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馬鈞簡介

馬鈞–三國第一巧匠

    馬鈞是三國時期的著名機械制造專傢,具有高超的制造技巧,發明和制造瞭織綾機、水車、指南車等多種機械,成為我國古代非常有名的機械發明和制造專傢,為古代機械制造技術的發展作出瞭巨大貢獻。 

    馬鈞,字德衡,扶風(今陜西興平東南)人。生活在三國時代的曹魏時期,生卒年代不詳。他從小不善言辭,說話不多,但是很喜歡讀書、思考問題、善於動腦子,尤其喜歡鉆研機械制造方面的問題;同時他又非常註重實踐,勤於動手;這樣就養成瞭善於吸收新知識的習慣,又有比較熟練的實際技能,為從事機械制造打下瞭一定的基礎。他早年生活比較艱辛、貧困,長時間住在鄉間,使他有更多的機會接觸勞動人民,對他們的疾苦和繁重勞動有深切的瞭解和體會,因而他比較關心生產工具的變革,並決心用自己的知識和技術為老百姓服務,改善他們的生產和生活條件。 

    馬鈞對機械的研究制造始於改革織綾機,織綾機就是織造”綾”的提花機,”綾”是一種表面光潔的提花絲織品,這是在我國傳統的絲織品基礎上發展起來一種比較高級的產品。我國絲織技術有著悠久的歷史,早在商代就已經運用平紋織法和絲織法織造幾何圖形圖案的絲織品。春秋戰國時期的絲織品已達幾十種之多,品質也有很大提高,秦漢時期我國的絲織技術已經達到相當高的水平,現已出土這一時期大量的提花紋紗和以經絲顯花的彩色織錦。絲織技術的發展得力於織造工具的進步,商朝已經出現平紋織機,周朝就出現瞭提花織機。在戰國末期已經開始使用足踏織機。這是絲織技術劃時代的成就,因為利用腳踏板作提綜開口的裝置,手就能騰出來投梭,手腳配合效率大增。到漢代,絲織機又有瞭重大改進,出現瞭一種新的提花機,即120躡•;120蹤的織綾機,用這種織綾機60天才能完成一批散花綾,效率相當低,而且織機的構造和操作相當復雜。三國使用的織綾機已經比漢代有所簡化,出現瞭”50綜•;50躡”或”60綜•;60躡”的織綾機。但是這種織綾機仍嫌復雜、笨重,操作不便,勞動強度高,生產效率低,織工辛辛苦苦織一匹綾子需要一個月的時間。馬鈞覺得有必要進一步改進,設計出一種更為簡單、方便實用的織綾機,減輕工匠的勞動,織出更多的”綾”滿足社會需要。為此,馬鈞對織綾機進行瞭深入細致的觀察、研究,對影響織機操作的因素進行瞭全面分析,他發現”綾”的花色、圖案有許多是對稱重復的,利用這一點可大大簡化綾機的結構和操作。為此,他進行瞭反覆試驗,最後把原有的織綾機一律改為12躡,一下子使織綾機的結構簡化很多,操作也更加方便,勞動生產率提高好幾倍,而且織出的綾的色彩、圖案、質量也有所提高。據說曹魏景初元年(公元237年),日本使者來訪,魏明帝贈給日本大批絲織品,其中許多就是用馬鈞改進後的織綾機織成的。這種高效的織綾機很快就傳播到其他地區,得到廣泛應用,促進瞭中國紡織業的發展。 

