中国古代各种车辆、指南车和记里鼓车

自然科学史研究所周世德

早在商代，我国车工已经能制造相当高级的两轮车，车轮有辐条，结构精致华美。周代已经采用油脂作为轴承润滑材料。春秋战国时期除了出现高架车辆巢车等新型车辆以外，还特别注意薄弱环节的加强，如车轮上出现夹辅等。

在汉魏时期，盛行独轮车。独轮车在当时是一种极经济而应用很广的交通运输工具，在交通运输史上是一项十分重要的发明。《三国演义》中所着力描述的“木牛流马”，据许多人研究，就是一种独轮车。同时也出现了四轮车。

南北朝时期出现驾十二条牛的大型牛车；又出现磨车，把石磨放在车上，行十里磨十斛。还有用石油做润滑材料的记载，以及装二十个轮子的车。五代时出现三轮车。明代为了运输建筑材料，曾经设计制造性能良好、山地和平原都能适用的八轮车。清代出现挂帆的独轮车和四轮铁甲车。

在车辆发展的过程当中，从机械结构方面来说，尤其重要的是指南车和记里鼓车的出现。

从三国时期开始，历代史书差不多都有记里鼓车和指南车的记载；但是比较简略。直到宋元时期，《宋史》才详细地记载了它们的内部齿轮构造。

指南车是一种双轮独辕车。车上立一个木人伸臂南指。只要一开始行车的时候木人的手臂向南指，此后不管车向东或向西转弯，由于齿轮系的作用，木人的手臂始终指向南方。在宋代，燕肃于宋神宗天圣五年(公元1027 年)造指南车，后来又有吴德仁于宋徽宗大观元年(公元 1107 年)再造指南车。这里介绍的是指南车的基本原理。指南车上的轮和齿轮如下：

足轮二个，直径六尺，圆周十八尺①；小轮二个，直径三寸；

附足立子轮(齿轮)二个，直径二尺四寸，圆周七尺二寸，齿距三寸，齿数二十四个；

左右小平轮(齿轮)二个，直径一尺四寸，齿数十二个；

中心大平轮(齿轮)一个，直径四尺八寸，圆周十四尺四寸，齿距三寸，齿数四十八个。

所谓足轮就是车脚轮，是着地旋转的行走元件。小轮是滑车。附足立子轮是附在足轮上的齿轮。中心大平轮是平放在车箱当中的一个大齿轮，这个大齿轮的轴向上伸出，轴上立一个木人。中心大平轮转多少度，轴上的木人同样也转多少度。左右小平轮是两个小齿轮，分装在中心大平轮的两边，起传动作用。当车一直向前行驶的时候，左右小平轮和中心大平轮是分离的，不相接触。因此两边足轮的转动不影响中心大平轮。当车辆向左转弯时，辕的前端向左移动，辕的后端就向右移动，辕后端的绳向右经过滑车，把右边的小平轮放落，和中心大平轮相接触。结果中心大平轮受右边车轮的影响向右转动，恰好能抵消车辆向左转弯的影响，使木人手臂所指的方向不变，仍旧指向南方。比如车向左转六十度，中心大平轮就向

回转，向右转六十度，使木人保持原来的方向，手臂仍指向南方。

指南车结构简单，能使木人的手臂始终指向南方，关键就在于中心大平轮和附足子轮或联或断的设计。这种设计体现了我国古代劳动人民和机械设计人员的高度智慧和创造能力。

关于记里鼓车的制造，《宋史·舆服志》也有两项记载：一是宋神宗天圣五年(公元 1027 年)卢道隆制记里鼓车；一是宋徽宗大观年间(公元

1107 年到 1110 年)吴德仁再造记里鼓车。卢道隆记里鼓车的轮和齿轮如下：足轮二个，直径六尺。圆周十八尺；

立轮(齿轮)一个，直径一尺三寸八分，圆周四尺一寸四分，齿距二寸三分，齿数十八个；

下平轮(齿轮)一个，直径四尺一寸四分，圆周十二尺四寸二分，齿距二寸三分，齿数五十四个；

旋风轮(齿轮)一个，齿距一寸二分，齿数三个；

中平轮(齿轮)一个，直径四尺，圆周十二尺，齿距一寸二分，齿数一百个；

小平轮、上平轮(都是齿轮)各一个，尺寸原文有讹误，齿数分别是十个和一百个。

记里鼓车的整个齿轮系是和车辆同行同止的。只要车轮一转动，整个齿轮系就随着转动。车轮一停下来，整个齿轮系也就随着停下来了。

足轮直径六尺，转一周车行十八尺。足轮转一百周，车行一百八十丈，恰合一里之数。足轮、下平轮、旋风轮和中平轮等四个齿轮的齿数分别是十八、五十四、三、一百。车行一里，

100 × 18 ×

100

= 1周，

中平轮只转一周。在中平轮的轴上装上一个起凸轮作用的拨子，拨动木人的手臂，就可以使木人击鼓一次。也就是车行一里击鼓一次。如果再加上一个十齿的小平轮和一个一百齿的上平轮，每当车行十里的时候，上平轮才能转一周，它上面的拨子拨动另一个木人的手臂，使木人击镯一次。

指南车和记里鼓车都经王振铎氏复原制作模型，如前图所示。

记里鼓车本身具有一套减速齿轮系使运动变慢，最后一根轴在车行一里或十里的时候才转一周；而指南车的齿轮系虽然比较简单，但是它是能自动离合的齿轮系，技巧又超过了记里鼓车。总之，这两种车，根据记载，在我国封建社会前期、汉魏时期就已经出现，它体现了两千年前我国机械工程技术的高度水平，是我国古代技术的卓越成就。

