关于中国机械传统的记述和传说长期流传于世,引起了历代擅长技术者和文人的注意和好奇。三国时期的马钧曾再度发明前人的指南车、翻车,明末的王徵试图复原指南车、木牛流马等。王祯撰《农书·农器图谱》,薛景石撰《梓人遗制》,宋应星著《天工开物》,记载了他们所了解的机械。艺术家的作品也使古代机械的技术信息留存下来。比如,五代《闸口盘车图》仔细绘制了水磨图,《清明上河图》描绘了宋代都城汴梁(今开封)的船舶、车辆、桥梁等技术。

中国古机械较早地引起了国外学者的注意。1909年起,格里(Giles)、摩尔(Moule)、朗基斯特(Lanchester)等人先推测过指南车的传动机构[1](P52)。20世纪20年代以后,中国的历史学家、机械工程学家和文博专家开始了中国古代机械的文献研究和专题研究。1925年,张荫麟翻译了英国人摩尔的论文《宋燕肃吴德仁指南车造法考》,且撰写了《宋卢道隆、吴德仁记里鼓车之造法》,刊载在《清华学报》上。1935年,刘仙洲在清华大学出版《中国机械工程史料》,初步整理了汉语古籍中关于机械的记述。王振铎则根据古文献的记载,试图复原古代的机械装置。1936年,他在《燕京学报》上发表《汉张衡候风地动仪制法的推测》,并在北平研究院复原指南车、记里鼓车[2](P63)。这些早期的工作开创了中国机械工程史的研究。

1949年以后,科学技术史在中国成为一项有组织的事业,实现了初步的建制化,研究工作有了较大的进展。其中,刘仙洲、王振铎的工作代表了机械工程史的学术水平[3](P36)。

1950-1960年,刘仙洲开展了机械原动力、计时器、齿轮、凸轮等方面的专题研究。基于这些研究,他撰写了通史性著作《中国机械工程发明史》[4](第一编)和《中国古代农业机械发展史》[5],初步勾画了中国机械技术发展的大致脉络。书中收入了关于耧、辘轳、独轮车等方面的调研成果。后来,刘先生曾组织学者从2万余种古书中查找古机械的线索和记述,留下了大量的卡片。近年来,清华大学图书馆学者对这些的资料进行了整理。

复原是古代机械史研究的一个重要方面。王振铎等长期从事古代机械史的专题研究和复原。在文献分析和考古发现的基础上,为中国历史博物馆复原了地震仪、指南车、记里鼓车、水运仪象、水排等机械装置,其主要成果收入他的文集《科技考古论丛》[6]。

英国李约瑟(Joseph Needham)注意从东西方文明的比较这一视角,审视中国古代的机械和技术传播,同时探讨机械技术与其他知识的关系。他参考了中国学者和西方学者的研究成果,在王铃的协助下撰写了《中国科学技术史》机械工程分册[7]。该书初版于1965年,后被翻译成日文和中文,是国外学者了解中国机械技术传统的一个重要窗口[8]。

在刘仙洲之后,机械工程史的专题研究和调查工作仍有进展。同济大学陆敬严在古代兵器和其他机械装置的复原研究以及立轴式风车等传统机械的调查方面均有新的进展。中国科学院和北京科技大学等单位对中国传统金属工艺的研究,西北农业大学等单位对秦陵铜车马的研究,都取得了重要的研究成果。上世纪90年代,当中国科学院自然科学史研究所组织全国的科技史家撰写《中国科学技术史》丛书,集中展示中国学者几十年的研究成果时,陆敬严、华觉明等学者,编著了该丛书的机械卷[9]。该书继承了刘仙洲、王振铎等中国学者的思路,适当参考了李约瑟和其他学者的著作,在技术内容和构造原理分析方面均有进展。

