机械的发明和应用

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机械的发明和应用

从古至今，从金字塔建设时的简单机械滑轮到目前世界最高建筑迪拜塔，从工业革命时蒸汽火车道现在动辄突破400公里时速的高速铁路，从莱特兄弟的第一次人类起飞到现今外太空的探索。世界发生了翻天的变化，这一切都与我们的机械发展密切相关。机械的飞速发展给人们带了的福音毋庸置疑，与此同时，副作用也接踵而至。那么，我们究竟应该采取怎样一种态度来正视世界机械的发展呢？机械的发展又是怎样由来的呢？

机械是机器和机构的总称。各种机械都是用来传递与变换运动和力的可动装置。至于，机器则是根据某种使用要求而设计的执行机械运动装置，可用来传递和变换能量，物料和信息，机械是人类生活和生产的基本要素之一，是人类物质文明最重要的组成部分。机械的发展是人类区别于其他动物的一项主要标志。人类自从用机械代替简单的工具，使手和足的“延长”在更大程度上得到发展。而经过三次工业革命的洗礼，机械的飞速发展，更是使人类社会发生了巨大的改变，可以这样说说，世界机械的发展史，就是人类超越自我，探索未知领域的发展史。

我国是世界上发明和利用机械最早的国家之一，有些发明居世界前列。在机械原理、结构设计和动力应用等方面都取得较高成就。春秋时期(公元前770----前476年)就发明了蕴涵杠杆原理的桔槔;自东汉始，形状用途各异的齿轮广泛应用在水转连磨、指南车、记里鼓车等机械上;在原动力方面，逐步从人力、畜力向利用水力、风力的方向发展，机械传动方式亦逐步扩大。

机械发明

1、杠杆在中国的典型发展——秤(天平)

杠杆在中国的典型发展是秤的发明和它的广泛应用。在一根杠杆上安装吊绳作为支点，一端挂上重物，另一端挂上砝码或秤锤，就可以称量物体的重量。古代人称它“权衡”或“衡器”。“权”就是砝码或秤锤，“衡”是指秤杆。迄今为止，考古发掘的最早的秤是在长沙附近左家公山上战国时期楚墓中的天平。它是公元前四到三世纪的制品，是个等臂秤。不等臂秤可能早在春秋时期就已经使用了。古代中国人还发明了有两个支点的秤，俗称铢秤。使用这种秤，变动支点而不需要换秤杆就可以称量比较重的物体。这是中国人在衡器上的重大发明之一，也表明中国人在实践中完全掌握了阿基米德杠杆原理。

2、桔槔

       桔槔是在一根竖立的架子上加上一根细长的杠杆，当中是支点，末端悬挂一个重物，前段悬挂水桶。当人把水桶放入水中打满水以后，由于杠杆末端的重力作用，便能轻易把水提拉至所需处。桔槔早在春秋时期就已相当普遍，而且延续了几千年，是中国农村历代通用的旧式提水器具。

3、辘轳

        辘轳也是从杠杆演变来的汲水工具。据《物原》记载：“史佚始作辘轳”。史佚是周代初期的史官。早在公元前一千一百多年前中国已经发明了辘轳。到春秋时期，辘轳就已经流行。辘轳的制造和应用，在古代是和农业的发展紧密结合的，它广泛地应用在农业灌溉上。辘轳的应用在我国时间较长，虽经改进，但大体保持了原形，说明在3000年前我们的祖先就设计了结构很合理的辘轳。解放前在我国的北方缺水地区，仍在使用辘轳提水灌溉小片土地。现在一些地下水很深的山区，也还在使用辘轳从深井中提水，以供人们饮用。在其它工业方面，有使用牛力带动辘轳，再装上其它工具用来凿井或汲卤的

古代播种机械

耒耜

       我国很早就发明了耒耜，用耒耜来翻整土地，播种庄稼，进行农业生产。后来，随着农业生产的发展，人们又将耒耜发展成犁。“工欲善其事，必先利其器”，对于农业生产工具的重视，也反映了我国古代农学水平的提高，中国第一部农具专著陆龟蒙的《耒耜经》虽然篇幅很短，但却详细记载了当时江东地区所普遍采用的一种水田耕作农具“曲辕犁”。曲辕犁改直辕为曲辕，犁架变小，轻便灵活，起土省力，效率高，从而改变了二牛抬杠的牵引方法。后来由于牛耕的出现和冶铁业的兴起，战国时期便出现了铁制的耕犁，河北易县燕下都遗址和河南辉县都出土过战国时期的铁犁铧。铁犁铧的发明是一个了不起的成就，它标志着人类社会发展的新时期，也标志着人类改造自然的斗争进入一个新的阶段。汉代的农具铁犁已有犁壁，能起翻土和碎土的作用。

