出300步远，能穿透铠甲上的几层铁片，威力很大。此外还有用绞车开弦的"车弩"，将两三张弓合为一弩的"床子弩"，储备人力和弹力的作用就更为明显了。

【更多精彩文章，请关注微信公众号“地球生物与人类文明”】