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三国时期的著名机械制造专家马钧的介绍

[日期:2007-09-13]   发布:物理组   阅读:4029次       [字体: ]
    

马钧的介绍

马钧是三国时期的著名机械制造专家,具有高超的制造技巧,发明和制造了织绫机、水车、指南车等多种机械,成为我国古代非常有名的机械发明和制造专家,为古代机械制造技术的发展作出了巨大贡献。
  马钧,字德衡,扶风(今陕西兴平东南)人。生活在三国时代的曹魏时期,生卒年代不详。他从小不善言辞,说话不多,但是很喜欢读书、思考问题、善于动脑子,尤其喜欢钻研机械制造方面的问题;同时他又非常注重实践,勤于动手;这样就养成了善于吸收新知识的习惯,又有比较熟练的实际技能,为从事机械制造打下了一定的基础。他早年生活比较艰辛、贫困,长时间住在乡间,使他有更多的机会接触劳动人民,对他们的疾苦和繁重劳动有深切的了解和体会,因而他比较关心生产工具的变革,并决心用自己的知识和技术为老百姓服务,改善他们的生产和生活条件。
  马钧对机械的研究制造始于改革织绫机,织绫机就是织造""的提花机,""是一种表面光洁的提花丝织品,这是在我国传统的丝织品基础上发展起来一种比较高级的产品。我国丝织技术有着悠久的历史,早在商代就已经运用平纹织法和丝织法织造几何图形图案的丝织品。春秋战国时期的丝织品已达几十种之多,品质也有很大提高,秦汉时期我国的丝织技术已经达到相当高的水平,现已出土这一时期大量的提花纹纱和以经丝显花的彩色织锦。丝织技术的发展得力于织造工具的进步,商朝已经出现平纹织机,周朝就出现了提花织机。在战国末期已经开始使用足踏织机。这是丝织技术划时代的成就,因为利用脚踏板作提综开口的装置,手就能腾出来投梭,手脚配合效率大增。到汉代,丝织机又有了重大改进,出现了一种新的提花机,即120·120踪的织绫机,用这种织绫机60天才能完成一批散花绫,效率相当低,而且织机的构造和操作相当复杂。三国使用的织绫机已经比汉代有所简化,出现了"50·50""60·60"的织绫机。但是这种织绫机仍嫌复杂、笨重,操作不便,劳动强度高,生产效率低,织工辛辛苦苦织一匹绫子需要一个月的时间。马钧觉得有必要进一步改进,设计出一种更为简单、方便实用的织绫机,减轻工匠的劳动,织出更多的""满足社会需要。为此,马钧对织绫机进行了深入细致的观察、研究,对影响织机操作的因素进行了全面分析,他发现""的花色、图案有许多是对称重复的,利用这一点可大大简化绫机的结构和操作。为此,他进行了反复试验,最后把原有的织绫机一律改为12蹑,一下子使织绫机的结构简化很多,操作也更加方便,劳动生产率提高好几倍,而且织出的绫的色彩、图案、质量也有所提高。据说曹魏景初元年(公元237年),日本使者来访,魏明帝赠给日本大批丝织品,其中许多就是用马钧改进后的织绫机织成的。这种高效的织绫机很快就传播到其他地区,得到广泛应用,促进了中国纺织业的发展。
  马钧的另一突出成就是制成了久已失传的指南车。指南车又名司南车,是古代帝王出行时的先驱车,车上站一木人,伸展手臂指向南方,不管车子怎样转动,手臂总是指向南方,因此利用此车可以指示方向。这是古代劳动人民的一项发明创造,最晚在西汉时就已经出现,东汉时著名科学家张衡曾经再次制造指南车,不幸的是,到三国时期指南车再次失传,许多人已不知道指南车的结构和原理。魏明帝青龙年间(公元233236年),马钧曾在京城担任小官职。有一天,马钧和一部分官员在朝房里辩论时谈到了指南车,他们为此发生了争论。当时在场的散骑堂侍高堂隆和骁骑将军秦朗认为:古书上关于指南车的记载是虚构的,不能信以为真,古代并没有制造过什么指南车。马钧则坚信古代有指南车,不同意他们的看法,他说道:"古代很有可能制造过指南车,只是我们没有进行深入的研究而已;其实制造指南车并不是人们想象的那么难,只要肯下功夫,认真钻研,是可以造出来的。"他这一番话遭到了高堂隆和秦朗的讥笑,他们讽刺道:"先生名钧,字德衡,钧是器物的模型,衡是用来定物轻重的;可你说话连轻重都不分,难道可以作为模型吗?"(古代制陶器所用的转轮叫陶钧)马钧反驳道;"空口争论有什么用!莫如试制一下,自然就可以分清谁对谁错",高堂隆和秦朗同意了马钧的要求,并把这件事报告了当时的魏明帝,魏明帝就命令马钧进行试制以明是非。马钧仔细研究了古书的简略记载,经过刻苦钻研,提出了初步设想,然后在许多工匠帮助下,进行了反复试验,在不太长的时间内终于制成了指南车。高堂隆和秦朗在事实面前哑口无言,只好认输。马钧以自己的实际成果结束了人们的争论,赢得了众人信服,自此以后,全国都佩服他的才能和技巧。
