中国古代简单机械

1、中国古代简单机械 PB02203110 汪凯机械的涵义 中国的机械工程技术源远流长，内涵丰富，成就至为辉煌。它与中华民族的形成和发展同步成长，对社会经济、文化的增长起着极其重要的作用，也为世界物质文化的进步增添了光彩。 一般认为机械是机器与机构的总称，它的根本目的是完成预定的机械运动及完成特定的运动(即功能)，然后才是省力。机械具有三大特征： 第一，它是许多构件的组合体； 第二，其各构件间具有确定的相对运动； 第三，它能转换机械能或完成有效的机械功。 凡具有以上三个特征的是机械，而仅具有第一、二特征的是机构。中国古代简单机械的特点 中国古代简单机械的产生和发展有它自身的特点，概括起来， 有以下

2、几点： 第一，以农业机械为主。 第二，还有大量的与纺织业，冶铸业相配套的机械装备。 第三，战事频繁使军事技术受到高度重视，对古代机械 的发展也 起着推动作用。 总之，从农业、纺织、采矿、冶铸、交通、军事等方面均出现了用简单机械代替旧有工具的趋向。它们是以杠杆、斜面、滑动、轮轴等力学原理为基础发展起来的，因此，既提高了工效，又节省了劳力。在军事上，则提供了攻守兼备的新式武器装备。各式简单机械 这里的简单机械主要是指利用杠杆、斜面、螺旋、滑车、轮轴作功的简单机械。包括以下几种： 一，杠杆一，杠杆 杠杆是中国古代应用最普遍的简单机械，包括桔槔、藉车、 衡器等。 二，斜面与螺旋二，斜面与螺旋 中国古代

3、关于斜面与螺旋的利用比较早，主要有斜面、尖 劈、螺旋几种形式。 三，滑车与绞车三，滑车与绞车 以杠杆原理为基础，包括有滑车、辘轳、绞车等。这些机 械在中国发明较早，应用也相当广泛。 四，轮轴四，轮轴 两物触地，在相同的条件下，滚动比滑动省力。这一力学 原理，人类在很早以前就已经懂得利用。本文列举一些日 常应用、看起来非常简单的轮轴机械，如车、石碾、石磙 子、研朱。杠杆1.桔槔: 亦称吊杆，提升机械。这种机械结构简单，利用杠杆原理，在河边、井边竖一立木，或就地利用树叉，架上一根横木，一端绑上配重(石块)，另一端系绳 (或细杆)及汲水器，用这种机械灌溉，其功效当然比抱缶而溉要高得多，如图所示。由于

4、它制作简易、使用方便、省力，因此用途很广。2.藉车 亦称抛石机，与桔槔相同，利用杠杆原理作业，是一种攻守兼备的战具。藉车的结构是：固定柱长为十七尺，埋于地下部分为四尺，臂长三十至二十五尺，用一根粗大的圆木做臂，而是用铁丝将几根较细的圆木捆绑在小于二十四尺的不能用。古人不是一起，既增强了臂的强度，又增加了弹性。支点放在臂的四分之三处，臂的一端叫上端，在其顶端系一装石用的马颊。马颊长二尺八寸。为了确保投石的速度与距离，以支点为中心，在臂的两边各装一个飞轮，名“困”。它将人的部分拉力所形成的动能积蓄在飞轮之中，在抛石的一瞬间释放，以助石块抛掷。困的大小与抛石的距离、石块的大小、人的拉力有关。战争中需

5、要远距离的投射。困就要做大些，拉的人也得多些，亦即“藉车之力而为之困”。 3. 称 衡器，相传起源很早，目前所见较早的衡器实物是环形铜权，1975年在湖北江陵雨台春秋墓出土 (约公元前5世纪以前)。中国古代最早使用的衡器是天平。 随着古代农业与商品经济的发展，衡器也在不断地变革，它由天平、不等臂秆到提系杆秤的这个发展过程是渐进的，在某一时期会出现各种衡器同时使用的情况。其后不等臂秤逐渐被淘汰，而天平与提系杆秤则一直沿用至今。在使用不等臂秤时，无论是本端(重臂)或标端(力臂)的任意一边，增加重物或权。 秤的平衡就会被打破，若在本端加重，则必垂，要保持衡的平衡，秤的提纽向本端移动，若衡的提纽在衡的

6、中间位置固定不能移动，则移动本端的提系，向中心提纽靠拢，上述两种方法都是要维系衡的平衡。而后一种方法平衡的结果是“则本短而标长”。若在这种平衡状态下，两边又各加相等的重物，平衡再次被打破，“则标下，标得权也”。这里把力臂乘法码，等于重臂乘重物的扛杆原理，生动地描述出来了。斜面与螺旋1.斜面 同水平面成一倾角的平面，其倾角通称为升角，沿斜面提升物体比垂直提升要省力基于这一力学原理，古代宫殿建筑材料上运斜面提升是一个很好的方法。而森林砍伐，木材外运，利用山坡滚动而下，可达事半而功倍之效：这种斜面省力的经验，早在日常生活中为古人所利用。古人利用这一原理制造的工具有杵臼和犁铧等。当杵下舂时，被舂的谷物