刘仙洲、王振铎、李约瑟、陆敬严和华觉明等所撰写的专著主要基于古籍的记载、考古资料和部分传统机械的调查资料。未来的中国古代机械工程史研究还可以在几个方面做出努力。第一,发掘、整理和解读明清时期汉文典籍和某些少数民族语言文献中的史料;第二,充分利用现有的和将来的考古发掘资料,开展科技考古研究;第三,广泛而深入地调查现存的传统机械,探讨它们与文化背景之间的关系;第四,开展技术的社会史、文化史和思想史等方面的研究。

中国有连续的文化传统,保留了繁浩的古籍。有关古代机械的记载,散见于多种体裁的典籍之中。然而,关于技术的文字记述或绘图大多过于简略,时常仅有只言片语,甚至找不到任何记载。考古发现能够提供某些可靠的第一手资料,但其内容显然是有限的。多数古代机械的制作材料是木、竹等不易长期保留的材料,只有少数零件是用石头和金属制作的。这使得我们在考古资料中很少有机会找到结构比较完整的机械。像古代车辆和铜车马这样的发现毕竟是少数。

二 中国古代机械工程技术史的价值及作用

中国的机械工程技术在漫长的历史发展过程中形成了自己独特的风格。中国古代机械工程技术,是世界机械史的一个组成部分,在世界机械工程史上占有重要位置。

著名科学史家李约瑟在讨论中西科技交流与比较问题时曾指出:“有少数几种基本技术曾经从古代美索不达米亚朝四面八方传播,……可是,中国人的发明就多了。这些发明在公元一世纪到十八世纪期间先后传到了欧洲和其他地区。这里包括:(1)龙骨车;(2)石碾和水力在石碾上的应用;3水排;(4)风扇车和簸扬机;(5)活塞风箱;(6)平放织机(它可能也是印度的发明)和提花机;(7)缫丝、纺丝和调丝机;(8)独轮车;(9)加帆手推车;(10)磨车;(11)拖重牲口用的两种高效马具,即胸带和套包子;(12)弓弩(13)风筝;(14)竹编蜒和走马灯;(15)深钻技术;(16)铸铁的使用;(17)游动的常平悬吊器;(18)弧形拱桥;(19)铁索吊桥;(20)河渠闸门;(21)造船和航运方面的无数发明,包括防水隔舱、高效率空气动力帆和前后索具(22)船尾的方向舵;(23)火药以及和它有关的一些技术;(24)罗盘针,先用于看风水,后来又用于航海;(25)纸、印刷术和活字印刷术;(26)瓷器。所有这些例子有一种共同之点,这就是它们在中国应用的时期,确实早于它们在世界其他部分出现的时期。有时甚至要早得多。”[10](P545)李约瑟博士列举的这些实例绝大多数都是中国古代的机械发明或相关的技术成果,由此可见,中国古代的机械技术成果不仅在中国科技史上占有突出地位,而且在世界机械史乃至科技史上的地位也是不可低估的。

中国机械史的历史价值还表现在传统机械工程技术在中国古代社会经济和科技发展中占有十分重要的位置。中国自古以来以农业立国,农业生产在古代历史发展进程中始终占据核心地位,因而作为农业生产工具的农业机械在生产中的作用极为重要。农业机械技术方面的大量发明、革新及其推广应用对社会生产力的提高起了极大的作用。同样,机械在水利工程、建筑工程、交通运输、纺织等领域中也发挥着重要作用。机械技术在军事上具有举足轻重的作用,先进和精良武器与军事装备的制造都要依赖先进的机械技术。中国古代在天文观测方面能够取得许多重要成就,与先进天文仪器的作用密不可分,而众多先进天文仪器的出现则反映了中国古代精密机械制造技术的发达。明代宋应星编著的《天工开物》是一部关于中国古代工程技术的百科全书,其中讲述机械技术的内容占了全书一半以上的篇幅,也说明机械技术在古代工程技术中的重要地位。因此,传统机械技术根植于中国古代社会生活和生产的各个领域之中,机械技术的进步不仅促进了生产的发展,丰富了古代的社会生活,而且成为推动古代不同领域科技发展的有力工具。

