世界机械发展史（中国古代机械发展史（上））

世界机械发展史
这是一本翻译、出版比较早的书，内容简单而且时间跨度大。于是，这种科普类型的书大约是我的最爱了。这本书也算不得什么权威读物，自己读完了，写写感想，只是免得时间久了便会忘记的一干二净，否则，书便是白读了。
作为一个机械专业的从业者，对机械的过去或者说机械这个学科是怎么发展起来的这个问题一直有着长期的好奇心。但是，在大学的正规教育中，是不会将这类书籍列为教学内容的。最多是在讲述某个科目的时候把这些故事夹杂进去，作为茶余饭后的谈资。
一、机械的萌芽
本书很有趣，从单细胞生命开始讲起，随着棍棒、石斧等工具的使用，人类慢慢站在了食物链的顶端。随着人类对一些大型建筑和工程的需求，更加高级的工具出现了，这就是机械的萌芽。是的，机械就是一种工具，一种可以延伸人类的手脚的工具。即使利用这些简陋的工具，人类也取得了令人惊讶的成就和改善了人们的生活：比较典型的有：通过利用水的势能制造的石磨；通过控制流体，制造了漏壶用于计算时间；活字印刷术也出现了，丰富了人类的精神需求。但是书中基本上没有提及中国古代的技术成就，也许是由于在现代的机械和中国古代的技术基本上没有什么继承关系而被忽略了。
总之在那个时代，能源的利用仅仅限于水力、风力和畜力。人类对机械的设计和制作大多处于摸索阶段，应该是建立在大量的观察和试错基础上缓慢发展起来的。很多技术分布在世界各地，像星星点点的火花，闪烁一下，然后就熄灭了。那个时代的技术大概像轮扁斫轮寓言故事那样，靠工匠的开悟和勤奋地练习才能获得，并且技术的传承困难而且低效。
二、工业革命
通过工业革命，机械才获得了飞速发展。为究其起因，我们还是应该把目光回溯到大航海时代。
随着新大陆的发现和美洲印第安土著的大片灭绝，在美洲的白人面临着巨大的市场需求和严重的劳动力短缺的难题。购买非洲黑奴当然是解决方案之一，但是当人们发现机械具有更高的效率和成本优势以后，机械便变成了一个最优解。这大约也是中国机械基本上没有发展的原因：农耕社会的自给自足经济的需求有限，而且不缺少人力资源。在人口充沛的古代中国，顺从而且勤劳的农民甚至把牲口都进行了逆替代。明显的例子就轿夫替代了马和驴。
工业革命，以纺织机械替代人力和蒸汽机发明使用为代表，出于对效率、成本的追求，导致大量的相关机械设备便如雨后春笋一般蓬蓬勃勃的涌现出来。机械的分工促进了各个产业中间的合作：冶金、机床、刀具都获得了发展和进步，初步形成了目前机械分类与格局。尤其蒸汽机的发明与改进，减少了水力、风力对时间和地点的依赖，使得机械得以在更广泛的地域得以应用。
那个时代的机械蓬勃发展，也基于那个时代科学的发展，极大地增加了人们对自然规律的认识。有的科学家就直接参与了一些机械的发明创造。但是从早期的机械发明者看来，很多都是一些出身贫苦的技术工人。他们凭借着天才般的智慧和技巧，创造的机械大幅提高了生产效率和产品品质。但是由于缺乏对这些发明的专利保护，那些发明者没有获得相应的财富和名望，这些著名的发明者在最后都在贫病交加中死去。
三、电气时代
随着对电能发现应用和内燃机的发明，情况很快就发生了改变。新发明需要更多的科学知识，更有了法律上的保护。于是，在那个时代优秀的科学家、发明家创立了至今依然闻名遐迩的跨国公司。著名的如：由发明家冯·西门子创立的西门子公司、爱迪生创立的GE（美国通用电气公司）、福特汽车公司、奔驰和戴姆勒公司、AT&T（美国电报电话公司，成立于1877年）、贝尔、巴斯夫、标准石油（洛克菲勒创办）等等。
维尔纳·冯·西门子发明的世界上第一辆电力机车那时中国，在科技上远远落后了。不久，我们便品尝到了落后挨打的苦果。虽然那些欧洲的发明家在开始的时候处境堪忧，但是随后就用法律对他们进行了坚决的保护。而中国的手工业者的社会地位一如既往的低下，自然没有什么辉煌的成就。“中国技工随身携带工具，走街串巷，为乞求工作而东奔西走。”在《国富论》中，亚当·史密斯如是说。
四、机械的管理进步与大批量生产
