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| 中外科学家发明家丛书：祖冲之 （五） | 发布于:2013/01/28 | |
| 五、多才多艺的发明家 除了上述在数学和天文学方面的巨大成就外，祖冲之还可以称得上是一 位天才的机械发明家。他在机械制造与发明方面的成就是很多的，以下分成 四个方面加以介绍。 重造指南车 公元464年，刘宋孝武帝去世，前废帝即位，统治集团内部斗争十分激 烈，和祖冲之有关系的皇族刘子鸾被杀，祖冲之也被调到娄县担任县令。到 刘宋末年，他才被召回到都城建康，任谒者仆射这一职务，这是掌管朝廷宴 会、皇帝接见大臣的朝见以及办理重大受封典礼的礼节官员。在此期间，他 的研究方向，几乎完全转到机械制造方面。此时他在机械方面最早的一项工 作是他重造了指南车。 指南车是一种双轮独辕车，它的作用类似于指南针，是用来指示方向的。 车上立一个木人伸臂南指，只要一开始、行车的时候，使木人的手臂指向南， 那么此后不管车子向何处拐弯，木人的手臂就始终指向南方。 指南车是何人在何时发明的，现在已无法探究了。传说在上古黄帝时期， 黄帝部落和南方的 （音chī）尤部落作战，遇上大雾，无法辨清方向，于 是黄帝就制造了指南车，认明了方向，打败了 尤部落。当然这已经无法证 实了。根据史书记载，东汉杰出的科学家张衡总结了以前的机械制造经验， 制造过指南车，并且获得了人们的好评。三国时卓越的机械巨匠马钧也制造 过指南车。但是他们关于指南车的制造方法很快失传了，制造原理也没有留 下什么记载。 到东晋时，北方的后赵、后秦统治者都令人给他们制造过指南车，这当 然不是为了指引方向，而是在出巡时讲排场罢了。东晋义熙十三年（公元417 年），大将刘裕率晋军北上攻占后秦首都长安（今陕西西安市），灭掉后秦。 刘裕在长安获得了指南车，将它运回江南。可是这时，这辆指南车只剩下一 个空架子，内部机械已经完全散失。因此每当行走的时候，只好让人藏在车 内来转动木人，使它指向南方。后来刘裕和他的子孙做了皇帝，都是用这部 旧指南车做做样子而已。 刘宋末年，萧道成当了禁军首领，他打算有一辆真正的指南车。这时祖冲之正任谒者仆射，平时又有博学之名，于是萧道成找到祖冲之，希望他能 够重造指南车，祖冲之答应了。以前所造几辆指南车，其内部机械可能是木 制的。祖冲之经过详细研究，把内部机械部件改用铜制，灵敏度自然比木制 的要高，这是一项成功的改进。指南车造成后，萧道成让两个手下大臣去试 验车的性能。试验的结果证明，这辆车构造精巧，运转灵活，不论朝什么方 向转变，木头人的手始终指向南方。在场的人纷纷称赞祖冲之的才能。 就在这时，北朝有个叫索驭 （音lín）的人来到了建康，声称也能制造 指南车。萧道成便让他再制造一辆。制成后，萧道成下令让这一辆和祖冲之 的那辆在乐游苑（皇家花园）里进行比赛。结果，索驭 的那辆指南车比不 上祖冲之的灵活，运行中时常指不准方向，索驭 非常羞愧，只好把自己的 车给毁掉了。而祖冲之制造的指南车，不久也毁于战火，指南车的制造方法 再次失传。 到北宋时代，有两位能工巧匠燕肃和吴德仁分别于公元1027年和公元 1107年各自造出了指南车。这两辆指南车虽然也早已失传，但制造原理却得 益于《宋史》的记载而保存下来了。指南车的主要部分是一组五个齿轮所组 成的差动齿轮机；在车厢中间安装一个大平轮，上面竖一长轴，轴上有一木 人；左右各装一小平轮；外侧各装一立齿轮，起转动作用，能够跟随左右的 行走轮转动。车行之前先将木人之手指向正南。当指南车一直向前行驶的时 候，左右水平轮和中心大平轮是分离的，不相接触，因此两边行走轮的转动 不影响中心大平轮。如果车向左转弯，右边的行走轮就会带动立齿轮、牵动 小平轮，小平轮又使大平轮向相反方向转动。因此中心大平轮受右边行车轮 的影响而向右转动，恰好能抵消车辆向左转变的影响，使木人手臂仍旧指向 南方。车子向右转变也是同样的道理。 祖冲之重造的指南车，其具体结构不一定是和燕肃、吴德仁的一样。但 无疑也是用差动齿轮原理制造的。因为在祖冲之以前很久我国劳动人民就发 明了齿轮，而且指南车只有通过齿轮的作用，才能很好地解决传动、变速、 变向等问题。所以祖冲之采用这种原理是必然的。 制造水碓磨 刘宋的统治由于不断的内争而日益削弱，朝中大权就落到了禁军首领萧 道成手中。他趁刘宋衰落之机，于公元479年夺取了政权，在建康做了皇帝， 改国号为齐（历史上称南齐）。随后的十几年中，南齐境内没有大的战乱以 及内争，国家出现了暂时的稳定局面，农业生产有所发展。 由于祖冲之曾经长期做过地方官，比较了解劳动人民的生活疾苦和生产 实际状况。