1. 促进了农业的进步

中国自古以来以农业立国,农业生产在古代历史发展进程中始终占据核心地位,因而作为农业生产工具的农业机械在生产中的作用极为重要。农业机械方面的大量发明、革新及其推广应用对社会生产力的提高起了极大的作用。

春秋时期,铁器在农业、手工业生产上开始使用。到战国时期,铁农具已经很多,标志着社会生产力的显著提高。春秋末年已使用牛耕,战国时期得到推广,促进农业生产获得进一步的发展。战国时期,农民重视使用肥料,还注意选种、因地制宜和适时耕种。那时候,各国都兴修了水利工程。秦蜀郡太守李冰在岷江中游修筑的都江堰是闻名世界的防洪灌溉工程。都江堰消除了岷江水患,灌溉了大片农田,使成都平原成为沃野,两千多年来,一直造福于人民。北朝贾思勰著《齐民要术》一书,强调农业生产要遵循自然规律,农作物必须因地种植,不耽误农时,还要改革生产技术和工具。

2. 推动了手工业和商业的兴盛

早在春秋时代,我国已经发明生铁冶炼技术,比欧洲早1900年。春秋晚期晋国曾把成文的刑法铸在铁鼎上颁布。战国时期,铁矿山达到30多处。那时候,煮盐业、纺织业和漆器业都有显著进步。明末科学家宋应星编著的《天工开物》,总结了明代农业、手工业生产技术,反映了明朝时期我国手工场的生产面貌。介绍了北京王麻子、杭州张小泉的剪刀,使用“夹钢”、“贴钢”的技术;采煤时已经能排除瓦斯;纺织业的提花机等。这些在当时世界上都是第一流的。

3. 在水利工程、建筑工程、交通运输、纺织等领域发挥着重要作用

秦国都江堰是闻名世界的防洪灌溉工程,他把岷江分为内江和外江。内江供灌溉、外江供分洪,免除了水灾,灌溉了农田。隋朝杰出工匠李春设计和主持建造的赵州桥,是世界上现存最古老的一座石拱桥。桥的大拱两端上方各有两个小拱,可减轻桥身重量对桥基的压力、遇到洪水又可以减轻急流对桥身的冲击。隋朝著名的建筑师宇文恺设计了隋都大兴城和东京洛阳城,并指导了两座城市的营建。到了北宋,指南针应用于航海事业。宋朝的海船装有罗盘针,无论白天、黑夜、阴雨、大雾,都能辨识方向。南宋时,指南针传到欧洲,为欧洲的航海家进行环球航海和发现新大陆,提供了重要条件。

4. 在军事上具有举足轻重的作用

机械技术在军事上具有举足轻重的作用,先进和精良的武器与军事装备的制造都要依赖先进的机械技术。唐朝末年,火药开始用于军事。宋朝时期,火药在军事上广泛使用。那时的火药武器有火箭、突火枪和火炮等。13世纪、14世纪,火药和武器传人阿拉伯和欧洲。到了元朝,大型的金属管形火器“火铳”,在军事上很受重视。蒙古西征时,多次使用火药武器攻打中亚和波斯的城市。在战争中,阿拉伯人学会了制造火药和火药武器。

三 中国古代科学技术史的现实意义

中国机械史的研究不仅具有重要的历史价值,而且具有较高的现实价值和意义。这主要表现在以下几个方面。

首先,中国古代机械工程技术是中国科学文化的重要组成部分,传统机械的技术成果是我国优秀的科学文化遗产,因此中国古代机械史的研究具有重要的文化价值。机械技术在人类物质文化史上一直占据核心地位,人类文明的发展阶段一般以机械技术的重要成果作为主要划分标志,便是最好的说明。而我们的祖先创造了许多杰出的机械科技成果,为后世留下了大量的物质文化财富,发掘、整理和研究这些机械成果对于丰富祖国科学文化宝库无疑极为有益。但过去这方面的工作开展得还远远不够,中国机械工程机械史仍是一个有待开发的领域,在目前情况下进一步开展中国机械史的研究也显得尤为重要。

