大家好，我是一枚齒輪，我雖然小，但卻是機(jī)械中的一個(gè)重要零件哦。不管是高精尖的航空航天工程，還是兒童玩具汽車(chē)，我都無(wú)處不在。我不僅是現(xiàn)代機(jī)械領(lǐng)域的常駐“成員”，還是探索中國(guó)古代科技發(fā)展的神奇“鑰匙”。
公元前3世紀(jì)末，我便悄然出現(xiàn)，并以陶范（陶制范模、印模）的身份刻入歷史的進(jìn)程中。上世紀(jì)50年代，四套不同規(guī)格的齒輪陶范在山西省重見(jiàn)天日，年代為公元前600年，至今已經(jīng)最少有2400年了。這一重大發(fā)現(xiàn)，更新了世界齒輪起源的歷史，不僅是對(duì)我們齒輪家族古老身份的確認(rèn)，更是對(duì)中國(guó)古代科技智慧的一次崇高致敬。
▲出土于山西省侯馬東周晉國(guó)鑄銅遺址的青銅齒輪陶范
成就農(nóng)業(yè)濟(jì)世之術(shù)
在古代，農(nóng)民耕作極為辛苦，但是齒輪出現(xiàn)，簡(jiǎn)化了農(nóng)耕方式，極大地減輕了農(nóng)耕的繁重，降低了生產(chǎn)成本，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展。
隨著農(nóng)耕文明的進(jìn)步與成熟，齒輪參與構(gòu)建的農(nóng)具數(shù)量迅速增長(zhǎng)，齒輪技術(shù)也得到了顯著提升。其中，龍骨水車(chē)和水轉(zhuǎn)連磨就是齒輪技術(shù)應(yīng)用的杰出代表。
“翻車(chē)”是一種能用于農(nóng)業(yè)灌溉、排水等的工具，唐宋時(shí)期便已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。南宋陸游在《春晚即景》中說(shuō)“龍骨車(chē)?guó)Q水入塘，雨來(lái)猶可望豐穰”，說(shuō)的就是通過(guò)齒輪的傳動(dòng)，將水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為水車(chē)灌溉的動(dòng)能，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的自動(dòng)灌溉。
▲《天工開(kāi)物》中描繪的“拔車(chē)”，是一種靠人力操作的小型翻車(chē)。（圖片來(lái)源：中國(guó)機(jī)械工程數(shù)字博物館官網(wǎng)）
翻車(chē)又被稱(chēng)為龍骨水車(chē)，據(jù)宋應(yīng)星《天工開(kāi)物》記載，采用龍骨水車(chē)后，一個(gè)人工作一天，可以灌溉田地五畝，而用牛則能加倍。
由于龍骨水車(chē)在古代中國(guó)科技發(fā)展和農(nóng)業(yè)耕作中的卓越貢獻(xiàn)，2016年被中國(guó)科學(xué)院推選為“中國(guó)古代重要科技發(fā)明創(chuàng)造”之一。
▲《王禎農(nóng)書(shū)》中的水轉(zhuǎn)連磨樣式（圖片來(lái)源：《農(nóng)書(shū)譯注》下冊(cè)）
水轉(zhuǎn)連磨是一種自動(dòng)研磨谷物的加工工具，有著高品質(zhì)高效率的特點(diǎn)。它的主要構(gòu)件是一個(gè)水輪和九個(gè)石磨。這種水轉(zhuǎn)連磨可以帶動(dòng)九磨，功能豐富且實(shí)用，稍加改裝后就能帶動(dòng)重量極大的物體，如高轉(zhuǎn)筒車(chē)等。據(jù)《王禎農(nóng)書(shū)》記載，如果使用水轉(zhuǎn)連磨，一天磨好的谷食，可供給一千家?！罢\(chéng)濟(jì)世之奇術(shù)也?！?/span>
相比于手動(dòng)灌溉耗時(shí)長(zhǎng)、人力消耗大，齒輪的多齒槽使得水轉(zhuǎn)連磨能在齒輪運(yùn)作中不間斷進(jìn)行灌溉，具有高速率、高效率和高功率的特點(diǎn)。水轉(zhuǎn)連磨的發(fā)明與普及減輕了農(nóng)民的負(fù)擔(dān)，極大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整體效率，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)文明的發(fā)展進(jìn)程。
萬(wàn)轉(zhuǎn)不離其“南”
作為一項(xiàng)歷史悠久的發(fā)明，齒輪更是在中國(guó)古代科技發(fā)展中大展拳腳。指南車(chē)便是其中一個(gè)獨(dú)特的代表，也是我國(guó)古代工程發(fā)明史上濃墨重彩的一筆，被評(píng)價(jià)為“世界上第一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)”。
指南車(chē)是用于指示方向的車(chē)，只要在車(chē)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)將車(chē)上木人手指向南方，便能“車(chē)雖回運(yùn)而手常指南”。指南車(chē)雖然與指南針功能相同，但是原理迥然不同。指南車(chē)通過(guò)運(yùn)用車(chē)輪、滑輪、各種齒輪和繩索等，利用機(jī)械原理指示方向，而指南針則依據(jù)地磁場(chǎng)指示方向。
雖然指南車(chē)自誕生后歷朝歷代被多次仿制或重新制作，但其核心原理幾乎都利用差動(dòng)齒輪（通過(guò)允許左右輪以不同的速度旋轉(zhuǎn)，以保持車(chē)輛的平衡和控制）裝置。
