书城历史中国科技史
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第14章 中国古代科技史(13)

我国古代泥范铸造的另一个重大成就是广泛采用了叠铸法。叠待法是把许多个范块叠合起来组装成套,用一个总浇口浇注金属液,一次可得到几十个甚至上百个铸件。这种方法工效高、成本低、铸件质量好。在国外,叠铸法是近代才发展起来的,目前仍在广泛使用。我国叠铸技术始于战国时期,经过不断改进,到汉代更加完善。唐代以后,我国用泥范铸造的特大型铸件有:当阳北宋的铁塔,北京大钟寺的明代大钟,沧州五代的铁狮,它们的重量由几吨到几十吨,这些闻名世界的特大铸件,即使是在现在的条件下铸造,也不是容易的事。

铁范铸造

战国时期,我国已经开始应用铁范铸造技术。从泥范改进为铁范,在铸造史上具有重要意义。铁范可以重复使用,降低成本,而且可使铸件规整,提高铸造质量。战国以后,铁范的品种不断增多,铸造工艺不断提高。铁范铸造直到近代仍在使用。

熔模铸造

熔模铸造又称失腊法。失腊法是用腊制作所要铸成器物的模子,然后在腊模上涂以泥浆,这就是泥模。泥模晾干后,再焙烧成陶模。一经焙烧,腊模全部熔化流失,只剩陶模。一般制泥模时就留下了浇注口,再从浇注口灌人铜液,冷却后,所需的器物就制成了。战国、秦汉以后,失腊法更为流行,尤其是隋唐至明、清期间,铸造青铜器采用的多是失腊法。失腊法一般用于制作小型铸件。用这种方法铸出的铜器既无范痕,又无垫片的痕迹,用它铸造镂空的器物更佳。中国传统的熔模铸造技术对世界的冶金发展有很大的影响。现代工业的熔模精密铸造,就是从传统的失腊法发展而来的,虽然在所用腊料、制模、造型材料、工艺方法等方面,它们都有很大的不同,但是它们的工艺原理是一致的。

司母戊鼎

司母戊鼎是世界上罕见的青铜器文物,它是迄今为止所有出土的鼎中最大最重的一件。鼎重875公斤,高133厘米,口长110厘米,宽78厘米,足高46厘米,壁厚6厘米。鼎大得可以做马槽,所以人们又叫它“马槽鼎”,因鼎内壁铸有铭文“司母戊”三字而得名。司母戊鼎纹饰美观庄重,工艺精巧,一向为世人所钦羡。它的价值因此而更高。鼎身四周铸有精巧的盘龙纹和饕餮纹,增加了文物本身的威武凝重之感。饕餮是传说中贪吃的野兽,把它铸在青铜器上,表示吉祥、丰年足食。耳廓纹饰俗称虎咬人头纹,这种纹饰是在耳的左右作虎形,虎头绕到耳的上部张口相向,虎的中间有一人头,好像被虎所吞噬。耳的上面还有两尾鱼形。足上铸的蝉纹,图案表现蝉体,线条清晰。像这种古而重的青铜器在世界上是绝无仅有的,它显示出商代青铜冶铸业的生产能力和技术水平。

永乐大钾

永乐大钟因铸于明朝永乐年间而得名。大钟通高6.75米,钟唇厚22厘米,钟口最大直径3.67米,总重量约为46.5吨,上上下下、里里外外都铸满了文字,每个字1~1.5厘米见方,字体工楷端正,古朴遒劲。这口大钟铸有7部佛经,9项汉文咒语和100多项梵文咒语,总计23万余字,至今钟文清晰可辨。

大钟自问世以来,一直是世界上公认的“钟王”。《大英百科全书》把它排在世界著名古钟的榜首。公元1733年,俄国沙皇为了铸一口超过它的大钟,曾不惜花费巨大的人力、财力,用了5年时间,在莫斯科铸造了一口约193吨重的大钟。可是,还没等沙皇高兴上多大一会儿,那口大钟浇铸冷却后便裂了一条大缝,成为敲不响的哑钟。而我国的大钟,至今完整无损,钟声远播,这不能不归功于我国古代先进的冶炼铸造工艺。

