李 海

(山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同 037009)

北魏機械制造成就初探

李 海

(山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同 037009)

從復制指南車，創(chuàng)制多弓床弩，發(fā)明水磨、水碾，制造鐵渾儀等方面，討論了北魏機械制造的成就。結果表明,北魏的機械制造注重實用性，為我國古代機械制造業(yè)的發(fā)展作出了貢獻。

北魏；機械制造；指南車；床弩；水磨；水碾；鐵渾儀

在研究我國古代機械制造的論著中，鮮見研究北魏機械制造的專論。其實，北魏時期的機械制造水平相當高，例如：復制了指南車，創(chuàng)制了床弩，發(fā)明了水磨、水碾，制造了鐵渾儀等，為我國古代機械制造的發(fā)展作出了一定貢獻。對此，本文作初步探討。

1 我國古代對機械概念的界定

機械，當今是指機器與機構的總稱，就是能幫助人們降低工作難度，或省力的工具裝置。我國古代，至遲在戰(zhàn)國時期已經有了與此相近的認識?！肚f子·外篇》記載，孔子弟子子貢南游楚國，過漢陰，見一老翁灌圃，抱甕入井，操勞辛苦，就向老翁介紹桔槔[1]：“有械于此，一日浸百畦，用力甚寡而見功多……鑿木為機，后重前輕，挈水若抽，數如湯，其名曰槔”。這里，子貢給出了我國古代機械的概念界定，即機械是能“用力甚寡而見功多”的器械。從文字學的角度上講，“機械”一詞由“機”與“械”兩個漢字組成。機，在漢語中有不同的解釋，就機械概念而言，是指某一整體器械裝置中繞軸轉動的部件。子貢說的“鑿木”，是指做軸孔；“為機”，是指做成桔槔的主要部分——有軸支點可以轉動的杠桿。其狀“后重前輕，挈水若抽”。械，在我國古代原指某一整體器械或器具等實物?！坝行涤诖恕保侵附坶?。這兩字連在一起，組成“機械”一詞，便構成一般性的機械概念。

2 北魏的機械制造

史籍中關于北魏機械制造的記載甚少，我們只能從零星的記載中作些考證或推測。

2.1指南車的復制

指南車，是我國古代一種指示方向的機械，主要用在帝王的儀仗隊中。相傳，黃帝時周公已制造了指南車，不可信。據裴松之注《三國志·杜夔傳》可知[2]，三國魏明帝青龍年間(233～237年)，馬鈞制作了指南車?！稌x書·輿服志》曰[3]：

司南車，一名指南車，駕四馬，其下制如樓，三級，四角金龍銜羽葆，刻木為仙人，衣羽衣，立車上。車雖回運，而手常南指。

這里記載的指南車外形，大概是馬鈞之作。馬鈞所制成指南車，因晉亂而“復亡”。之后，又有多人造指南車。據《宋書·禮志五》等文獻記載[4]，后趙石虎在位時(334～349年)，解飛制成指南車。后秦姚興在位期間(394～417年)，令狐生制成指南車。東晉安帝義熙十三年(417年)，大將劉裕(后來的宋武帝)率軍北伐，平長安，滅后秦，將令狐生制的指南車運到東晉都城建康(今南京市)。北魏太武帝拓跋燾在位期間(424～452年)，馬岳在制成指南車。南朝宋順帝昇明年間(477～479年)，祖沖之制成指南車。以往的研究者，多言馬均、祖沖之造指南車，很少論及十六國時期解飛、令狐生造指南車。至于北魏馬岳造指南車，幾乎無人提及。關于馬岳造指南車，《宋書·禮志五》曰[4]：