所以在这段时期他关心生产，用很大精力研究农具的提高与改进 的问题。他把前人的发明创造加以改进，取得了新的成就。水碓磨的创造就 是其中最重要的一项。他在做地方官时，就注意到农民春（音chōng）米、磨粉很费力，就想利用机械来代替人力，提高工作效率以便减轻农民的劳动 强度。现在，他利用在朝做官比较清闲的机会研究出了粮食加工机械，称为 水碓磨。水碓磨造成后，进行了公开试验，运行效果很好，齐武帝也亲往观 看。 水碓磨是利用水流冲击的力量进行工作的水利机械。礁和磨是我国过去 粮食加工的主要工具，为了把谷物的皮壳去掉，人们在很早以前就知道用杵 舂米的方法，不过效率很低。到了汉代，人们就开始利用水力舂米的水碓。 在战国时期，南方已经采用水力代替畜力进行磨粉，发明了水磨。水碓和水 磨的发明，提高了一定的劳动效率。西晋的杜预发明了连机碓，利用水力同 时驱动几个石杵舂米；同时他还创造了水转连磨，在水力充足的地方，能带 动八个磨同时进行磨粉。连机碓和水转连磨的发明，无疑提高了粮食加工的 效率。但是它们是分开的，碓和磨不能同时使用，仍有不方便之处。祖冲之 的水碓磨就是根据连机碓和水转连磨的结构而改进的，他把水碓和水磨结合 起来，能同时舂米和磨粉。由于这种机械直接服务于农业劳动，因此得以推 广，流传至今，虽然有所改进，但仍是在祖冲之的基础上进行的。 水碓磨的创制是祖冲之在机械制造方面的重要贡献。 计时器及欹器 做为天文历法科学家的祖冲之，由于研究的范围很广，所以也对计时器 进行了研究改革。他制造过计时器——漏壶。 祖冲之从青年时代开始就用大量时间从事天文观测。他观测所使用的仪 器，除前面提到的铜表之外，还有计时器——漏壶。只有时间比较准确，观 测所得到的结果才更可靠。因此，祖冲之对传统的计时器漏壶进行了研究， 并有所改革。 漏壶计时是这样的：上面有一个底部有小孔的斗，里面盛水；下面有一 个桶，其中立一个很轻的浮标，上面有刻度。古时把一昼夜分为一百刻，故 浮标上的刻度也就有一百个。用一根很细的管将斗底部的小孔与桶连接，使 斗里的水一滴一滴地流到桶中。由于桶中的水不断增加，水面增高，浮标随 之上升，根据浮标上的刻度就能知道时间。 浮标上的一百刻又按十二个时辰划分成几段，用段的分界点代表一些特 殊时间。对于特殊时间的安排，历代漏刻有所不同。祖冲之对此作了重新安 排，使之更符合人们的作息规律，便于对时间的安排。 祖冲之还制做过欹器。“欹”，是倾斜的意思，“欹器”，是指自由状 态下放置时呈倾斜状态的器皿。早在五千年以前，陶器已普遍使用，在出土 文物中有一种尖底陶罐。它底尖、口小、中间大肚，腹部有两耳。不盛水时 成倾斜状；水不太满时就直立；水满了就自动倾斜，将水倒出一些，继续保 持直立状态。这是根据重心原理制造的。用它去提水，当水快满的时候，水罐就自动直立，便于人们提水。到了春秋时期，根据尖底陶罐的原理，有人 制造了欹器。孔子用它来教育自己的学生要谦逊，把“谦受益、满招损”的 寓意赋予给了欹器。然而欹器的制造方法到东汉却失传了。 祖冲之时，齐武帝的儿子竟陵王萧子良十分喜好古玩，但找不到欹器的 实物。祖冲之就造了一件欹器送给他，并希望他能记住欹器所具有的特殊含 意。而在祖冲之前二百多年间，从没有人制出过成功的欹器。 交通及运输工具的改进 交通和运输工具随着社会的不断发展，逐渐地提高自身的速度及运载 量。内外贸易、人员的流动、战争等方面的因素，都需要更方便迅速的交通 工具。南朝大部分地处水乡，长江、珠江等水系有很大面积都在南朝境内， 此外还有很多的湖泊水泽以及漫长的海岸线。因此水上交通对于南朝非常重 要。当时南朝的海外贸易也有所发展，造船技术不断地改进和提高。 在这种客观条件下，为了适应经济发展的实际需要，发展航运事业，祖 冲之注意研究水上交通工具。经过反复调查、设计和试验，他制造了一种千 里船。这种船不用帆和桨，靠转轮激水前进。千里船制成后在建康南面的新 亭江中试航，一天能航行一百多里，速度高于一般的船只，有些类似于近代 的轮船，只是它的动力依然要靠人力来提供。后来在唐、宋时代，也出现过 这类船只。 对于陆上交通工具，祖冲之也有研究和发明。为了改进陆上运输交通工 具，他从各方面搜集资料，进行试制。他从《三国志》上看到诸葛亮发明“木 牛流马”来运输粮草的记载，受到启发，经过长期研究，创制了一种陆上运 输工具。这种工具的构造很巧妙。据古书记载，这种运输工具不用借助风力 和水力，不用人来操作，发动一个机关就能自己运行。可惜这种运输工具没 能流传下来。 |
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