    馬鈞的另一突出成就是制成瞭久已失傳的指南車。指南車又名司南車,是古代帝王出行時的先驅車,車上站一木人,伸展手臂指向南方,不管車子怎樣轉動,手臂總是指向南方,因此利用此車可以指示方向。這是古代勞動人民的一項發明創造,最晚在西漢時就已經出現,東漢時著名科學傢張衡曾經再次制造指南車,不幸的是,到三國時期指南車再次失傳,許多人已不知道指南車的結構和原理。魏明帝青龍年間(公元233一236年),馬鈞曾在京城擔任小官職。有一天,馬鈞和一部分官員在朝房裡辯論時談到瞭指南車,他們為此發生瞭爭論。當時在場的散騎堂侍高堂隆和驍騎將軍秦朗認為:古書上關於指南車的記載是虛構的,不能信以為真,古代並沒有制造過什麼指南車。馬鈞則堅信古代有指南車,不同意他們的看法,他說道:”古代很有可能制造過指南車,隻是我們沒有進行深入的研究而已;其實制造指南車並不是人們想象的那麼難,隻要肯下功夫,認真鉆研,是可以造出來的。”他這一番話遭到瞭高堂隆和秦朗的譏笑,他們諷刺道:”先生名鈞,字德衡,鈞是器物的模型,衡是用來定物輕重的;可你說話連輕重都不分,難道可以作為模型嗎?”(古代制陶器所用的轉輪叫陶鈞)馬鈞反駁道;”空口爭論有什麼用!莫如試制一下,自然就可以分清誰對誰錯”,高堂隆和秦朗同意瞭馬鈞的要求,並把這件事報告瞭當時的魏明帝,魏明帝就命令馬鈞進行試制以明是非。馬鈞仔細研究瞭古書的簡略記載,經過刻苦鉆研,提出瞭初步設想,然後在許多工匠幫助下,進行瞭反覆試驗,在不太長的時間內終於制成瞭指南車。高堂隆和秦朗在事實面前啞口無言,隻好認輸。馬鈞以自己的實際成果結束瞭人們的爭論,贏得瞭眾人信服,自此以後,全國都佩服他的才能和技巧。 

    在馬鈞之後,又有很多人制造過指南車,如南北朝時的大科學傢祖沖之曾將一輛隻有外殼的指南車予以修補,增添瞭內部結構。但歷代史書關於指南車的記載都相當簡略,缺乏具體的機械結構和原理,使後人難以進行彷制。指南車失傳後,後人的制造等於再度發明。宋朝時,著名儀器專傢燕肅於公元1027年,吳德仁於公元11o7年又先後重新制造瞭指南車。《宋史》對他們的制造方法和指南車的內部結構作瞭比較詳細、明確的記載,根據此書人們知道瞭歷代指南車的大致結構。解放後,中國歷史博物館根據歷史文獻復制瞭指南車的模型,陳列在中國通史展覽廳,在參觀歷史博物館時就可以看到。根據文獻記載和今人的研究,指南車的結構和原理大致如下:指南車有兩個直徑為6尺的輪子,兩輪之間的間距也是6尺,每一車輪的內側都有一個帶24個齒的小齒輪;車中有一個帶48個齒的大平輪,輪中堅一立軸,軸上有一本人;在大平輪和車輪邊的小齒輪的上端有一小平輪,小平輪由一根繩索通過滑輪和車轅的後端相連。當車直行時,車轅的前端和後端方向沒有變化,兩邊的小平輪懸在大平輪和小齒輪的上端,大平輪不轉動,豎軸上面的小木人手指正南方不變。當車向左轉彎時,車轅前端向左,後端則向右偏,這樣系在車轅後端的繩索就會左緊而右松,右邊的小平輪就在鐵墜子的重力作用下沉,嵌人車上的大平輪和輪內側的小齒輪中間,與二者的齒輪互相咬合;如果轉子向左轉瞭90度,車子的右輪就會向左轉90度,同時向前轉動半周,輪側的小齒輪則向前轉動12齒(半周),小齒輪帶動小平輪相應向左轉12齒,小平輪則帶動大平輪向右(相反方向)同樣轉動12齒,轉動的角度恰好為90度,大平輪豎軸上的木人同樣向右轉動90度,抵消車子的左轉,使木人始終保持指向南方,指南車設計的關鍵是大平輪和小平輪的自動離合。這種巧妙的設計代表瞭我國古代機械設計和制造的高超技藝。 