  在马钧之后,又有很多人制造过指南车,如南北朝时的大科学家祖冲之曾将一辆只有外壳的指南车予以修补,增添了内部结构。但历代史书关于指南车的记载都相当简略,缺乏具体的机械结构和原理,使后人难以进行仿制。指南车失传后,后人的制造等于再度发明。宋朝时,著名仪器专家燕肃于公元1027年,吴德仁于公元11O7年又先后重新制造了指南车。《宋史》对他们的制造方法和指南车的内部结构作了比较详细、明确的记载,根据此书人们知道了历代指南车的大致结构。解放后,中国历史博物馆根据历史文献复制了指南车的模型,陈列在中国通史展览厅,在参观历史博物馆时就可以看到。根据文献记载和今人的研究,指南车的结构和原理大致如下:指南车有两个直径为6尺的轮子,两轮之间的间距也是6尺,每一车轮的内侧都有一个带24个齿的小齿轮;车中有一个带48个齿的大平轮,轮中坚一立轴,轴上有一本人;在大平轮和车轮边的小齿轮的上端有一小平轮,小平轮由一根绳索通过滑轮和车辕的后端相连。当车直行时,车辕的前端和后端方向没有变化,两边的小平轮悬在大平轮和小齿轮的上端,大平轮不转动,竖轴上面的小木人手指正南方不变。当车向左转弯时,车辕前端向左,后端则向右偏,这样系在车辕后端的绳索就会左紧而右松,右边的小平轮就在铁坠子的重力作用下沉,嵌人车上的大平轮和轮内侧的小齿轮中间,与二者的齿轮互相咬合;如果转子向左转了90度,车子的右轮就会向左转90度,同时向前转动半周,轮侧的小齿轮则向前转动12齿(半周),小齿轮带动小平轮相应向左转12齿,小平轮则带动大平轮向右(相反方向)同样转动12齿,转动的角度恰好为90度,大平轮竖轴上的木人同样向右转动90度,抵消车子的左转,使木人始终保持指向南方,指南车设计的关键是大平轮和小平轮的自动离合。这种巧妙的设计代表了我国古代机械设计和制造的高超技艺。
  马钧制造的另一种有名机械是用于农业灌溉用的翻车,这是我国古代灌溉工具的重大革新。我国在东汉以前的主要提水工具有两种,一是桔槔,一种是辘轳。桔槔早在春秋战国时代就已经应用,它的结构为:在井旁的树上或木架上用绳子固定一根横木,横木的一端系桶,另一端坠个石块。当桶向上提水的时候,由于运用了杠杆和坠石的作用,比较省力和方便。辘轳比桔槔又前进了一步,它主要是利用轮转原理进行提水,特别适用于深水井。但这两种灌溉工具都有一个共同的缺陷,就是只能间隔地由低处向高处提水,不能连续运动,因此效率比较低,也比较费力。马钧住在京城洛阳的时候,看到城里有一片地可以种菜,但是因为地势比较高,难以解决引水灌溉问题,为此马钧经过查阅古书,深入研究古代的灌溉工具,经过不断试验、探索,设计制造了一种新的灌溉机械--翻车。
  据史书记载,在马钧以前的大半个世纪,东汉的毕岚曾经制造过一种翻车,但这种翻车是用来取河水喷洒道路的,能否用于灌溉,史书没有记载。而马钧所造的翻车则是可以直接用于农业排灌,它结构精巧方便,可连续不断地提水,轻快省力,连儿童都能转动,效率比其它提水工具高出许多。因此,翻车出现以后,受到社会的普遍欢迎,迅速得到推广,并沿用了1000多年,直到今天在我国一些地区仍然可以见到。在近代水泵发明之前,翻车是当时世界最先进的提水工具。后来经过历代劳动人民的不断改造、更新,又出现了以畜力、水力、风力等作为动力的牛转翻车、风转翻车和水转翻车,它对于灌溉农田、发展农业生产发挥了巨大作用。
