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What is mechanical engineering in ancient China?

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《天工開物》中的安裝鹽井架圖。圖中可見一人手持槓桿,一人拉繩索,共同撬移和調整井架的架基,井架頂部並安裝有滑輪
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簡單機械是一切複雜而重大機械的基本要素。任何複雜的機械都是由幾種簡單機械組成。從力學意義上說,簡單機械有四種:槓桿、滑輪、斜面與螺旋。

 

槓桿是最簡單的機械,舊石器、新石器時代的石質工具如石斧、骨質工具如骨耜,其上都鑿有孔,以便安裝木柄,表明當時已有意識地使用槓桿。古代人在槓桿類器物中最重要的發明是衡器或秤。中國古代衡器稱為權衡、秤。一種是等臂的,一種是不等臂的。槓桿原理的應用日益廣泛,最簡單如剪刀;稍複雜的如弩機上的撥動機件,即扳機;較沉重的如腳踏碓;取水工具桔槔;古代拋石機上的炮桿、攻城用的木慢車等。

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王禎《農書》中的「桔槔」圖
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西方人稱為「滑輪」的東西,古代中國人稱為「滑車」,在使用上,應用一個定滑輪,可以改變力的方向;應用適當配合的一組滑輪,則可以省卻氣力。轆轤是滑車的另一種形式,它的主要部件是一根短圓木,上繞繩索,圓木可環繞其固定軸而轉動。轆轤最廣泛用途是從井中提水,將吊水桶繫在轆轤上的繩子兩端,將兩股繩逆順交轉於轆轤上。絞車是與滑車、轆轤相似的另一種機械。古代人在釣魚竿上安裝的捲線輪,實則也是一種絞車。在桔槔、轆轤和絞車等機械中,都可以看到繩帶,特別是那些天然植物纖維的繩索在新石器時代已運用。鏈的形狀與質料都多種多樣。在農業、戰爭與紡織工藝中,鉸鏈有顯著用途。由一長柄和一組平行木構成的農用連枷,或由一長柄和一環式鏈構成的軍用連枷,都屬於鉸鏈的一種。在轉換運動形式的機件中,曲柄起着相當重要的作用。轆轤上裝曲柄,便於人們轉動它。中國人在發明腳踏紡車的同時,又創造了傾斜式連桿或曲柄。它與踏板,甚至與具有偏心運動的軸接合式踏板相結合,對中國古代紡織業的發展作出了特殊貢獻。輪,既可作為傳遞運動的機械,又可作為承載負荷或用以破碎它物的機械。在交通工具中,輪既要運動又要載重。齒輪,一般用以改變傳動或轉動方向、速度及改變力矩。齒輪被廣泛用於磨、弓弩瞄準器和天文鐘等方面。

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連枷

連枷是農具,由兩根棒子中間有段鎖鏈連繫,用於打穀以分離穀物的外殼,自春秋時代已經存在。

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《天工開物》中的「轆轤」圖
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斜面是人們生活中熟悉的事物,通過斜面牽引重物到一定高度比直接將該物舉到同樣高度要省力。將斜面捲起來就成為螺旋。在眾多簡單機械中,獨此為西方文明的產物。它的功用,一是它能與普通齒輪相接合;二是在成直角的二軸間傳送運動。尖劈是斜面的一種具體形式。尖劈兩面的夾角越小,以同樣大的原動力就可收到更大的功效。尖劈原理的另一個重大歷史應用是耒耜和犁的發明。

Last updated:
2022-01-28

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