    馬鈞制造的另一種有名機械是用於農業灌溉用的翻車,這是我國古代灌溉工具的重大革新。我國在東漢以前的主要提水工具有兩種,一是桔槔,一種是轆轤。桔槔早在春秋戰國時代就已經應用,它的結構為:在井旁的樹上或木架上用繩子固定一根橫木,橫木的一端系桶,另一端墜個石塊。當桶向上提水的時候,由於運用瞭杠桿和墜石的作用,比較省力和方便。轆轤比桔槔又前進瞭一步,它主要是利用輪轉原理進行提水,特別適用於深水井。但這兩種灌溉工具都有一個共同的缺陷,就是隻能間隔地由低處向高處提水,不能連續運動,因此效率比較低,也比較費力。馬鈞住在京城洛陽的時候,看到城裡有一片地可以種菜,但是因為地勢比較高,難以解決引水灌溉問題,為此馬鈞經過查閱古書,深入研究古代的灌溉工具,經過不斷試驗、探索,設計制造瞭一種新的灌溉機械–翻車。 

    據史書記載,在馬鈞以前的大半個世紀,東漢的畢嵐曾經制造過一種翻車,但這種翻車是用來取河水噴灑道路的,能否用於灌溉,史書沒有記載。而馬鈞所造的翻車則是可以直接用於農業排灌,它結構精巧方便,可連續不斷地提水,輕快省力,連兒童都能轉動,效率比其它提水工具高出許多。因此,翻車出現以後,受到社會的普遍歡迎,迅速得到推廣,並沿用瞭1000多年,直到今天在我國一些地區仍然可以見到。在近代水泵發明之前,翻車是當時世界最先進的提水工具。後來經過歷代勞動人民的不斷改造、更新,又出現瞭以畜力、水力、風力等作為動力的牛轉翻車、風轉翻車和水轉翻車,它對於灌溉農田、發展農業生產發揮瞭巨大作用。 

    馬鈞制造的翻車,因為當時缺乏詳細記載,具體構造已經不得而知。元朝王禎《農書》中有關於翻車的明確記述,並繪有翻車圖;清代麟慶所著《河工器具圖說》記載瞭翻車的結構。由以上兩書我們可知翻車大致結構為:車身用三塊木板拼成矩形長槽,長槽長約2丈,寬約4到7寸,高約1尺;在長槽一端安裝一個比較大的齒輪軸作主動軸,主動軸較長,兩端各安四個擁木作為踏板;在木槽的另一端安裝一個比較小的齒輪軸,兩個齒輪軸之間裝上龍骨葉板作的木鏈條,木鏈條上拴上串板,穿過長槽。使用時,使木槽斜置在水邊,小輪軸一端浸入水中,人站在架子上,踏動拐木,帶動大輪軸,串板就會在槽中刮水而上,到槽端將水排出,再沿長槽上端返回水中。這樣就可以把水從低處送到高處,實現連續灌溉。 

    馬鈞制造翻車不久,有人給魏明帝進獻瞭一種叫”百戲”的木制模型(相當於現在的木偶)。這個模型造型精美、設計巧妙,可惜已經不能活動。魏明帝就問馬鈞,能不能想法讓他活動起來,並且要比以前更加巧妙,馬鈞很有信心地答道:”可以”。於是魏明帝就讓馬鈞對”百戲”進行改進。為此馬鈞對”百戲”的結構進行瞭認真的研究,並進行分解以瞭解瞭其中的每一個零件,同時參閱瞭歷史上的有關文獻,在此基礎上確定瞭基本設想。馬鈞首先用一塊木料做瞭一個大輪子,平放在地面上,用水力驅動旋轉;然後在輪子上放置許多木人,設計一套傳輸裝置使木人活動起來,表演各式各樣的節目,如樂工們擊鼓的擊鼓,吹策的吹蕭;歌女們或放聲歌唱,或翩翩起舞等。馬鈞還設計出不同的模型,可以表演不同的節目。如山嶽模型,隻見有的木人在山間跳丸《古代一種雜技,以手搓丸,雙手交替進行)、擲劍,有的則爬繩倒立,木人進進出出,一派山村娛樂形象,又有百官行暑模型,有的木人在春米磨面,有的則在鬥雞雜耍,動作復雜、靈活多變、栩栩如生。這就是古代有名的”水轉百戲”。可惜這種機械已經失傳,古代記載也比較簡略,我們已無法知道它的具體結構和設計,但是可以設想,要使那麼多的木人不斷活動、變化,其中的機械結構一定相當復雜和巧妙,展示瞭馬鈞高超的設計思想和卓越的制造技巧。 