7、沿臼壁斜推而上，这实际就是斜面提升：当谷物沿壁升到一定高度时，在自重与震动力的作用下，又回落到底部，被二次加工。如此往复，谷物可脱壳或被加工成粉。如图犁铧，呈V字型，中间有一凸起的脊，使犁体略呈斜面，随着犁壁的使用，犁铧与犁壁相结合，成为真正的斜面体。这不仅改善了犁的入土性能，而且起到了翻垡、碎土的作用。2.尖劈 为斜面利用的一种形式。其两平面必须成锐夹角。它的锐角越小，在相同作用力下，产生的劈力就越大。归纳起来，古代对尖劈的利用，主要有以下几方面：其一，用作工具。中国古代很早就懂得将尖劈与杠杆原理相结合。如陕西省风翔县秦公一号大墓(春秋中晚期秦国国君秦景公之墓)出土的一把青铜手钳，结构合理，

8、扣合严密，大小与现代手钳相似。其后出现的剪、铡等工具，均属这一类（图为出土的铁剪）。其二，用作兵器。从最原始的镞头，到铜、铁制的刀、枪、剑、矛等冷兵器，无不与利用尖劈原理有关。其三，楔的应用。楔不仅可用于古代森林砍伐，也可以起紧固作用。中国古代许多宫殿建筑，可以不用铁钉，只用卯和楔。楔既起张紧作用，又起连接作用。关于这方面的事例，以榨油机最为典型。图为明代南方榨。3.螺旋 具有螺纹的圆柱(或圆锥)体，也属斜面类简单机械，起增力、推进及连接的作用。中国古代把螺旋原理应用于实际生活中，其起源是相当早的。但以后在机械工程中，没有充分发挥它的作用，以致落后于西方。中国古代将这原理比较多的应用在古塔建筑

9、中：著名的西安大雁塔，建于唐代高宗李治永徽三年(652)，为方形砖塔。历经宋、明、清等多次修缮，现有七层，高641米。在塔内有限的面积与空间里，修一螺旋式的楼梯，结构紧凑，游人可盘旋而上，直至顶层。还有流传中国民间久广的儿童玩具竹蜻蜓(如图)，用手搓蜒杆，使挺片呈螺旋状旋转，推动空气而飞升。这与现代直升机的螺旋浆原理极为相似，它约于18世纪传入欧美，被称为“中国陀螺”。滑车与绞车1.滑车 主要构件为木架、滑轮、短轴及绳索，其核心构件是滑轮。滑车是用绳索绕在滑轮中间的槽内。滑轮中穿一短轴，两端固定在木架上，这种机械叫定滑轮滑车。春秋时滑车已扩大到用于军事方面，秦汉时期，滑车已被普遍使用。如成都东

10、站东乡西汉墓出土的陶井、河南洛阳出土的汉陶井模型（图）及山东嘉祥桔槔画像石等，都有定滑轮装置的滑车。 但不论哪一种滑车，都有一个共同的特点，它们仅仅是改变了作用力的方向使施力比较容易，但并不省力。2.辘轳 利用轮轴与杠杆原理相结合的简单起重机械。它的主要构件有木架、轮轴、曲柄及绳索，核心构件是轮轴。一头较粗，呈圆柱形，上装曲柄。另一头细长，支持在木架上。这种圆柱体本身不能单独绕轴旋转，而整个轮轴可以自由转动的方式恰好与滑轮、滑车相反。春秋战国，辘轳与滑车同时流行，并应用于农田灌溉、矿业开采、工程建筑、军事等方面。（图取自天工开物）3.绞车 为古代起重机械，其结构与原理基本和辘轳相同。只是绞车手

11、柄的回转半径比卷袖的半径要大得多。因此，它在提升重物时更省力。春秋战国时期的“木辘轳轴”，实际上是绞车的卷轴(图)。这是迄今中国发现的最早实物。其轴长250厘米，两头放出轴头，轴的两端各有两排疏密不同的孔。疏孔为6孔，密孔为14孔。疏f孔用于安装手柄密孔沿轴一周均匀分布，以便在孔内镶嵌长木条。用这种方法，既减轻了整个卷轴的重量，又增大了卷筒轴的半径，改善了提升能力。轮轴1.车 轮轴机械中最典型的机械。早在商周，车已经是军事上不可缺少的装备，在春秋战国，车战已成为军事上一种主要的作战方式。双方交战，出动的战车，少则几十辆，多则上千辆。如孙子作战篇所描述的“驰车千两，革车千乘，带甲千万”，当时各诸

12、侯国拥有的战车的多少，是该国军事实力强弱的一个重要标志。因此，有“千乘之国”之说。除此之外，有帝王、贵族用的车，有一般平民用的车，有运输用的车，有独轮车、双轮车、三轮车、四轮车及多轮车，车成为中国古代轮轴机构中最为显著的一种系列机械。（图为商代轮）2.石碾 谷物加工机械和中国北方的盖种工具。从图可看出，石碾为圆轮形(也有的为圆柱体)。无论哪一种形式，由于简单、方便、耐用，在农村一直沿用至今。3.石磙子 每当秋季作物收割、翻耕、播种之后，紧接着就要用石磙子碾压，使种子很好地着床，有利于出芽。这种石磙子有两个小石轮(亦叫陀)， 中穿一细长的轴。工作时如天工开物乃粒所说“用驴驾两小石团，压土埋麦”。这种轮轴工具简单、实用，至今在北方一些农村仍沿用着。3.研朱 朱砂加工机械。在柱下端固定一短轴，轴上穿一铁碾轮。短轴不能转动，而铁轮可绕轴旋转。轮下有一月牙形铁碾槽，立柱上端穿在