于灝++楊建鳴++馬海霞++高宇航++梁亮

摘 要：中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，為了提高生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，中國古代出現(xiàn)了大量的先進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械。它們不但設(shè)計(jì)巧妙制作精良而且清潔環(huán)保，處處體現(xiàn)了中國古代勞動(dòng)人民的聰明才智，同類機(jī)械往往比西方國家先進(jìn)幾百或是上千年。大量現(xiàn)在機(jī)械都是對(duì)古代機(jī)械的繼承與發(fā)展。在人與自然沖突加劇的今天，研究古代機(jī)械更具價(jià)值。本文從歷史的角度出發(fā)研究了古代農(nóng)業(yè)機(jī)械的分類與分期問題，并舉例剖析了古代機(jī)械的先進(jìn)之處，歸納了古代農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)思想。

關(guān)鍵詞：古代機(jī)械 農(nóng)業(yè)機(jī)械 設(shè)計(jì)思想

中圖分類號(hào)：S22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）09（c）-0118-02

中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，它幅員遼闊、物產(chǎn)豐富而且人口眾多。為了提高生產(chǎn)效率，減輕體力勞動(dòng)，中國古代出現(xiàn)了大量的優(yōu)秀農(nóng)具或稱田器、農(nóng)器等，現(xiàn)在統(tǒng)稱為農(nóng)業(yè)機(jī)械。

古代農(nóng)業(yè)機(jī)械是中國古人腦力與體力的延伸。機(jī)械是機(jī)器與機(jī)構(gòu)的統(tǒng)稱。古人對(duì)機(jī)械的特征的描述是“用力少，致功大”，而現(xiàn)代對(duì)機(jī)械的特征描述則是：其是組合體；其各個(gè)部件要實(shí)現(xiàn)唯一的與規(guī)定的運(yùn)動(dòng)；其可實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，把驅(qū)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成有效的機(jī)械能或其他所需的形式。其中只具有前兩個(gè)特征的稱作機(jī)構(gòu)，三個(gè)特征都滿足的稱作機(jī)器[1]。

1 古代農(nóng)業(yè)機(jī)械分類

目前研究者把農(nóng)業(yè)機(jī)械分成7類[2]。這7類機(jī)械分別是整土機(jī)械、播種機(jī)械、中耕除草機(jī)械、灌溉機(jī)械、收獲脫粒機(jī)械、加工機(jī)械與運(yùn)輸機(jī)械。本文則依據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)程序與農(nóng)作物生長規(guī)律把農(nóng)業(yè)機(jī)械分成5類，即：整土機(jī)械（耒、耜、犁）、播種機(jī)械（耬車）、助長機(jī)械、收獲機(jī)械與加工機(jī)械（水碓、水磨）。其中助長機(jī)械包括中耕除草機(jī)械（鋤、耘鋤）與灌溉機(jī)械（翻車、水車），收獲機(jī)械包括收獲脫粒機(jī)械（鐮刀、連枷）與運(yùn)輸機(jī)械（推車）。

2 古代農(nóng)業(yè)機(jī)械分期

中國古代機(jī)械可以分為4個(gè)時(shí)期，3代以前是古代機(jī)械孕育期。3代到先秦是迅速發(fā)展時(shí)期；秦漢到宋元是成熟期。秦漢至宋元幾千年領(lǐng)先于世界，在秦漢時(shí)期已經(jīng)成熟，宋元是古代機(jī)械發(fā)展的巔峰；明到清晚期是緩慢發(fā)展期。農(nóng)業(yè)機(jī)械作為機(jī)械史的重要一部分，也符合這一發(fā)展規(guī)律[1-4]。

3 經(jīng)典機(jī)械舉例

3.1 耬車

耬車屬于播種機(jī)械。由圖可以看出耬車由耬身、耬鏵、耬斗等三部分構(gòu)成。耬車可以完成開溝、下種與覆蓋三道種植工序。一人一牛一天可以耕種667公畝土地，效率較高。2000多年后的今天現(xiàn)代的播種機(jī)與其功能、原理相似。只是現(xiàn)代機(jī)械所用的材料與驅(qū)動(dòng)力較古代更為先進(jìn)[5]。

3.2 立軸式風(fēng)車

中國已知的最早關(guān)于利用風(fēng)力的文字記載是在3000年前。風(fēng)車的出現(xiàn)也有1700年左右的歷史，特別是10世紀(jì)后風(fēng)車基本遍及中國全境。按照主軸與地面的角度可以把風(fēng)車分成兩類即臥軸式（主軸平行于地面）與立軸式（主軸垂直于地面），立軸式風(fēng)車是中國所特有。它主要應(yīng)用于沿海地區(qū)與長江流域。它主要用于提水制鹽或是灌溉農(nóng)田。現(xiàn)在常常把其與提水部分統(tǒng)稱為立軸式風(fēng)車，其實(shí)這一說法不夠準(zhǔn)確。立軸式風(fēng)車與點(diǎn)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)一樣是動(dòng)力裝置，而提水的部分準(zhǔn)確來講應(yīng)該稱作翻車。