    馬鈞還善於制作兵器,有許多獨到的設想,隻可惜當時的統治者不重視,有不少設計未能付諸實施。當時,魏、蜀、吳三國之間經常打仗,有一次,諸葛亮率兵攻打魏國,使用瞭一種新式連弩,可以連續發射幾十支弩箭,威力比舊式大許多倍,魏軍感到頗為驚奇。後來魏軍撿到一支,讓馬鈞觀看,馬鈞看瞭之後認為:雖然連弩很精巧,但不是最好的,還有改進餘地,如果他來進行改革,效率還能提高5倍,隻是馬鈞因故未能實施制作。三國時官渡之戰,曹操曾使用一種發石車攻擊袁紹的陣地,這種發石車可以拋出大石塊攻擊敵人,有一定威力。但是這種發石車也存在某些缺陷,如速度較低,隻能單發,不能連續射出等,因此如果敵方在城樓上掛起濕牛皮,就能攔住發石車拋出的石塊。因此馬鈞對此進行瞭改進,設計瞭一種新的攻城機械–輪轉式連續拋石機。他打算制造一個豎直繞軸轉動的大木輪,在輪子的邊緣用繩子拴上幾十塊大石頭,然後用機械帶動大輪迅速旋轉,輪邊的懸石也跟著一起旋轉,等到旋轉速度很大時,切斷系石的繩索,石塊就會連續不斷發射出去,攻擊敵人的城樓,使敵方來不及防禦。馬鈞曾經用車輪和幾十塊磚瓦做試驗,在車輪邊拴上石塊,結果磚瓦連續飛射幾百步遠(1步合1。45米左右),威力很大,這證明他的設計是可行的。但是這種設計卻遭到地圖學傢裴秀的譏諷和發難。馬鈞的朋友、文學傢傅玄很賞識他的才華,支持和理解他的設想,並為他多方活動,希望能找到一個支持馬鈞進行試制的機會。傅玄向安鄉侯曹羲推薦瞭這一發明,但是曹羲以馬鈞不善言辭,講不出其中的道理而加以拒絕;傅玄又進行瞭耐心的勸說,說道:”馬鈞先生制造的是國傢需要的精利兵器,官兵正等著急需,隻要費一點木材,找兩個人就能制造出來,何不試驗一下,以免埋沒瞭有用的東西。”在傅玄苦口婆心的勸導下,曹羲才接受瞭這個建議,並把情況轉告給主持軍事的武安侯曹爽,但是曹爽卻沒有理睬這件事。所以馬鈞的設想始終未能變成現實,這是令人遺憾的。為此馬鈞的好友傅玄感嘆道:”試驗一下,本來是極容易的事,可是象馬先生這樣有名的巧人尚且不被重視,更何況那些懷才的無名之輩呢!後人一定要記住這個經驗教訓啊。” 

    馬鈞在機械設計和制造方面的才能當時就已聞名於天下,受到人民的欽佩。他的好友、文學傢傅玄稱贊他是”天下之名巧”,史學傢裴松之為《三國志》做註時寫道:”時有扶風馬鈞,巧思絕世”。這是對馬鈞的恰當評價,在中國古代科學技術史上馬鉤是古代機械制造專傢的傑出代表,他的功績和名字將永載史冊,為後人所銘記。