楚材晋用:中国水转大纺车与英国阿克莱水力纺纱机(4)
1.纺车卷纬机是中国人用来加工丝绸纤维的机械。在121年刊印的《说文解字》里就已提到这种机械,而1237年刊印的《耕织图》更第一次将其描绘出来。早在元代,卷纬机就已传到欧洲的意大利(注:参见《中国:发明与发现的国度》第233-234页。)。而到了18世纪,《耕织图》又通过贸易等途径传入欧洲(注:参见韩琦《中国科学技术的西传及其影响》第164页。),从而使得关于这种机械的知识,不再成为一种技术秘密。 纺车是从卷纬机派生出来的,但究竟是何时才派生出来的,现在还不清楚。保守一点说,可以认为到11世纪时,为处理棉纱用的纺车已从卷纬机中分化出来了。通过传送带把纺锤(锭子)与大轮子连接起来,从而使纺锤(锭子)高速运转,是最聪明的办法。在欧洲,迄今所知的关于纺车的最早的介绍,是在1280年左右出版的德国斯佩那尔一个行会章程,其中间接提到了纺车。李约瑟相信:在欧洲,纺车以及与纺织品有关的其他机械,是元代由从中国归来的意大利人传入的(注:参见《中国:发明与发现的国度》第233-234页。)。李氏并且指出:达·芬奇的多锭制绳机是1313年以后所绘的中国多锭纺车的几乎一模一样的摹本(注:《中国科学技术史》第4卷《物理学及相关技术》第2分册《机械工程》,第107页。)。 2.传动带传动带将动力从一个轮子传递到另一个轮子,并产生连续的旋转运动。它早在公元前1世纪便出现在中国。研制传动带与缫丝机的使用有关,尤其是一种称为卷纬机的机器,它将长长的丝纤维卷绕在绕丝架上以备织工的梭子使用。这种机器的特点是有一个大轮子、一条传动带和一个小皮带轮,公元230-232年间编撰的《广雅》一书再一次提到这种机器。 传动带对于纺车的发明至关重要。传动带不仅可以围绕有轮缘的普通轮子旋转(无轮轮子是否带凹槽),还可以围绕无轮缘的轮子旋转。无轮缘的旋转轮听起来可能显得语义矛盾,而且使用无轮缘轮子的传动带一开始就似乎是非分之想,然而,事实上处于稍稍突出或两套被交替安装的轮辐之间的纤维的摇架,可以为皮带创造一种十分适合的连接。中国还有一项在无轮缘轮子上使用传动带的技术,即将有凹槽轮装在轮辐的末端并通过连续的槽来带动传动带。 传动带显然是作为自中国归来的游客带到意大利的卷丝及纺丝机械技术的一部分而传入欧洲的。欧洲有关传动带的最早的实际形象物于1430年出现在卧式旋转磨石上。19世纪以前传动带在欧洲一直极其罕见,这表明欧洲人在三个多世纪里并不重视把纺织机的这一特殊机件用于其他目的。在欧洲,扁平皮带和钢丝缆绳用作传动带只是在19世纪才开始(注:参见《中国:发明与发现的国度》第98-99页。)。 3.链式传动装置传动带再改进后,便成为传动链。传动链基本上是传动带,代替实心带的是一些链节构成的链。链节与轮上的轮齿咬合,整个传动链缠绕在轮子上。用链式传动装置传输动力,是中国人张思训于976年发明的,他将这种装置用在他的大型机械钟里。此时龙骨车已遍布中国乡村,因此当张思训遇到他的时钟的动力传输问题时,肯定受到了龙骨车上链轮链原理的启发。著名的发明家苏颂于1090年建成了巨大的天文钟楼。最初他曾试图使用主垂直传动轴,但未能成功。后来他采用了他称之为“天梯”的链式传动装置,从而获得成功。他还绘制了关于链式传动装置的图,收于1090年出版的《新仪象法要》一书中。这是世界上最古老的环状动力传输的链式传动装置图。提高机械效率的关键问题是如何消除所有机械连接部位的松弛,而又短又紧的链式传动装置正符合这种要求。 在古代西方,拜占庭的菲隆(Philon)约于公元前200年设计了松链条和五边形链轮(不过很难说它们是否制造出来了)。但他设计它们时并不是想到了动力传输,而只是为了用来给石弩连续装填石弹。即使这一机械真的造成了,它也不是真正的链式传动装置。在欧洲,第一个真正的链式传动装置是由雅克·德沃坎逊(Jacques de Vaucanson)制作的用于缫丝和推动磨机。不过这已是1770年时的事了(注:参见《中国:发明与发现的国度》第135-136页。)。 4.曲柄与偏心凸耳“在一切机械发明中,曲柄的发明可能是最重要的,因为它使人有可能最简单地实现旋转运动和往复运动的相互变换”(注:《中国科学技术史》第4卷《物理学及相关技术》第2分册《机械工程》,第116页。)。而在纺纱机中,这种相互变换是至为关键的。因此,此项技术对于纺纱机的改进也具有重要意义。 曲柄摇把是中国发明的(注:除了中国人之外,只有古埃及人接近作出了与曲柄摇把相类似的发明。他们在公元前2500年采用了一种斜的原始曲柄用来转动原始手摇钻。这种装置的特点是在轮子的顶端用一个倾斜的把手来转动轮子,这个把手既不固定在轮子上,也不和轮面成直角。参见《中国:发明与发现的国度》第82页。)。早在公元前,中国人已将曲柄摇把用于旋转式风扇车、辘轳、手推磨、磨机和丝绸工业的许多机器上。现存曲柄摇把最早的式样见于汉代古墓出土的小型陶制农家庭院模型上,其年代大约为公元前1世纪。在欧洲,使用的曲柄摇把的最早证据见于830年的荷兰乌得勒支《圣经·诗篇》(Utrech Psalter)的一份手稿中的轮转石磨画。但是到了1100年以后,欧洲人才开始把曲柄摇把用于旋转式风扇车。最早刊印曲柄摇把的图样,见于1313年王祯的《农书》(注:参见《中国:发明与发现的国度》第82页。)。因此后来传教士介绍中国技术到欧洲时,应当也包括这种机械在内。怀特(Lynn White)说:“中国已懂得曲柄,但是曲柄至少有19个世纪没有加以利用,它对于应用力学的爆炸性潜力没有为人所知和运用”。但李约瑟指出此说不妥,因为在马可·波罗时代以前三四百年中,曲柄在中国工农业生产中的许多机械上(包括在纺织机的缫丝机和纺麻机上),就已得到广泛运用。与曲柄相近的偏心凸耳,也是中国的发明。到了11世纪,这种装置被运用到缫丝机上。这种装置在技术史上具有重要地位,对于蒸汽机之发明及其用于生产尤为重要(注:参见《中国科学技术史》第4卷《物理学及相关技术》第2分册《机械工程》第121、128页。)。
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