永乐大钟是冶炼工匠采用我国传统铸造技术“泥范法”一次铸造成功的。它的具体做法是:先在地上挖一个大坑,用草木和三合土做好内型,上面涂上极细极纯的泥,把写好字的宣纸反贴在细泥上,刻好阴字,再加热烧成陶范,然后再一圈圈地做好外范。最后,将熔好的铜汁一次灌入,大钟便铸成了。

这做法说起来简单,实际上是一种巧妙而又需要熟练技巧和很好组织协作的工艺措施,哪一环节出现偏差,都会导致铸件的失败。别说是在古代手工业生产技术落后的条件下,就是在今天一要成功地浇铸40多吨的大铸件,也不是一件容易的事。由此可见,当时我国工匠们的冶铸技术已经达到了炉火纯青的地步。

经专家们用现代科学方法测量,大钟的合金比率非常科学合理:其中铜80.54%,锡16.4%,铅1.12%,还有其他一些少量金属元素。专家们认为,正是由于这种合理的合金比率,才使得大钟质地坚固,硬度适中,虽经重击,音质也不受破坏。大钟的钟声声级可达120分贝,在声音传播条件好的情况下,声响可传百里之遥,而且能持续3分钟之久。更令人不可思议的是,大钟的振动频率与音乐的标准音频率相差无几。钟壁自上而下,还可依次分出高低不同的音阶。难怪日本著名声学家北村音一教授在聆听了大钟的钟声后,赞叹地说:“这是我听到的世界上最美妙的钟声。”

永乐大钟是明代人文景象的直接映射和重要索引,是14世纪中国科学技术登峰造极的经典之作,是580年前冶金、铸造、力学、声学等各项技术整体水平的真实物证。

造船航海考察

最早的船

中国幅员辽阔,江河交错,海岸线漫长,自古以来,航海事业及造船工业就很发达,是造船最早、最好的国家之一。

中国木船,应用极早。《世本》说:古人“观落叶因以为舟”,《淮南子》说:“见木浮而知为舟。”古书的记载说明,我们的祖先从落叶和树干能在水中漂浮的现象得到启示,从而造出船。起初的造船方法是将圆木的一面剖开,掏挖成凹形,如此便加强了在水中的稳定性,也增加了运载量。这就是我国最古老的船——独木舟。《周易·系辞》里所说的“伏羲氏刳木为舟,剡本为楫”,反映的就是上古时代人们制造独木舟的情形。现在中国历史博物馆还陈列着一条长11米、口宽90厘米的古老独木舟实物。

在距今约7000年前的浙江余姚河姆渡遗址和距今约5000年前的杭州水田皈。钱山漾遗址中,都发现过木桨,其形状与后世的木桨很相似。这是我国目前所发现的最早的船舶推进工具。

造船术的发明,扩大了人们渔捞活动的范围,促进了水上的交通运输,这是我们祖先征服水的一项伟大而智慧的创造。

船舵的发明

舵是控制行船方向的装置,多设在船尾。我国古代在航行初期,一般是用篙和桨控制方向,以后航行范围扩大到深水区域,篙用不上了。同时,随着船体增大,桨的数量增多,这时的桨要负担船舶动力和制导方向的双重职能,不易操纵。于是,便把桨按职能分为两种:一种专管划行;一种负责控制方向,称为舵桨,位置从船舷至船尾,成为尾舵,船尾舵便是由此演进而来的。

我国的船尾舵,发明时间最迟不晚于东汉。1955年,在广州近郊的一座东汉墓中出土的陶船明器,船尾有舵,比近代的舵稍长些,呈不规则四方形,舵杆用十字结构固定,顶端有孔,是安装舵把的。这是我国已知最早的船尾舵。