索虜拓跋燾使工人郭善明造指南車，彌年不就。扶風人馬岳又造，垂成，善明鴆殺之。

索虜，是南朝劉宋對太武帝拓跋燾的蔑稱。郭善明，北魏皇家御用工匠(“工人”)。文成帝期間，郭善明升任給事中，曾勸文成帝“大起宮室”[5]。是時，他在建筑方面確有建樹，“北京宮殿，多其制作”。馬岳，史籍無傳，曾制成指南車，但為郭善明所害。《宋志》說馬岳是扶風(今陜西省興平縣)人。扶風距后秦都城長安(今西安市)很近，實為京畿之地。馬岳青少年時期，應為后秦的臣民，很可能參與，至少知道令狐生造指南車之事。隨著后秦滅國，太武帝拓跋燾統一北方，馬岳流落到北魏國都平城。因其有制造機械的特長，為太武帝知曉。因此，太武帝命馬岳造指南車，“垂成”，后為“善明鴆殺之”。說明馬岳當時地位低下，或為“雜戶”，是郭善明的下屬。這樣，郭善明才有機會“鴆殺之”，而且還不受影響。所以，此事為蔑稱太武帝是“索虜”的《宋書》披露?！端螘纷髡呤捵语@(489～537年)的活動年代，距北魏太武帝時期僅幾十年，所以他的記載是不會錯的，馬岳確實制造了指南車。另外，尚有一種推測：三國時制造指南車的馬均也是扶風人，馬岳或為馬均的后人。如是，馬岳制成指南車就不奇怪了。馬岳復制的指南車是什么樣子，史無記載，大概是《晉志·輿服志》所載指南車的形狀。

2.2多弓床弩的創(chuàng)制

床弩，是中國古代射程最遠、威力最大的弩。同時，也是很復雜的自動控制類機械。史籍記載[6]，北魏文成帝時在軍隊中配置了床弩。床弩是在標準弩的基礎上發(fā)展起來的，為了解其彈射機構和作戰(zhàn)性能，有必要先了解標準弩的結構和彈射原理。

弩，為春秋時楚人發(fā)明。這是一種利用機械彈力射箭，以打擊遠距離目標的彈射機械。標準弩由弩弓、弩臂和弩機三部分構成，如圖1所示。其中，弩弓為復合弓，橫裝在弩臂前端；弩臂為堅木制作，用以承弓、撐弦，并供使用者托持；弩機安裝于弩臂后端，是一種相當復雜而精巧的轉軸連動式機械?！墩f文》曰：“機，主發(fā)者也”，意指弩機是弩上發(fā)箭的部件。

圖1 標準弩結構示意圖

床弩，是將一張弓或幾張弓安裝在弩床(發(fā)射架)上，絞動安裝在弩床尾部的輪軸，產生強力以張弦發(fā)箭。多弓床弩是以幾張弓的合力發(fā)箭，其彈射力遠遠超過單人使用的各類弩。床弩在我國的發(fā)明至遲不會晚于東漢。《后漢書·陳球傳》記載[7]，陳球為零陵太守時，遇叛軍攻城，陳球和守城將士“弦大木為弓，羽矛為矢，引機發(fā)之，遠射千余步，多所殺傷”。“引機發(fā)之”，說明陳球所置是一種弩，可把矛射出“千余步”。如此強力之弩，僅用手臂、足踏之力難以張開，故應是床弩。從“弦大木為弓”的記載來看，這時的床弩還處于單弓的階段。明確使用“床弩”一詞，據目前所見文獻，應起自北魏?！侗笔贰ぴ促R傳》記載[6]，北魏文成帝(452～466年在位)時，源賀都督三道諸軍屯守漠南，其方法是：

城置萬人，給強弩十二床，武衛(wèi)(一種軍用車)三百乘。弩一床給牛六頭，武衛(wèi)一乘，給牛二頭。

這里，弩以床為單位，當為弩床。這種床弩是什么樣子，史載闕如。直到宋代，在官修的兵書《武經總要》中，才對床弩作了較詳細的說明，從中可推測北魏床弩的大體結構和彈射原理?！段浣浛傄匪d床弩多種，這里僅簡述三弓床弩。據《武經總要·前集·器圖》記載[8]，三弓床弩亦稱“八牛弩”，表示要用八頭牛的力量才能拉開它；如用人力，則需百人。這種床弩的弩箭巨大，以堅木為箭桿，狀如長槍，三片鐵翎就像三把劍一樣，世稱“一槍三劍箭”。稍小的三弓床弩開弓時，也需50～70人，其射程也可達300步，合當今約500 m。當今有關學者對宋代三弓床弩進行了細致深入地研究，并復制了模型，重新繪制了結構示意圖，如圖2所示。據此，我們分析其彈射原理：將3張弓裝在弩床上，中者為主弓，其兩端和前弓的兩端用短繩相連。后弓安裝的方向相反，其弦通過裝在主弓兩端處的小輪或小環(huán)與主弓之弦并在一起，用牽引鉤鉤住。牽引繩分別與牽引鉤、輪軸相連。轉動輪軸，收緊牽引繩，拉緊主弓的弓弦，前弓隨之開張，后弓之弦繞過小輪或小環(huán)也一同拉緊，后弓也隨之張開。當主弦拉到機牙處，以牙扣住弓弦，解下牽引繩。這種床弩發(fā)射時，用人手是扳不動扳機的，要由專管發(fā)射的弩手在矢道中裝好弩箭，瞄準目標。然后由另一名弩手用大錘擊打板機，三弓同時回彈，將巨大的弩箭射出。北魏床弩每臺配備牛六頭為絞軸的動力，當為多弓床弩。其結構應和《武經總要》所載床弩大同小異。重要的是，北魏六牛床弩實開宋代“八牛弩”之先河。