▲北宋指南車(chē)模型（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院官網(wǎng)）
《宋史》中有對(duì)指南車(chē)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描述。上層有十三個(gè)齒輪的排列，因各輪的齒數(shù)相同，所以四位童子、龜與鶴的轉(zhuǎn)動(dòng)同木仙人一致。
▲北宋吳德仁指南車(chē)上層齒輪系排列圖（圖片來(lái)源：劉仙洲《中國(guó)古代對(duì)于齒輪系的高度應(yīng)用》）
當(dāng)車(chē)直線行駛時(shí)，木仙人下面的大齒輪與左右兩個(gè)小平輪脫離，使得木仙人不受輪轉(zhuǎn)動(dòng)的影響；當(dāng)車(chē)向左或向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，差動(dòng)齒輪根據(jù)車(chē)輪轉(zhuǎn)速差異傳遞運(yùn)動(dòng)，離合裝置則控制木仙人指向軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和幅度，確保無(wú)論車(chē)輛如何移動(dòng)，木仙人的手臂都能準(zhǔn)確地指向預(yù)設(shè)的南方。
齒輪系在指南車(chē)不同行使情況下調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為指南車(chē)的指路木人的指向提供反向補(bǔ)償?shù)膭?dòng)力，體現(xiàn)了古代機(jī)械家的智慧與科技發(fā)展的水平，為后代的科技創(chuàng)新提供了十分有意義的參考。
觀測(cè)星空的力量
齒輪在古代天文學(xué)中扮演了至關(guān)重要的角色，它是觀測(cè)工具的重要組成部分，成為連接人類(lèi)與星空的紐帶。自漢代以來(lái)，天象的記錄和測(cè)量精度達(dá)到了極高的水準(zhǔn)，其觀測(cè)結(jié)果與現(xiàn)代實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相去不遠(yuǎn)。齒輪在推動(dòng)古代天文學(xué)發(fā)展中作出了顯著的貢獻(xiàn)。東漢張衡研究的世界第一架用水力推動(dòng)的“渾天儀”中，齒輪便是其中的重要元件。
▲北京頤和園長(zhǎng)廊彩畫(huà)：張衡與渾天儀（圖片來(lái)源：視覺(jué)中國(guó)）
▲南京鐘山風(fēng)景名勝區(qū)紫金山渾天儀（圖片來(lái)源：視覺(jué)中國(guó)）
張衡的渾天儀構(gòu)造十分精巧，它通過(guò)水輪的驅(qū)動(dòng)，使得代表天象的渾象每天自轉(zhuǎn)一周，模擬了天體的自運(yùn)動(dòng)；并以此間接帶動(dòng)另一個(gè)軸完成一月一轉(zhuǎn)，通過(guò)蓂莢每天的變化來(lái)記錄當(dāng)月的日期。
蓂莢，中國(guó)古代傳說(shuō)中能隨著月亮的盈虧而生長(zhǎng)和落葉的一種植物。在張衡的渾天儀中，蓂莢被設(shè)計(jì)為一種機(jī)械裝置，通過(guò)滴水推動(dòng)模擬月亮的周期變化，用以表示月相和日期，相當(dāng)于一個(gè)自動(dòng)的月歷。
機(jī)械學(xué)家和教育家劉仙洲教授深入分析了渾天儀中的齒輪系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其在控制渾象的日轉(zhuǎn)和蓂莢的升降中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。渾象每日一轉(zhuǎn)，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的齒輪比例，確保齒輪系中的相應(yīng)齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)等于渾象的轉(zhuǎn)數(shù)。同時(shí)，利用漏壺對(duì)水力進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)一步確保了渾象的準(zhǔn)確日轉(zhuǎn)。
渾天儀的齒輪通過(guò)精密的傳動(dòng)，不僅提升了計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性，也為古代天文學(xué)家提供了觀測(cè)天體的有力工具，深化了人們對(duì)宇宙運(yùn)行規(guī)律的理解。它的出現(xiàn)，展現(xiàn)了中國(guó)古代天文學(xué)發(fā)展的卓越成就。 小小齒輪潤(rùn)滑無(wú)聲地運(yùn)轉(zhuǎn)在時(shí)代的長(zhǎng)河中，催生了無(wú)數(shù)科技革新。在農(nóng)業(yè)、科技和天文等眾多領(lǐng)域，齒輪的應(yīng)用廣泛而深遠(yuǎn)，它們不僅為古代社會(huì)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，也為人類(lèi)文明的進(jìn)步作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。
來(lái)源：道中華微信公眾號(hào)
文：楊?lèi)傪?/span>
作者單位為中央民族大學(xué)信息工程學(xué)院
責(zé)編：劉雅
流程制作：高寧（見(jiàn)習(xí)）
京公網(wǎng)安備 11010102003963號(hào)