除了技术上的进步，管理方式也在提高。泰勒是一个充满热情的基层管理者，对如何提高工作效率有着非常高的热情。他思考通过合理分配工作而提高工作效率的方法。通过细致地统计工人每个动作的时间和工作量等关系，建立了科学合理的工作制度。其内容涵盖了工作细化的方法、人员的选拔和培训、成本节约等内容。虽然还有很多不足，而且实施起来也困难重重，但是形成了现代工厂提倡的精益生产的雏形。
在1840年之前，机械的制造都像量体裁衣一样，依赖工匠的精湛的手艺 来完成单件产品。但是一个大订单促进了一个天才的创造：用可以互换的零件进行步枪的组装。这样做的好处很多：在保证了质量的前提下提高了工作效率；产品变得很廉价；产品的后期维修、维护方便。零件的互换性又促进了标准化的发展。社会化的分工进一步被细化了，劳动紧密协作成为主流的生产方式。书中，用走向机械文明来作为本章节的标题。确实，一个看似简单的改进，却深刻地改变了人与人关系。这把“鸡犬之声相闻，老死不相往来”的农耕文明和理想彻底地画上了句号。
五、自动化生产
资方和劳方之间的矛盾随着工业革命的兴起便建立起来。无论是捣毁机器还是消极怠工，都令双方痛苦不堪，工人运动一直伴随着工业化一起成长，风起云涌。自动化生产事实上是资方的再一次胜利。标准化和管理方法结合，使得流水线作业成为一种可能。其实在历史上的分工协作一直都有，但是通过精确统计每个动作消耗的时间和工作量的工业化流水线作业发挥出了无可比拟的效率。消极怠工再也不是个人行为，哪怕是动作稍慢都会累及他人。
摩登时代
但是，如果认为自动化只是减少了用工麻烦的话，那这种认识就太局限了。电子技术和传感器迅速应用到自动化系统中在提高生产效率、生产精度同时也改善了生产条件。
第二次世界大战和军备竞赛催生了很多新的技术，这些技术也应用在了机械中。计算机开始只是用于工厂的事务管理，然后就应用在了机械控制系统中。具有超高速切削、超精密能力的加工中心被发明出来，与此同时，把工厂里的设备通过计算机连接起来的群控制也开始实施了。当然，随着互联网的发明，现在更是把物联网的概念应用到了现代的工业化生产中。
西门子数字化体验中心
一个零件可以被世界上任何一台联网的设备进行生产并进行物流管理，极大地优化了高端设备的使用效率。完全智能化的过程，可以实现从订单到发货几乎不用人进行干预。“我们干掉了昂贵的工艺工程师和质检工程师。”西门子的一位科学家如是说。
六、科技进步带来的负面影响
在本书的最后，作者表达了他对科技进步的焦虑：对环境的破坏和不可再生资源的消耗。这两个问题都是我们当前世界面临的困扰。本书被翻译自1975年，在将近半个世纪后，情况似乎变得更加糟糕了。但是可以看到人们正在积极寻找解决方案，也有把问题的解决推给了未来科技的进一步发展：例如利用核聚变来找到新能源。但是这个理想实现起来好像遥遥无期。
七、写在最后
每每我从网络上浏览机械行业的相关问题时，总是看到一片悲观绝望。但是通过阅读这本书，我最大的收获是知道了我们很多知识的源头，了解了机械前辈的艰辛与辉煌。而且，我觉得机械作为人类认识改造自然的工具，和农业一样不会消亡，只会将未来的科技融汇进去完成她的进步和发展。
但是机械确实有她自己的一些特点：她脱胎于工匠的摸索试错，有着太多的点点滴滴的积累。机械涉及的知识面广泛而且离散，因此貌似简单直观的机械却需要长期不懈的努力和学习。这就常常导致，最起码在低端的制造业，机械工程师的艰苦付出和收入相对于其他行业寒酸。掌握着高端制造业的欧美，机械工程师怎么样呢？我不知道。
最后，放上一张我喜欢的科幻电影的图片。里面的机械强大而且优美。也许当人类走向星辰大海的时候，机械结构会再次迎来她的辉煌吧。

中国古代机械发展史（上）
机械是机器和机构总称。各种机构都是用来传递与变换运动和力的可动的装置。至于机器则都是根据某种使用要求而设计的执行机械运动的装置，可用来变换或传递能量、物料和信息。机械是人类生产和生活的基本要素之一，是人类物质文明最重要的组成部分。机械的发明是人类区别其他动物的一项主要标志，机械也可称为一项科学技术。