灌溉机械

1、马钧创制了新式提水机具——翻车

翻车，是一种刮板式连续提水机械，又名龙骨水车，是我国古代最著名的农业灌溉机械之一。《后汉书》记有毕岚作翻车，三国马钧加以完善。翻车可用手摇、脚踏、牛转、水转或风转驱动。龙骨叶板用作链条，卧于矩形长槽中，车身斜置河边或池塘边。下链轮和车身一部分没入水中。驱动链轮，叶板就沿槽刮水上升，到长槽上端将水送出。如此连续循环，把水输送到需要之处，可连续取水，功效大大提高，操作搬运方便，还可及时转移取水点。我国古代链传动的最早应用就是在翻车上，是农业灌溉机械的一项重大改进。

2、筒车

        水力机械也有新的进展，唐代已有筒车，从人力提水发展为水力提水。筒车是由竹或木制成的轮形提水机械。竹筒或木筒在水中注满水，随轮转到上部时，水自动泻入盛水槽，输入田里。水转筒车的水筒与水轮联成一体，既是接受水力的驱动构件，又是提水倒水的工作构件，其机构简明紧凑，设计构思巧妙。

古代先进的粮食加工机械

谷物收获脱粒以后，要加工成米或面才能食用。我国古代在粮食加工方面发明了不少机械，如磨、碾、碓、扇车、罗等，后来又发明了用水利作动力的水碓和水磨，这些机械效率高，应用广，也是农业机械方面的重要发明。
1、扇车
                  
       公元前一世纪，西汉时我国已有扬去谷物中的秕糠用的风车(扇车)。欧洲约一千四百年后才有类似的风车。

扇车主要用于清除谷物颗粒中的糠秕，由车架、外壳、风扇、喂料斗及调节门等构成，工作时手摇风扇，开启调节门，让谷物缓缓落下，谷壳及轻杂物被风力吹出机外。


2、水碓


西汉末年出现了水碓，它是利用水力舂米的机械。水碓的动力机械是一个大的立式水轮，轮上装有若干板叶，转轴上装有一些彼此错开的拨板，拨板是用来拨动碓杆的。每个碓用柱子架起一根木杆，杆的一端装一块圆锥形石头。下面的石臼里放上准备加工的稻谷。流水冲击水轮使它转动，轴上的拨板臼拨动碓杆的梢，使碓头一起一落地进行舂米。利用水碓，可以日夜加工粮食。凡在溪流江河的岸边都可以设置水碓，还可根据水势大小设置多个水碓，设置两个以上的叫做连机碓，最常用是设置四个碓。

3、石磨


鲁班是中国古代一位优秀的创造发明家。他生活在春秋末期，叫公输班，因为他是鲁国人，所以又叫鲁班。据说他发明了木工用的锯子、刨子、曲尺等。他还用他的智慧，解决了人们生活中的不少问题。在鲁班生活的时代，人们要吃米粉、麦粉，都是把米麦放在石臼里，用粗石棍来捣。用这种方法很费力，捣出来的粉有粗有细，而且一次捣得很少。鲁班想找一种用力少收效大的方法。就用两块有一定厚度的扁圆柱形的石头制成磨扇。下扇中间装有一个短的立轴，用铁制成，上扇中间有一个相应的空套，两扇相合以后，下扇固定，上扇可以绕轴转动。两扇相对的一面，留有一个空膛，叫磨膛，膛的外周制成一起一伏的磨齿。上扇有磨眼，磨面的时候，谷物通过磨眼流入磨膛，均匀地分布在四周，被磨成粉末，从夹缝中流到磨盘上，过罗筛去麸皮等就得到面粉。许多农村现在还在用石磨磨面。　　磨，最初叫硙(wei)，汉代才叫做磨。磨有用人力的、畜力的和水力的。用水力作为动力的磨，大约在晋代就发明了。水磨的动力部分是一个卧式水轮，在轮的立轴上安装磨的上扇，流水冲动水轮带动磨转动，这种磨适合于安装在水的冲动力比较大的地方。假如水的冲动力比较小，但是水量比较大，可以安装另外一种形式的水磨：动力机械是一个立轮，在轮轴上安装一个齿轮，和磨轴下部平装的一个齿轮相衔接。水轮的转动是通过齿轮使磨转动的。这两种形式的水磨，构造比较简单，应用很广。