我国的船尾舵,通过航行实践而不断得到改进。早期的舵,伸出船尾,行成一个较长的凸出。为了弥补这一点,人们将舵改为垂直插入水中,称为垂直舵。由于航道深浅不一,又改进为升降舵,船驶入浅滩或靠岸时,把舵吊起。宋代创制了平衡舵,即把一部分舵面分布在舵柱的前方,这样减少了转舵力矩,操纵更为轻便。大约公元11~12世纪,我国劳动人民发明了开孔舵,舵上穿有许多孔,减少在水中的阻力,使转舵更为省力。

公元10世纪左右,舵传人阿拉伯地区。欧洲的舵,大概是在12世纪十字军第二次远征时才引进的。宋代的平衡舵,欧洲直到18世纪才开始使用,至于开孔舵,则到1901年才传到西方。

橹的发明

橹的发明是中国对世界造船技术的重大贡献之一,它最早出现的年代目前尚无考证,传说鲁班看见鱼儿在水中挥尾前进,遂削木为橹。橹的外形有点像桨,但是比较大,一般支在船尾或船侧的橹檐上,入水一端的剖面呈弓形,另一端则系在船上。用手摇动橹檐绳,使伸入水中的橹板左右摆动。橹摆动时,船跟水接触的前后部分会产生压力差,形成推力,推动船只前进,就像鱼儿摆尾前进。古人有“一橹三桨”的说法,认为橹的效率可以达到桨的三倍,因为从橹到桨的变化、事实上就是从间歇划水变成连续划水,提高了效率。

橹不仅是一种连续性的推进工具,而且具有操纵船舶回转的功能。麦格雷戈(J.McGregor,英国人)就认为螺旋桨的发明,与欧洲人看到中国人使用橹后受到的启发不无关系。事实上,现代广为应用的螺旋桨推进器,其不间歇作旋转运动的叶片,与在水中滑动的橹板十分相似。

橹的发明,充分显示了中国劳动人民的聪明与智慧,西方人称赞它是“中国发明中最科学的一个”。

水密隔舱的发明

水密隔舱是中国古代造船技术的一项重大发明。所谓水密隔舱就是用隔舱板将船舱分隔为互不相通的一个一个舱区。中国最迟在唐代就已经在船舶上设置水密隔舱,以后,水密隔舱在海船上得到了普遍的应用,甚至部分内陆船只也采用水密隔舱。

水密隔舱的设置有很多优点:(1)由于舱与舱之间是严密分隔的,在航行中,特别是远洋航行,即使有一两个船舱破损进水,水也不会流到其他船舱,这样船就不会沉没,增加了航行的安全性。(2)船上分舱,可以方便装卸和管理货物。(3)由于隔舱板与船壳板紧密钉合,增加了船只整体的横向强度,取代了加设肋骨的工艺,具有加固船体的作用。

由于具有上述各项优点,水密隔舱问世之后大受欢迎,经久不衰,不但在中国历代相传,而且在近代还被各国所采用,至今仍是船舶中的重要设备。

桨轮船

桨轮船也叫车船,它是在船的舷侧或尾部装上带有桨叶的桨轮,靠人力踩动桨轮轴,使轮轴上的桨叶拨水而推动船体前进。因为这种船的桨轮下半部浸埋水中,上半部露出水面,故又称“明轮船”,以便和人工划桨的木船以及风力推动的帆船相区别。

南北朝时,祖冲之造的“千里船”可“日行百余里”,有人认为这是一种桨轮船,但缺乏记载。关于桨轮船的确切记载,最早见于《旧唐书·李皋传》,讲述了唐代李皋设计的新型战舰,“挟二轮蹈之,翔风鼓浪,疾若挂帆席”。

桨轮船把桨揖改为桨轮推进,把桨楫的间歇推进改为桨轮的旋转推进(连续运转)。桨轮船的出现是船舶推进技术上的一次重大进步,也是对船动力的一次重大改革。从唐代李皋算起,我国创造桨轮船比西方桨轮船的出现要早七八百年,欧洲到15、16世纪才有桨轮船出现。