圖2 三弓床弩結構示意圖

2.3水磨、水碾的發(fā)明

水磨、水碾，是繼水碓之后發(fā)明的水力糧食加工機械。在魏晉時期的文獻中，僅見用水碓進行谷物加工的記載，尚未見到關于水碾和水磨于記載。據此推斷，水磨、水碾應發(fā)明于南北朝時期?！赌淆R書·祖沖之傳》記載[9]，祖沖之“于樂游苑造水碓磨，世祖親自臨視”。世祖，指齊武帝蕭頤(483～493年在位)。祖沖之在建康城樂游苑造水碓磨，齊武帝親自觀看?？梢姡怂阅嶋H是一種娛樂設施?？赡苁且运喭瑫r驅動碓與磨的機械，頗有觀賞性，是否有實用價值，不得而知。在有關南朝的文獻中，記載水碓磨者僅此一例。足見，水碓磨并沒有在南朝推廣。而北朝則是另一番景象。《魏書·崔亮傳》曰[10]：

亮在雍州，讀《杜預傳》，見為八磨，嘉其有濟時用，遂教民為碾。及為仆射，奏于張方橋東堰谷水造水碾、磨數十區(qū)，其利十倍，國用便之。

崔亮(460～521年)，北魏政治家，字敬儒，清河東武城(今山東武城西北)人。史稱其“韶居雅仗正，有國士之風”。崔亮少年時，因家鄉(xiāng)為北魏攻占，遂遷至平城，為平齊民。成年后曾仕北魏孝文、宣武、孝明三帝，多次參與當時的軍政大事。先后擔任中書博士、度支尚書、御史中尉、雍州刺史、太常卿、吏部尚書、尚書右仆射等職。正光二年(521年)，崔亮去世。孝明帝詔贈使持節(jié)、散騎常侍、車騎大將軍、儀同三司、冀州刺史，謚曰貞烈。上述文獻表明，崔亮擔任雍州刺史期間，讀《杜預傳》，受杜預制造“八磨”(以一牛之力運轉八座磨盤)的啟發(fā)，“遂教民為碾”；擔任尚書右仆射期間，又上奏“于(洛陽)張方橋東堰谷水造水碾、磨數十區(qū)，其利十倍，國用便之”。可見，崔亮既造了水碾，又造了水磨，而且積極推廣。楊街之《洛陽伽藍記·城南》記載[11]：景明寺內，“石輦硙舂簸，皆用水功”。這至少說明當時在洛陽地區(qū)廣泛地使用了水碾、水磨。

比較南朝、北朝的情況，崔亮至少獨自創(chuàng)制了水磨。至于水碾，《王禎農書》中引《魏書·崔亮傳》“奏于張方橋東堰谷水造水碾、磨數十區(qū)”，下一句是“水碾之制自此始”[12]。查閱文獻，崔亮之前并無水碾記錄。可見，水碾完全為崔亮首創(chuàng)。之后，水碾、水磨得到廣泛地利用。如東魏滅亡后，北齊文宣帝高洋封孝靜帝元善見為中山王，封賜之物中就有“水碾一具”[13]。北齊時，高隆之“又鑿渠引漳水，周流城郭，造治水碾硙，并有利于時”[14]。關于當時水碾、水磨的具體傳動機構，今已很難了解。但元代王禎《農書》中有所介紹，據此，我們先敘述水磨的傳動機構。為了說明問題，先了解磨的結構。