交通运输机械


1、古代的独轮车


独轮车的创始者据说就是三国时的蜀相诸葛亮，它的前身就是木牛流马。这种独轮车，在北方汉族与排子大车相比身形较小，俗称“小车”，在西南汉族，用它行驶时“叽咯叽咯”响个不停，俗称“鸡公车”。江南汉族因它前头尖，后头两个推把如同羊角，俗称“羊角车”。古时候，女子结婚后回娘家时，用的就是这种独轮车，回娘家时，丈夫推着车子，妻子坐在上面，就这样两人双双回到娘家。独轮车在当时是一种既经济而用得最广的交通工具，这在交通运输史上是一项十分重要的发明。　　在运输工具方面，人力和水力并用，在技术上有进一步发展。南朝祖冲之所造日行百里的所谓千里船和南朝粱侯景军中的160桨快艇，都是人力推进的快速舰艇，南北朝时期出现了车船。唐代的李皋对车船的改进起了承前启后的作用。上古时代的运输，全靠手提、头顶、肩扛、背负、橇引完成。后来，又以马、牛来驮运，随着农业、畜牧业和手工业生产的发展，产品不断增多，交换也开始发生，产生了对运输工具的要求，逐步创造出滚木、轮和轴，最后出现了车这种陆地运输工具。原始的车轮没有轮辐，这种车轮在汉、唐时代著作中称之为“辁”。《左传》记载，曾做过夏王朝“车正”(车辆总管)的奚仲最善于造车。夏代前后，出现了无辐条的辁和各种有辐条的车轮;汉代陆贾的《新语》中还说奚仲“挠曲为轮，因直为辕”，创造了有辐的车轮。由辁发展到轮，使车辆的行走部件发生了一次大变革，为殷代造车奠定了基础。殷商和西周时已有相当精致的两轮车。陆上交通运输工具不断发展。1980年出土的秦始皇陵铜车马代表了当时铸造技术、金属加工和组装工艺的水平。如东汉以后出现的指南车记和里鼓车。

2、记里鼓车

       记里鼓车是配有减速齿轮系的古代车辆，因车上木人击鼓以示行进里数而得名，一般作为帝王出行仪仗车辆，至迟在汉代已问世。其工作原理是利用车轮在地面的转动带动齿轮转动，变换为凸轮杠杆作用使木人抬手击鼓。每行走一里击鼓一次。从它的内部构造来说，所应用的减速齿轮系统已相当复杂，可以说是现代车辆上计程仪的先驱。

3、指南车

       相传早在5000多年前，黄帝时代就已经发明了指南车，当时黄帝曾凭着它在大雾弥漫的战场上指示方向，战胜了蚩尤。西周初期，当时南方的越棠氏人因回国迷路，周公就用指南车护送越棠氏使臣回国。三国马钧所造的指南车除用齿轮传动外，还有自动离合装置
，是利用齿轮传动系统和离合装置来指示方向。在特定条件下，车子转向时木人手臂仍指南。在技术上又胜记里鼓车一筹。指南车是古代一种指示方向的车辆，也是古代帝王出门时，作为仪仗的车辆之一，以显示皇权的威武与豪华。指南车起源很早，历代曾几度重制，但均未留下资料。直至宋代才有完整的资料。

地震仪器

公元132年张衡创制了世界上第一台地震仪，即候风地动仪。
　　我国记录地震还是很早。出土的晋代《竹书纪年》记载有帝舜时期“地坼及泉”、夏桀末年“社坼裂”的现象，可能是关于地震最早的记载了。据史书《五行志》记载，公元92年以后，几乎连年发生地震，地震地区大至数十郡，地裂地陷，江河泛滥，房屋倒塌。张衡鉴于地震的频繁，创造了候风地动仪，以测定地震的方位。　　候风有候气的意思，古人以为地震是由地气所吊起的，因而以此为名。地动仪由精铜铸成，外形像一个大酒壶，中间的圆径八尺，顶上有突出的子，仪器的外表刻有篆文以及山、龟、鸟、兽等图形。仪器内部中央立着一根铜质都柱(上粗下细的棍关)。仪体外部周围铸着八条龙，头向下，尾朝上，按东，南，西，北，东南，东北，西南，西北八个方向布列。龙头和内部信道中的发动机关相连，每个龙头嘴里衔有一粒小铜珠。地上对准龙嘴处，蹲着八个铜蟾蜍，昂着头，张着嘴。当某处发生地震，都柱便倒向那一方，触动牙机，使发生地震方向的龙头张开嘴巴，吐出铜珠，落到铜蟾蜍嘴里，发出“当啷”声响，人们就知道哪个方向发生地震。仪器制成不久便测出顺帝永和三年二月初三在陇西发生的地震，可见仪器灵敏度相当高。那次地震，朝野上下，颇为震动。但由于当时朝堂上谶讳迷信劫力很盛，张衡的这一重要发明没有得到应有的重视，候风地动仪也没有被保存下来。近代的地震仪在公元1880年才制成，它的原理和张衡地动仪基本相似。