桨轮船在南宋时期得到较大规模的发展。当时农民起义军领袖杨么的部下高宣,设计制造了多种大小桨轮船。其车数(一轮叫做一车)有4车、6车、8车、20车、24车、32车等。中型的载战士二三百人;大型的长二三十丈,吃水一丈左右,能载千余人。桨轮船在出现后的1000多年中,发挥过巨大作用,直到20世纪初,我国南方地区还有少量的桨轮船。

沙船

沙船在唐代出现于江苏崇明。它的前身,可以上溯到春秋时期。沙船在宋代称“防沙平底船”,在元代称“平底船”,明代才通称“沙船”。

沙船载重量一般记载说是4000~6000石(约合500~800吨),元代海运大船载重量可达8000~9000石(1200百吨以上)。清代道光年间上海有沙船5000艘,估计当时全国沙船总数在10000艘以上。沙船运用范围非常广泛,沿江沿海都有沙船踪迹。元明海运最盛时期年运量达350万石以上。远洋航线沙船也很活跃。早在宋代以前公元10世纪初,就有中国沙船到爪哇的记载。在印度和印度尼西亚都有沙船类型的壁画。

沙船有许多特点:第一,沙船底平能坐滩,不怕搁浅。在风浪中也安全。特别是风向潮向不同时,因底平吃水浅,受潮水影响比较小,比较安全。第二,沙船顺风逆风都能航行,甚至逆风顶水也能航行,适航性能好。第三,船宽稳定性大,又有各项保持稳定性的设备,所以稳定性最好。第四,多桅多帆,帆高利于使风,吃水浅,阻力小,快航性好。

公元15世纪初的明代初年,郑和7次下“西洋”,20多年间访问了30多国,在世界航海史上写下了光辉的一页。每次出动船舰100多艘或200多艘,其中宝船40多艘或60多艘,共载27000多人。当时在南京和太仓造船,集中在太仓刘家港整队出海。郑和宝船长约150米,舵杆长11.07米,张12帆,这是最大的沙船了。

船坞的发明

船坞是停泊、修理或建造船只的地方。北宋神宗熙宁年间,黄怀信主持修建的金明池船坞,是我国和世界上最早的船坞。

金明池在今河南省开封城西,是北宋政府操练水军的地方。北宋开国之初,吴越王钱倜向朝廷进献了一条长20余丈、上建楼台殿阁的大龙舟。后来船底损坏,神宗诏令修复,黄怀信承接了这项工程。

偌大的龙舟,无法在水里修复,拉上岸来修复也难以办到。据《梦溪笔谈》记载,黄怀信让人在金明池以北挖了一个大池塘,塘底树立木桩,桩上架梁,然后引水入塘,将顺水而来的大龙舟架空在梁柱上,再排除塘中的水,这样龙舟的船体便完全暴露出来,工匠在船舱货船下进行修复工作,很便利。龙舟修复后,再向塘中注水,将龙舟浮起,引出池塘。

船坞的发明,对于修理、建造船舶事业的发展具有重要影响,我国宋代的航海事业比较发达,是与船坞的发明分不开的。在欧洲,直到公元1495年英国才在朴次茅斯建造了第一个船坞,比我国晚了400多年。

军事

弓箭的发明

我国是世界上最早发明弓箭的国家。在距今约2.8万年前的峙峪(今山西朔县峙峪村)人活动的旧石器晚期遗址中,发现了峙峪人加工精致的小石镞(即箭头)。小石镞是用很薄的长石片制成的,有很锋利的尖端,器身两侧的边缘也十分锋利。这种石镞很明显地符合箭头三要素:锋利、尖头适度、器型周正,因此可以说明它是箭头。在与尖头相对的另一端(底部),左右两侧有点凹进去,成为一个形似镞呈的小把,显然是用来安装箭杆的。由此可知,当时的“峙峪人”已经会制造和使用石制的弓箭了。这些石镞是迄今为止世界上发现最早的弓箭实物。