第二,技术发展有很强的继承性和规律性,中国机械史的研究有助于揭示技术发展特质,可以起到温故知新、阐明方向和趋势的作用,因此具有重要的借鉴价值。中国历史上在机械科技方面的成功经验和失败教训,对于现今科技的发展很有借鉴价值。中国古代与机械有关的技术观和技术哲学思想,对于我们认识技术与人、技术与环境以及技术与社会的关系仍有参考价值。中国古代的一些技术思想和方法与举措正好与现代可持续发展的时代要求相切合,对于认识和解决技术给现代社会带来的环境污染、能源和资源的枯竭等一系列负面效应也有积极的参考意义。中国近现代机械史的研究则对于制定国家的技术规划、技术发展与引进的政策和战略更是有着直接的借鉴作用。

第三,研究和学习中国古代机械工程史,阐明中国传统机械技术的兴衰历程,了解科学家、发明家的生平、成就和思想,不仅可以学到科学和历史的知识,还可从中获得启示和汲取教益,因而中国机械史还有着比较重要的教育价值与作用。机械工程技术史知识的传播有助于人们了解机械工程技术的概念和原理的来龙去脉,加深对机械科技的认识和理解。培根说:学史可以使人明智。对于青年学生与专业科技人员来讲,机械史的知识则可起到开阔视野的作用。

第四,研究中国古代机械史,不难发现一些古老的机械技术、工艺和原理在现代仍然发挥着作用或具有实用价值。中国传统的农业机械与古农具至今在农业生产中广泛使用,具有极强的生命力。我国的许多传统金属工艺仍在实际应用中发挥着重要作用。在秦始皇陵墓中出土的青铜箭镞表面上有一层含铬的黑色致密层,埋在地下两千多年没有腐蚀。现代金相学研究证明这样处理有很强的抗腐蚀能力,此项表面处理技术显然具有古为今用的价值。类似的实例还有很多。古代机械史的研究有助于认识和发现传统机械的现代意义和实用价值。

七五期间，河北唐山和江苏连云港年产 60 万 T 大型纯碱装置采用我国自行开发的先进技术设计，由机械制造部门研制成功的碳化塔、煅烧炉、滤碱机、钛板式换热器、埋刮板输送机等八大类成套关键设备，其他设备大部分由国内供应。山东潍坊年产在部分引进国外技术和设备的基础上实现了国产化， 3 个碱厂均顺利投产。中国大型碱厂设计及设备制造完全可以立足于国内，并开始成套出口大型纯碱技术及装备。

1984 年中国引进了离子膜电解槽制造技术，为 14 个厂家提供设备，占国内离子膜煤烧碱能力 70% ， 1993 年国内创新开发了中国式电解槽，由中国化工装备总公司组织具体实施的中国第一套国产化 1 万 t/a 离子膜法烧碱装置于 1993 年 7 月 27 日在沧州市化工厂建成，一次开车投产成功，并通过了国家级验收。该套设备在广泛消化吸收国内外先进技术基础上，进行了改进和创新，由天津大沽化工厂设计所进行工艺设计，核心设备共有定型设备 82 台，非标设备 127 台，离子膜电解槽由北京化工机械厂设计制造，达到了同期国外同类装置水平，其他专用设备，材料，仪表，阀门分别由国内各有关厂家配套协作，整套装置国产化率达 90% 以上。该套装置运行平衡可靠，具有产品纯度高，节能，高效，无环境污染等特点。主要技术经济指标达到引进装置水平。该装置的建设成功，结束了中国离子膜烧碱法生产装置依赖进口的局面，标志着中国已基本具备了离子膜法烧碱设备的成套制造能力。其后，广州、新疆、包头、蚌埠、云南的化工厂离子膜法烧碱都选用国产化电解槽 。