复原古机械与中华自主创新思维

复原古机械与中华自主创新思维

根据历史记录，中国的国内生产总值和科学和技术在1500年前是世界的首要地位。难怪李约瑟在深入研究中国古代科技史后惊叹一问:世界工业革命为什么不发生在中国。要回答这一问题确也不易,还与中国长期封建制度统治,科举制度盛行,读书做官泛滥,不重视科学技术的深入研究等等因素有关。随着改革开放的不断深入,中国经济在30年来已有飞跃发展,迫切希望将中国制造改变为中国创造,中华民族喊出了响亮的口号:要实现中华民族的伟大复兴。复兴者就是重新站立到世界先进的行列。为了实现中华民族的伟大复兴,我们应该认真剖析各种各样具有较高水平的古机械,解读前人、古人的创新思维和创新设计方法,弘扬中华民族敢于创新和敢于奋斗的大无畏精神,建立信心超越先进国家,立志重新成为世界先进科学技术强国。先进的机械在古代是一个国家强盛的条件,同样对于现代国家也是生产发达、国防强大的重要手段。中华复兴从研究复原古机械出发。古为今用,发扬光大,把中国建设成为自主创新的强国。1“奇器”与“神器”中国古代常将机械称之为“奇器”,其目的是省力、提高效率,将创“奇器”者称为“奇人”,亦即是古代一批发明家,而将“奇人”所做的设计构思称之为“巧思”。历史上的“奇器”是由“奇人”的“巧思”所做出的巨大贡献。“奇器”是由“奇人”的“巧思”所造就的。中华古机械面广量多,有农业机械、手工业机械、起重运输机械、战争器械以及其他机械。涉及的领域十分广泛。中华古机械另外一个特点:古机械的水平很高,具有当时的世界先进水平。例如,指南车,记里鼓车、被中香炉、木牛流马、水运仪象台等等。同时,在研究中华古机械时,不能见物不见人,见人不见思。中华古机械创造过程中,涌现出无数优秀的发明家,也产生了许多创造性的思维和创造性的方法。这也是掌握智慧宝藏时绝对不能忽视的一个方面。1.1国到明代中国的车种中华古机械,面广量多,有农业机械、手工机械、起重运输机械、战争器械以及其他机械。在我国秦汉时期(约公元前3世纪至公元3世纪),古机械的发明已趋成熟,并传入其他国家,有龙骨水车、水排、风扇车和簸扬机、手织机和提花机、缫丝和纺织机、独轮车、指南车、记里鼓车、被中香炉、地动仪等等。从三国到明代(公元3世纪至公元15世纪),中国古机械还是保持高水平,这个时期,有不少优秀的发明,如:灌溉用的驴转筒车、水转九磨、活塞风箱、脚踏纺车、木牛流马、水运仪象台等等。由此看来中华古机械文化遗产内容丰富,深入挖掘这一宝藏可以起到温故而知新,学习前人的智慧在开拓我们创新思维和创新能力发挥重要作用。1.2地面滚动轴承值得总结。中华古机械不但内容丰富,更重要的有不少古机械的发明水平之高在当时是首屈一指,其创新性实用价值也是举世无双的。例如,指南车(图1)相传有5000年的历史,黄帝凭着指南车在大雾迷漫的战场战胜了蚩尤。而据考证,三国魏马钧于公元235年创造指南车。指南车是一辆双轮独辕车,车上有一木人,伸臂指南。除两个沿地面滚动的是足轮外有大小不同的7个齿轮,以保证木人指向不变。为了解决大转弯指向失灵而增设绳轮离合装置,这种复杂轮系组成的指南车具有很高的技术水准。又如,被中香炉(图2)最早记载为西汉司马相如的《美人赋》,相传至今已有近2000年。它由球形外壳和位于中心的半球形炉体之间有三层同心圆环。炉体、内环、外环和外壳内壁的支承轴线呈三维直角坐标式的布置。相当于现在的陀螺仪的型式。炉体由于重力作用,不论球壳如何滚动而中心的炉体始终保持水平状态。在陕西省扶风县法门寺内就有一个被中香炉的稀世珍品。而在欧洲最先提出类似设计的是文艺复兴时期的大画家、科学家达.芬奇,晚于中国被中香炉1000多年。再如,水运仪象台(图3)是有苏颂于1092年制成。它的上层放浑仪、中层放浑象,而在下层除放水轮、齿轮等内部机械外,还有用木人自动报时、报刻的装置。整个水运仪象台结构巧妙,功能精准,具有很高的设计水平和创造水平。由上述三例,说明中国古机械具有很高的水平,发掘和消化它们创造性成果,将会有利于学习智慧,推动当今自主创新活动向广泛深入方向发展。1.3国内专家对中国科技的贡献鲁班是春秋战国时代杰出的机械发明家,发明了木工工具、木车马、云梯等等。丁缓是汉代的能工巧匠,用现在的话来说是一位能干的工程师。发明了常满灯、九层博山香炉、七轮扇、被中香炉等。马钧是三国时杰出的机械专家,发明了指南车。祖冲之是南北朝的杰出科学家,研制了指南车、千里船、水力驱动的硾与磨。