立軸式風(fēng)車的巧妙之處在于其可以利用八面來風(fēng)單向轉(zhuǎn)動(dòng)，而且效率極高。還可以通過調(diào)節(jié)帆的高度來適應(yīng)不同強(qiáng)度的風(fēng)。圖1是兩種立軸式風(fēng)車的風(fēng)帆懸掛方式示意圖。以塘沽型為例，圖2是風(fēng)帆受力圖。由圖2中可以看出風(fēng)帆在順風(fēng)時(shí)在風(fēng)力、拉力與桅桿支持力的共同作用下，風(fēng)帆與風(fēng)力垂直，產(chǎn)生扭矩使風(fēng)車旋轉(zhuǎn)。當(dāng)風(fēng)帆逆風(fēng)時(shí)，在風(fēng)力與桿支持力的共同作用下風(fēng)帆旋轉(zhuǎn)到方向與風(fēng)向平行，風(fēng)帆不受力。這就使得立軸式風(fēng)車驅(qū)動(dòng)力大、阻力小、能量利用率高。依據(jù)受力分析與計(jì)算機(jī)輔助分析可以得知立軸式風(fēng)車的力矩與功率變化符合正弦規(guī)律，且運(yùn)行平穩(wěn)[6]?，F(xiàn)在的路燈也常用立軸式風(fēng)車發(fā)電供能。

在翻車設(shè)計(jì)中，體現(xiàn)出了轉(zhuǎn)軸、心軸、鏈輪與鏈等現(xiàn)代機(jī)械元素。而且風(fēng)車是通過齒輪和傳動(dòng)軸與翻車相連以傳遞扭矩。其中風(fēng)車是原動(dòng)件，齒輪與傳動(dòng)軸構(gòu)成傳動(dòng)件，翻車是執(zhí)行件。這已經(jīng)與現(xiàn)代機(jī)械的構(gòu)成一致了。窺一斑可見全豹，中國古代機(jī)械的發(fā)達(dá)程度可想而知。

3.3 古代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)思想

（1）循序漸進(jìn)、勇于創(chuàng)新。中國古代的農(nóng)業(yè)機(jī)械經(jīng)過長期積累后逐步成熟，曾經(jīng)領(lǐng)先世界數(shù)千年，主要是中國勞動(dòng)人民遵守量變與質(zhì)變規(guī)律，不但循序漸進(jìn)，當(dāng)積累到臨界狀態(tài)時(shí)還能發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性勇于創(chuàng)新。牛耕的演化便是這一論題很好的論據(jù)。

（2）合理利用自然資源，道法自然。天人合一是中過古人的最高精神追求，古代的農(nóng)業(yè)文明依靠自然、敬畏自然，古代中國人是改造自然與保護(hù)自然的典范。中國古代機(jī)械以人力、畜力、水力與風(fēng)力等為能源，清潔環(huán)保，“取之不盡，用之不竭”。

（3）剛?cè)岵?jì)，陰陽相合。上文中所提到的立軸式風(fēng)車就是典型的例子，所用木材質(zhì)地堅(jiān)硬剛度較大，繩子與帆面則剛度較小。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，順風(fēng)的帆面與風(fēng)向垂直，直面沖擊，逆風(fēng)的帆面隨風(fēng)而轉(zhuǎn)，順勢(shì)而為，這些都體現(xiàn)了中國道家的經(jīng)典思想——道法自然。

（4）循環(huán)往復(fù)，生生不息。水車與桶車等灌溉機(jī)械，利用水的沖擊力運(yùn)轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)提水的目的，設(shè)計(jì)巧妙，不假外力，水流不舍，灌溉不停。

（5）累加并聯(lián)。趙過改進(jìn)的耬車有3只耬腳，一次并聯(lián)3個(gè)便使得效率提高3倍，簡(jiǎn)單但是實(shí)用。牛轉(zhuǎn)連磨，由牛轉(zhuǎn)動(dòng)中心齒輪，齒輪驅(qū)動(dòng)與之嚙合的8個(gè)小齒輪從而驅(qū)動(dòng)8個(gè)石磨同時(shí)工作，也是對(duì)這一思想的正確運(yùn)用。

中國是文明古國，工藝也許會(huì)落后，但是思想不會(huì)。從青蒿素的提取到一帶一路的提出都證明了古代遺寶在今天的驚人價(jià)值。機(jī)械領(lǐng)域也同樣可以進(jìn)行研究與發(fā)掘，達(dá)到古為今用的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸敬嚴(yán)，華覺明.中國科學(xué)技術(shù)史（機(jī)械卷）[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[2] 劉仙洲.中國古代在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面的發(fā)明[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1962（1）：1-36.

[3] 馮立升.中國機(jī)械史的分期問題[J].科學(xué)、技術(shù)與辯證法，1986（3）：57-63.

[4] 陸敬嚴(yán).中國古代機(jī)械發(fā)展概況[J].機(jī)械工程，1989（2）：41-44.

[5] 周昕.耬車初考[J].中國農(nóng)史，2001（3）：76-82.

[6] 易穎琦，陸敬嚴(yán).立軸式大風(fēng)車及其受力分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版：1996（3）.endprint