磨，最初叫硙，漢代才叫做磨，是把米、麥、豆等加工成面粉的機械。磨用兩塊有一定厚度的扁圓柱形的石頭制成，這兩塊石頭叫做磨扇。下扇中間裝有一個短的立軸，用鐵制成，上扇中間有一個相應的空套，兩扇相合以后，下扇固定，上扇可以繞軸轉動。兩扇相對的一面，留有一個空膛，叫磨膛，膛的外周制成一起一伏的磨齒。上扇有磨眼。磨面的時候，谷物通過磨眼流入磨膛，均勻地分布在四周，被磨成粉末，從夾縫中流到磨盤上，過羅篩去麩皮等就得到面粉。磨的動力有人力、畜力和水力。用水力者就是水磨，它有兩種類型：臥輪式和立輪式。

臥輪式水磨，其動力部分是一個臥式水輪。在輪的主軸上端安裝磨的上扇。流水沖動臥輪，通過立軸帶動磨轉動，如圖3所示。這種水磨適宜安裝在水的沖力較大的地方。

圖3《王禎農書》臥輪式水磨圖

立輪式水磨，其動力部分是一個立式水輪。在立輪的橫軸上裝一齒輪，使之與磨的上扇邊緣所安裝的齒輪相銜接，兩輪的作用相當于一對斜齒輪。流水沖動立輪，通過橫軸、齒輪帶動磨轉動，如圖4所示。這種水磨適宜安裝在水量較大，但水的沖力較小的地方。

圖4《天工開物》立輪式水磨圖

水碾的傳動機構與水磨大體一致，其水輪亦有臥式和立式兩種，這里不再贅述。

2.4鐵渾儀的制造[15]

北魏明元帝永興四年(412年)，制造了我國歷史上唯一的一臺鐵制渾儀。對此，《隋書·天文志》曰[16]：

史臣于觀臺訪渾儀，見元魏太史令所造者，以鐵為之。其規(guī)有六：其外四規(guī)常定，一象地形，二象赤道，其余象二極；其內二規(guī)，可以運轉，用合八尺之管，以窺星度。周武帝平齊所得。隋開皇三年，新都初成，以置諸觀臺之上。大唐因而用焉。

《舊唐書·天文志上》曰[17]：

今靈臺鐵儀，后魏明元時都匠斛蘭所造，規(guī)制樸略，度刻不均，赤道不動，乃如膠柱，不置黃道，進退無準。

有關北魏鐵渾儀的資料在《唐會要》、《宋史·天文志》、《圖書集成·歷法典》等史籍中尚有記載。綜合這些文獻可知：明元帝永興四年詔造的鐵渾儀，由天文學家斛蘭制成。斛蘭，史不見傳。從他的姓名，推斷他可能是鮮卑族人，《舊唐書》稱他為“都匠”。都是“總”的意思，匠是指有某一技術特長的人。都匠，可能相當于當今的總工程師。鐵渾儀是重要的天文儀器，其內的機械部分也頗為復雜。從《隋志》可知，北魏鐵儀的構造如圖5所示，是一種雙重環(huán)組。外層環(huán)組為一固定的坐標框架，由4個圓環(huán)組成：與地平面平行的地平環(huán)NFSF′，即“一象地形”；與天赤道面平行的赤道環(huán)ErRE′R′，即“二象赤道”；南北方向的子午雙環(huán)NPE′SP′E，即“其余象二極”。這樣，共有四個固定的環(huán)，故曰“四規(guī)常定”。內層是一個連體雙環(huán)PMRP′M′R′，叫四游環(huán)，又稱赤徑環(huán)，可繞極軸POP′轉動，P為北天極點，此即“其內二規(guī)，可以運轉”。赤徑環(huán)附有窺管M′OM，窺管長8尺，可繞赤徑環(huán)的中心O旋轉。在赤道環(huán)和赤徑環(huán)上均刻有周天度數，且在刻度上鍍銀，“唯志星以銀錯之”，這是該儀的測量部分。觀測某一天體M時，先按東西方向旋轉赤徑環(huán)，使它對準M。再旋轉窺管，使人目可以從窺管中看見M。再由M所對應的赤道環(huán)和赤徑環(huán)上的刻度，即可確定M在天空的位置。