同时他在天文、数学方面也有不小的成绩。郭守敬是元代博学多才的科学家,主持设计了圭表、水运浑象、玲珑仪等等。中华民族自古以来涌现出一批批杰出的科学家、发明家,不乏有一批领军人物。包罗万象的中华古机械推动了中华文明的发展,使当时中国的GDP世界领先;高水平的中华古机械使中华文明雄踞世界之首,为人类的科技发展作出了很大的贡献;人才辈出的机械科学家、发明家引领中华古机械文化蓬勃发展,说明中国并不缺乏优秀人才。如此丰富多彩的智慧宝藏,值得我们去开发和发扬。2强国之梦,显神通于古中华如何将复兴中华从一句响亮的口号落实到扎实的行动,将古中华的辉煌成就的光芒照亮我们去实现强国之梦。研究和复原古机械过程中至少有三方面给我们重要的启示:2.1创造历史的态度古人对古机械的创造发明过程,远比我们想象的困难很多,经历了很长的时间。例如指南车,从周公(周武王之弟)开始,经过西汉一直到三国马钧,其间有1300多年。如果从中国出现齿轮的时间算起,也是经历了400～500年时间在不断完善。又如木牛流马从提出到投入使用至少也有十多年的时间。说明古人创造发明一种古机械是历尽了辛苦,克服了重重困难最终才取得成功,流芳百世,达到世界先进水平。要成为创新型国家,首先应有敢于创新的精神,不能唯西方文明是好,不能永远紧随别人之后。要创世界一流首先应具备敢为天下先的大无畏精神。超越别人,有自己特色才是创一流的根本。2.2诸葛孔明创新的思维中华先贤对于辩证创新思维和经验创新思维的能力是很强的,我们从诸葛亮的“做木牛流马记”中看到这位奇人的巧思,他考虑到在崎岖道路上运粮,不能简单改变外形,采用独轮车,而是采用具有简单的四足步行功能的新车,这既是功能上的突破,又是结构上的创新。联想到诸葛亮的巧妙思维四处洋溢,他的“草船借箭”、“空城计”都是古今闻名的典型创举。诸葛孔明的创新思维来自于辩证思维和经验思维,来源于形象思维。当然创新的基础是丰富的知识,孔明有丰富的天文气象和心理学知识。2.3还原过程的历史资料复原古机械的工作是一项复杂、艰巨的研究工作。先人的记载往往是“惜字如金”,令人难以理解,再加上不少古机械均已年久失传,其功能、结构往往无从考证。在复原过程中,对于古代文献的总体描述要严格遵守不能走样失实。对于细节问题要按历史条件加以再创造。因此,复原古机械的过程也是一个增强我们创新能力的过程。3古代中国的创新思想复原古机械的根本目的不仅仅是复制形形式式的古机械,通过展示来宣扬中华悠久文化,更重要是探索中国古代有什么自主创新思想体系,有哪些创新方法,从根本上寻求古人创新思想的种种表现,以便发扬光大,提升中国人的创新思想体系。3.1世界一流:齿轮系传动,记里鼓车复原古机械中,我们可以发现象指南车、记里鼓车等都是求新突破旧框框的结构,指南车中采用齿轮系传动,记里鼓车采用定传动比齿轮及拨轮和连杆实现定距离击鼓,在当时条件下两项发明均称世界一流。求新精神是自主创新的动力,没有求新精神难以设计出各种各样独一无二的古机械。发扬光大中华自主创新思想体系是我们复原古机械中应该传承的精髓。3.2轮车学派的研究复原古机械中,可以看到木牛流马是三国诸葛亮为了攻魏运粮而研制的运输车辆。根据研究,目前有三种观点:一是独轮车学派;二是四足步行学派;三是轮-足混合车辆学派,如图4曹励华复原的木牛结构。从古文献的记载来看,第三种形式的可能性较大。制作木牛流马的需要十分明确,使用时的客观条件也是清楚的。需求是创造发明的动力,满足使用环境和使用要求是创造发明的依据。这种古机械发明者的务实精神,是发扬光大中华自主创新思想体系的重要内容。3.3种活动轴相联在复原古机械中我们发现古人的创新手段是采用直觉和经验设计,追求创新对象的最优。例如被中香炉,根据《西京杂记》记载是由汉代丁缓发明,兼有熏香与取暖两种用途。被中香炉做成球形,有三层活动环形环,通过互相垂直的三维活动轴相联,能保证炉体绕三个互相垂直的轴线转到自如,炉体在自身重力的作用下方向稳定不变而不会翻倾。这种结构就是当今广泛应用的陀螺仪。我们先人在2000年前就已发明应用,实在不易。这不得不归功于那时已有较先进的直觉设计和经验设计思想,在不断实践中得到最优的解答。4对中国文化遗产的研究中华民族能屹立在世界民族之林,是由于有悠久的历史、灿烂的文化、杰出的贡献和独特的中华文明。我们要实现中华民族伟大复兴,应该对中华民族的历史有更深入的研究,对中国文化遗产有透彻的了