  马钧制造的翻车,因为当时缺乏详细记载,具体构造已经不得而知。元朝王祯《农书》中有关于翻车的明确记述,并绘有翻车图;清代麟庆所著《河工器具图说》记载了翻车的结构。由以上两书我们可知翻车大致结构为:车身用三块木板拼成矩形长槽,长槽长约2丈,宽约47寸,高约1尺;在长槽一端安装一个比较大的齿轮轴作主动轴,主动轴较长,两端各安四个拥木作为踏板;在木槽的另一端安装一个比较小的齿轮轴,两个齿轮轴之间装上龙骨叶板作的木链条,木链条上拴上串板,穿过长槽。使用时,使木槽斜置在水边,小轮轴一端浸入水中,人站在架子上,踏动拐木,带动大轮轴,串板就会在槽中刮水而上,到槽端将水排出,再沿长槽上端返回水中。这样就可以把水从低处送到高处,实现连续灌溉。
  马钧制造翻车不久,有人给魏明帝进献了一种叫"百戏"的木制模型(相当于现在的木偶)。这个模型造型精美、设计巧妙,可惜已经不能活动。魏明帝就问马钧,能不能想法让他活动起来,并且要比以前更加巧妙,马钧很有信心地答道:"可以"。于是魏明帝就让马钧对"百戏"进行改进。为此马钧对"百戏"的结构进行了认真的研究,并进行分解以了解了其中的每一个零件,同时参阅了历史上的有关文献,在此基础上确定了基本设想。马钧首先用一块木料做了一个大轮子,平放在地面上,用水力驱动旋转;然后在轮子上放置许多木人,设计一套传输装置使木人活动起来,表演各式各样的节目,如乐工们击鼓的击鼓,吹策的吹萧;歌女们或放声歌唱,或翩翩起舞等。马钧还设计出不同的模型,可以表演不同的节目。如山岳模型,只见有的木人在山间跳丸《古代一种杂技,以手搓丸,双手交替进行)、掷剑,有的则爬绳倒立,木人进进出出,一派山村娱乐形象,又有百官行暑模型,有的木人在春米磨面,有的则在斗鸡杂耍,动作复杂、灵活多变、栩栩如生。这就是古代有名的"水转百戏"。可惜这种机械已经失传,古代记载也比较简略,我们已无法知道它的具体结构和设计,但是可以设想,要使那么多的木人不断活动、变化,其中的机械结构一定相当复杂和巧妙,展示了马钧高超的设计思想和卓越的制造技巧。
  马钧还善于制作兵器,有许多独到的设想,只可惜当时的统治者不重视,有不少设计未能付诸实施。当时,魏、蜀、吴三国之间经常打仗,有一次,诸葛亮率兵攻打魏国,使用了一种新式连弩,可以连续发射几十支弩箭,威力比旧式大许多倍,魏军感到颇为惊奇。后来魏军捡到一支,让马钧观看,马钧看了之后认为:虽然连弩很精巧,但不是最好的,还有改进余地,如果他来进行改革,效率还能提高5倍,只是马钧因故未能实施制作。三国时官渡之战,曹操曾使用一种发石车攻击袁绍的阵地,这种发石车可以抛出大石块攻击敌人,有一定威力。但是这种发石车也存在某些缺陷,如速度较低,只能单发,不能连续射出等,因此如果敌方在城楼上挂起湿牛皮,就能拦住发石车抛出的石块。因此马钧对此进行了改进,设计了一种新的攻城机械--轮转式连续抛石机。他打算制造一个竖直绕轴转动的大木轮,在轮子的边缘用绳子拴上几十块大石头,然后用机械带动大轮迅速旋转,轮边的悬石也跟着一起旋转,等到旋转速度很大时,切断系石的绳索,石块就会连续不断发射出去,攻击敌人的城楼,使敌方来不及防御。马钧曾经用车轮和几十块砖瓦做试验,在车轮边拴上石块,结果砖瓦连续飞射几百步远(1步合1.45米左右),威力很大,这证明他的设计是可行的。但是这种设计却遭到地图学家裴秀的讥讽和发难。马钧的朋友、文学家傅玄很赏识他的才华,支持和理解他的设想,并为他多方活动,希望能找到一个支持马钧进行试制的机会。傅玄向安乡侯曹羲推荐了这一发明,但是曹羲以马钧不善言辞,讲不出其中的道理而加以拒绝;傅玄又进行了耐心的劝说,说道:"马钧先生制造的是国家需要的精利兵器,官兵正等着急需,只要费一点木材,找两个人就能制造出来,何不试验一下,以免埋没了有用的东西。"在傅玄苦口婆心的劝导下,曹羲才接受了这个建议,并把情况转告给主持军事的武安侯曹爽,但是曹爽却没有理睬这件事。所以马钧的设想始终未能变成现实,这是令人遗憾的。为此马钧的好友傅玄感叹道:"试验一下,本来是极容易的事,可是象马先生这样有名的巧人尚且不被重视,更何况那些怀才的无名之辈呢!后人一定要记住这个经验教训啊。"
  马钧在机械设计和制造方面的才能当时就已闻名于天下,受到人民的钦佩。他的好友、文学家傅玄称赞他是"天下之名巧",史学家裴松之为《三国志》做注时写道:"时有扶风马钧,巧思绝世"。这是对马钧的恰当评价,在中国古代科学技术史上马钧是古代机械制造专家的杰出代表,他的功绩和名字将永载史册,为后人所铭记。