万象支架

现代的飞机、导弹和轮船不论怎样急速在空中或海上运动，都能辨认方向，这是由于安装了陀螺仪的缘故。西汉末(公元1世纪)巧工丁缓的“被中香炉”是世界上已知最早的常平支架，其构造精巧，无论球体香炉如何滚动，其中心位置的半球形炉体都能始终保持水平状态。镂空球内有两个环互相垂直而可灵活转动，炉体可绕三个互相垂直的轴线转动。其原理与现代陀螺仪中的万向支架相同。

弩弓、冶铁水排、木风箱

       大约在3万年以前，我国就发明了弓箭，这是机械方面最早的一项发明;说明人类开始使用复合工具，弓是利用人在拉弦过程中积累起来的力量，以瞬间爆发的形式将箭弹射出去，这说明人类已经具备了机械储存力量的知识。正如恩格斯所说：“弓箭对于蒙昧时代，正如铁剑对于野蛮时代和火器对于文明时代一样，乃是决定性的武器。”弓和箭是使用时间最长的古老兵器，弓箭可以远射，原始人有了弓箭，就比较容易获得猎物，也可以制服那些凶猛的野兽了。后来，部落之间发生战争，弓箭就成了重要的兵器。最早的弓是用单片的木头或者竹子做的弓背，用动物的筋制成弓弦;箭是一头削尖了的木棍或竹竿。　　春秋时期出现弩，控制射击的弩机已是比较灵巧的机械装置。弩弓的发射原理是相同的，比弓箭射得远，杀伤力强，并克服了拉弓时体力受限制而不能持久得弱点。到汉代，弩机的加工精度和表面光洁度已达到相当高的水平。汉弩有一石至十石等八种规格，这些规格的形成表明机械制造标准在汉代已初步确立。弩机上留下了作工、锻工、磨工等的名字。宋应星(1587～1644(?))的《天工开物》在卷十五《佳兵篇》中记述了测试弓弦弹力大小的方法：“凡试弓力，以足踏弦就地，秤钩搭挂弓腰，弦满之时，推移秤锤所压，则知多少”，方法十分巧妙。该书在我国失传300年，于1926年才由日本找回翻印本。

冶铁水排

    水排是我国古代一种冶铁用的水利鼓风装置。人类早期的鼓风器大都是皮囊。一座炉子用好几个囊，放在一起，排成一排，就叫“排囊”用水力推动这些排囊，就叫“水排”。水排发明于东汉早期，是南阳太守杜诗(?-38)在总结劳动人民实践经验基础上发明的。因为它“用力少，见功多”所以大家乐于使用。三国时期的韩暨把它推广到了魏国官营冶炼作坊中，用水排代替过去的马排、人排，四季不歇。水排不但节省了人力、畜力，而且鼓风能力比较强，因此促进了冶铁业的发展。水排在我国沿用了很长一个时期，直到本世纪七十年代，一些地方还在使用。　　汉代的水排由同一时期的水碓和翻车结构推测，也是一种轮轴拉杆传动装置、我国古代水排构造的详细技术最早见于元代的《王祯农书》，依水轮放置方式的差别，分为立轮式和卧轮式两种。都是通过轮轴、拉杆及绳索把圆周运动变成直线往复运动的，以此达到起闭风扇和鼓风的目的。因为水轮转动一次，风扇可以起闭多次，所以鼓风效能大大提高。

木风箱


鼓风器最早是皮囊，后来是风扇，再后来是风箱。风扇大约发明于公元十世纪以前。活塞式风箱最早见于明代，是一种古老的活塞式鼓风器，记载史见于明代宋应星著的《天工开物》，沿用至今。风箱两端各设一个进风口，口上设有活瓣，箱侧设有一风道，风道侧端各设一个出风口，口上亦置有活瓣。通过伸出风箱外的拉杆，驱动活塞往复运动，促使活瓣一起一闭，以达到鼓风的目的。木风箱的动力有人力和水利等。风箱靠活塞推动和空气压力自动启闭活门，成为金属冶铸的有效的鼓风设备。

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