鐵儀的底座部分為：“南北柱曲抱雙規(guī)，東西柱直立，下有十字水平，以植四柱。十字之上，以龜負雙規(guī)”。從這段記載可知：底座的著地部分是一個十字架，架上設有十字水槽，以校準儀器水平，這是我國歷史上利用水準儀的開端。

圖5 北魏鐵渾儀測量原理示意圖

從永興四年(412年)起始，北魏鐵渾儀在平城使用了92年。孝文帝于494年遷都洛陽，該鐵儀亦移致洛陽。534年，北魏分裂為東魏和西魏。東魏遷都鄴城，鐵儀亦由洛陽移到鄴城。北齊取代東魏，仍在鄴城用此儀觀象測天。北周取代西魏，周武帝于577年滅掉北齊，把鐵儀轉到北周都城長安。隋取代北周后，隋文帝楊堅于開皇二年(582年)在龍首原以南營建新都，一年后建成，取名大興城。鐵儀便移致大興城，“置諸觀臺之上”，用之觀測天象。唐朝建立后，大興城改名為長安城，仍為唐朝都城，繼續(xù)使用北魏鐵儀，即“大唐因而用焉”。唐睿宗景云二年(711年)，天文學家瞿曇悉達曾奉敕修葺此儀。直到725年，著名天文學家僧一行和梁令瓚另造新渾儀后，才停止使用。前后經歷六個封建王朝和割據政權，歷時300余年，這在中國歷史上是極少見的，為中國古代天文學的發(fā)展作出了重要貢獻。另外，北魏鐵渾儀由鐵為之，反映了北魏具有相當高的冶鐵水平。

綜上所述，北魏時創(chuàng)制的床弩、水磨、水碾及鐵渾儀等機械，注重實用性。同時，表明北魏具有相當高的機械制造技術，為我國古代機械制造的發(fā)展作出了貢獻。

[1](春秋)莊子.《莊子·外篇》第十二《天地》[M].

[2](西晉)陳壽.《三國志·魏書》卷二十九《列傳第二十九·方技傳·杜夔傳》[M].

[3](唐)房玄齡.《晉書》卷二十五《志第十五·輿服志》[M].

[4](南朝梁)沈約.《宋書》卷十八《志第八·禮志五》[M].

[5](北齊)魏收.《魏書》卷四十八《列傳三十六·高允傳》[M].

[6](唐)李延壽.《北史》卷四十一《列傳第二十九·源賀傳》[M].

[7](南朝宋)范曄.《后漢書》卷五十六《列傳第四十六·陳球傳》[M].

[8](宋)曾公亮，丁度.《武經總要前集》卷十三《器圖》[M].

[9](南朝齊)蕭子顯.《南齊書》卷五十二《列傳第三十三·祖沖之傳》[M].

[10](北齊)魏收.《魏書》卷六十六《列傳第五十四·崔亮傳》[M].

[11](東魏)楊衒之.《洛陽伽藍記》卷三《城南》[M].

[12](元)王禎.《農書》卷十九《農器圖譜十二》[M].

[13](北齊)魏收.《魏書》卷十二《本紀第十二·孝靜帝紀》[M].

[14](唐)李百藥.《北齊書》卷十八《列傳第十·高隆之傳》[M].

[15]李海.北魏鐵渾儀考[J].自然辯證法通訊，1988，20(3)：62-64.

[16](唐)李淳風.《隋書》卷十九《志第十四·天文志上》[M].

[17](后晉)劉昫.《舊唐書》卷三十五《志第十五·天文志上》[M].

Discussion on Mechanical Manufacturing Achievement of North Wei Dynasty

LI Hai
（School of Physics and Electronic Science，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009）

This paper studies on Mechanical manufacturing achievement of North Wei Dynasty，based on copied guide car，creation of ballista，invention of grind of with water as power and roller of with water as power，and Iron armillary sphere.The result shows mechanical manufacturing of North Wei Dynasty was focused on practicality,and a contribution to the development of ancient machinery manufacturing in China.

North Wei Dynasty；mechanical manufacturing；guide car；ballista；grind of with water as power；roller of with water as power；iron armillary sphere

N09

A

〔責任編輯 高?！?/p>

1674-0874(2017)01-0092-05

2016-06-16

李海(1948-),男，山西左云縣人，教授，研究方向：科技史。