水运仪象台

自然科学史研究所周世德

在许多大型仪器设备当中，有一种仪器能用多种形式来表达天体时空的运行，人们叫它做“天文钟”。它是把动力机械和许多传动机械组合在一个整体里，利用几组齿轮系把机轮的运动变慢，使它经常保持恒定的速度，和天体运动一致。它既能表示天象，又能计时。后世的钟表就是从它

演变出来的。

我国宋代的“水运仪象台”就是这种天文钟的祖先；可以说是世界上最古老的天文钟，国际上对它给予高度的评价，认为“很可能是后来欧洲中世纪天文钟的直接祖先”。

宋哲宗元■三年(公元 1088 年)，在苏颂的领导下，制成了水运仪象台，设在当时的汴京(今河南开封)。

苏颂所著《新仪象法要》相当详细地介绍了水运仪象台的构造，反映了当时科学技术的卓越成就。这部书还附有全图、分图、详图六十多幅，多是透视图或示意图。

水运仪象台的高度以宋木矩尺计算是三十五尺六寸五分，将近十二米，宽二十一尺。全台是一座正方形上狭下广收分的木构建筑，用木板作台壁，板面画飞鹤。台分三层，底层向南有两个门；靠北台壁设有木板长台，是操作场所，打水人运转水轮的地方。操作台前面有一组提水机械：由升水下轮、升水下壶、升水上轮、升水上壶、河车以及天河组成。转动河车把水由升水下轮(筒车)逐级提升灌入到天河(受水槽)中。在这组提水机械的东边，有一组“铜壶滴漏”式的装置：在一个木架上设两个方水槽，高的是天池，低的是平水壶。平水壶有泄水管，使平水壶经常保持一定的水位，平水壶下端的出水口就能保持恒定的流量。平水壶之西有一座直径十一尺的枢轮，它是全台机械结构的原动轮，由水力推动。那是一个由三十六个水斗和钩状铁拨子组成的水轮。枢轮顶部附设一组杠杆装置，相当于钟表里面的“擒纵器”(俗称“卡子”)。它和公元十七世纪欧洲的锚状擒纵器非常相似，具有基本上相同的作用。

枢轮下面设有退水壶，退水壶有水管和升水下壶相连。这样周而复始，水流循环一周，泄水槽就又成了水源了。

当枢轮水斗注满一斗的时候，它的重量使枢权失去平衡。这时格叉向下倾，枢权向上扬起。枢轮上的铁拨子拨开关舌，拉动了天衡，使天关向上开启。枢轮向下转动一斗，天关又随即下落。由于左右天锁的擒纵抵拒的作用，使枢轮只转动一个水斗。枢轮运转的速度是由漏壶的流量决定的，由格叉和枢衡等一套擒纵器加以控制。

枢轮通过几组齿轮使天文仪器和计时仪器分别按一定的速度转动。当时关于机械构造的记载相当粗疏和简略。在《新仪象法要》一书中，只给出天轮和拨牙机轮各具有六百个齿，其余齿轮的齿数都没有写明。

计时仪器的机械装置在原书叫“昼夜机轮”。它前面有木阁几层：第一层木阁是昼夜钟鼓轮。轮上有三个不等高的小木柱(起凸轮的作用)，可按时拨动三个木人的拨子，拉动木人手臂；一刻钟木人打鼓，时初摇铃，时正敲钟。第二层木阁是昼夜时初正轮，轮边有二十四个司辰木人，表示十二个时辰的时初、时正，相当于二十四时。这轮上的二十四个木人随着轮子转动按时在木阁门前出现。第三层木阁是报刻司辰轮，轮边有九十六个司辰木人，每一刻出现一人。第四层木阁是夜漏金钲轮，可以拉动木人按更击钲报更数，并且可以按季节进行调整来适应昼夜长短的变化。第五层木阁是夜漏司辰轮，轮边设三十八个司辰木人，木人位置可以按节气变动，从日入到日出按更筹排列。

台里在几层木阁的上面还设有浑象一座，浑象下部有木柜，上部在柜外，下部隐在柜中。浑象是一个球体，在球面布列天体星宿。浑象和昼夜

机轮轴相接，随机轴由东向西转动，和天体视运动一致，使得球面星宿位置和天象相合。

台顶有露台，设有浑仪一座。通过齿轮和枢轮轴相连，使浑仪也能随天球转动，就好像近代望远镜有转仪钟控制随天球转动一样。浑仪是观测天体运行的仪器。浑仪的第二重仪器中增设了“天运单环”，使浑仪能随水轮运转。这是一个创造性的设计。浑仪上覆盖的“板屋”有九块可以活动的屋面板，作用和今天天文台可以开启的球形台顶相同。

苏颂倡导和主持了水运仪象台的创造，具有相当重大的意义和不可磨灭的功绩。同时参加这一工作的还有太史局的周日严等人，特别是吏部的韩公廉在计算工作方面劳绩最著。还有一些年轻的生员袁惟几等，学生侯永和等，以及测验规景和刻漏等专门工作人员，说明这是许多人共同的创造。它既继承了汉、唐以来天文学上的成果，同时又有不少创新，特别是在计时仪器部分。因此，可以说，水运仪象台是公元十一世纪末我国杰出的天文仪器，而尤其重要的是，它是体现出当时我国机械工程技术水平的卓越成就。