Qdskop 2013-12-27 00:49
第一巧匠馬鈞
馬鈞是三國時期的著名機械製造專家，具有高超的製造技巧，發明和製造了織綾機、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製造專家，為古代機械製造技術的發展作出了巨大貢獻。
馬鈞，字德衡，扶風(今陝西興平東南)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，尤其喜歡鑽研機械製造方面的問題；同時他又非常注重實踐，勤於動手；這樣就養成了善於吸收新知識的習慣，又有比較熟練的實際技能，為從事機械製造打下了一定的基礎。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。
馬鈞對機械的研究製造始於改革織綾機，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，周朝就出現了提花織機。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，絲織機又有了重大改進，出現了一種新的提花機，即120躡蹤的織綾機，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複雜。三國使用的織綾機已經比漢代有所簡化，出現了50綜50躡或60綜60躡的織綾機。但是這種織綾機仍嫌複雜、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，馬鈞對織綾機進行了深入細緻的觀察、研究，對影響織機操作的因素進行了全面分析，他發現綾的花色、圖案有許多是對稱重複的，利用這一點可大大簡化綾機的結構和操作。為此，他進行了反覆試驗，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(237)，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，促進了中國紡織業的發展。
馬鈞的另一突出成就是製成了久已失傳的指南車。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，東漢時著名科學家張衡曾經再次製造指南車，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(233一236)，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了指南車，他們為此發生了爭論。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，古代並沒有製造過什麼指南車。馬鈞則堅信古代有指南車，不同意他們的看法，他說道：古代很有可能製造過指南車，只是我們沒有進行深入的研究而已；其實製造指南車並不是人們想像的那麼難，只要肯下功夫，認真鑽研，是可以造出來的。"他這一番話遭到了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，高堂隆和秦朗同意了馬鈞的要求，並把這件事報告了當時的魏明帝，魏明帝就命令馬鈞進行試制以明是非。馬鈞仔細研究了古書的簡略記載，經過刻苦鑽研，提出了初步設想，然後在許多工匠幫助下，進行了反覆試驗，在不太長的時間內終於製成了指南車。高堂隆和秦朗在事實面前啞口無言，只好認輸。馬鈞以自己的實際成果結束了人們的爭論，贏得了眾人信服，自此以後，全國都佩服他的才能和技巧。
在馬鈞之後，又有很多人製造過指南車，如南北朝時的大科學家祖沖之曾將一輛只有外殼的指南車予以修補，增添了內部結構。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，使後人難以進行仿製。指南車失傳後，後人的製造等於再度發明。宋朝時，著名儀器專家燕肅於公元1027年，吳德仁於公元11O7年又先後重新製造了指南車。《宋史》對他們的製造方法和指南車的內部結構作了比較詳細、明確的記載，根據此書人們知道了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複製了指南車的模型，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，這樣繫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；如果轉子向左轉了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了我國古代機械設計和製造的高超技藝。
馬鈞製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，由於運用了槓桿和墜石的作用，比較省力和方便。轆轤比桔槔又前進了一步，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，就是只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，設計製造了一種新的灌溉機械--翻車。
據史書記載，在馬鈞以前的大半個世紀，東漢的畢嵐曾經製造過一種翻車，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，並沿用了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，又出現了以畜力、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、發展農業生產發揮了巨大作用。
馬鈞製造的翻車，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》記載了翻車的結構。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。
馬鈞製造翻車不久，有人給魏明帝進獻了一種叫百戲的木製模型(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了認真的研究，並進行分解以瞭解了其中的每一個零件，同時參閱了歷史上的有關文獻，在此基礎上確定了基本設想。馬鈞首先用一塊木料做了一個大輪子，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，只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，動作複雜、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複雜和巧妙，展示了馬鈞高超的設計思想和卓越的製造技巧。
馬鈞還善於製作兵器，有許多獨到的設想，只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，使用了一種新式連弩，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，馬鈞看了之後認為：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，只是馬鈞因故未能實施製作。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，只能單發，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。因此馬鈞對此進行了改進，設計了一種新的攻城機械--輪轉式連續拋石機。他打算製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家裴秀的譏諷和發難。馬鈞的朋友、文學家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了這一發明，但是曹羲以馬鈞不善言辭，講不出其中的道理而加以拒絕；傅玄又進行了耐心的勸說，說道：馬鈞先生製造的是國家需要的精利兵器，官兵正等著急需，只要費一點木材，找兩個人就能製造出來，何不試驗一下，以免埋沒了有用的東西。在傅玄苦口婆心的勸導下，曹羲才接受了這個建議，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歎道：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。
馬鈞在機械設計和製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、文學家傅玄稱讚他是天下之名巧，史學家裴松之為《三國誌》做注時寫道：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製造專家的傑出代表，他的功績和名字將永載史冊，為後人所銘記。