中国已有五千年以上的文明史，它源远流长、连绵不断以及光辉灿烂为显著特征，著称于世界民族之林。在繁华似锦的中国文明史中，科学技术的成就则以其特有的光芒，熠熠生辉，是中国文明史的重要组成部分，同时又是世界科学技术发展史不可或缺的重要篇章。中国古代机械的发展对世界科学技术的发展起到了不可忽视的作用。
中国原始社会的机械
人和动物都是在自然界的斗争中求得生存和发展的。但是,人能制造和使用工具，这是人类所特有的活动，是人同动物的根本区别。
人类最初是使用天然的木棒和石块作为获取食物和防卫的工具。后来发展了木制工具、石制工具和骨制工具等。新石器时代和出现了大量的专用石器，如斧、锛、铲、凿、镞、矛头、磨盘、磨棒、网坠和纺轮等。人们在这些石器的制造和使用中，已逐渐认识了许多物理和机械性能的知识。如人们把石斧、石铲、石锛、石凿磨制成背厚刃薄的形状，就符合劈尖原理。打猎用的投掷武器石矛就很符合动力学原理。仰韶文化遗址中出土的小口尖底瓶是专门用来提水的容器，很符合力的平衡原理。
在农业方面，原始农业的农具已出土的有石铲、石锛、石耜和骨耜等翻土工具，石锄、蚌锄和有两翼的石耘田器等中耕除草工具，石镰、蚌镰、骨镰、穿孔半月形石刀等收割工具，以及石磨棒之类的谷物脱壳工具。
在交通运输方面，新石器时代后期，我们的祖先在陆路交通上，先后创造出滚木、轮子、轮轴，最后出现了车。车轮先是没有轮辐的一块圆木，后来创造了有轮辐的车轮。
夏、商、西周时期的机械
中国在经历了漫长的原始社会后，开始进入阶级社会——奴隶社会。奴隶制的出现是合乎社会发展规律的进步现象。它促进了社会分工、社会生产和科学文化艺术的发展。中国夏、商西周时期，大规模农业生产的出现，各种手工业的兴起，城市的建立，宫殿的建造，文字的形成和发展，科学与生产技术的分化等，都是奴隶制建立的和发展所带来的巨大进步。当然，中国的机械迅猛的发展起来。
首先是杠杆原理的充分利用。杠杆是一种发明最早，应用最普遍的简单机械。当人类知道用粗苯的石刀石斧时，就已经知道利用木棒或木杆了。据徐光启《农政全书》卷十七说，桔槔可能创始于商代初期的成汤时期。它的构造即采用杠杆原理,把一个横长杆又中间架起或悬吊起来,一头用另一个直杆系住汲器,另一头在上部绑上一重石。不汲水时,绑石的一头较重;当汲水时,人用力将直杆下按,使汲水器汲满水,则绑石的一头被提高处;当向上提汲器时,因重石下压,人不用多少力量,便可将汲满水的汲器提起,从而起到省力提水的作用。其他利用杠杆原理创制的工具有剪刀、铡刀、手钳、脚踏碓、水碓、抛石机及织布机上的脚踏板等。
除了杠杆原理的充分利用还有滑车。滑车是由绳索和轮缘上带有沟槽并可转动的轮滑组成的用于起重或牵引的简单机械。目前所见到的最早的轮滑是1973年在河北藁城商代遗址所发现的一枚陶制滑轮，轮径约31毫米，厚约24毫米。此滑轮可能是纺织机具上的零件，而不是起重滑车上的滑轮。在耕作技术方面，商代已使用耕牛，卜辞中已有“犁”字。
春秋战国时期的机械
春秋战国时期是中国历史上由奴隶制向封建制转变的社会大变革时期。铁器的使用和推广是这一时期生产力发展的重要标志。与此同时，手工业也有很大发展，冶铁业、煮盐业和漆器业的兴起和发展使手工业内部分工日细。
春秋战国时期，杠杆的利用和衡器的使用已经很普遍了。《墨经》不仅清楚地叙述了各种杠杆的实验结果，而且对各种实验作了正确的解释，分析和归纳了权衡杠杆两端增减“重”与“权”的重量及“本”与“标”的长度之间的关系，而且还考虑了距离和平衡的关系。虽然没有得出明确的定量关系，但实际上已提出了力矩的概念。可以说，墨家已发现了杠杆平衡原理。
杆的具体构造我国考古工作者曾有发现。如湖南长沙左家山出土的战国木衡及铜权也很清楚地表明了在称重物时根据杠杆原理所创造的天平和秤。
对于滑车，在文献方面，成书于战国时期的《墨经》中已有关于“滑车”式装置的以升降重物原理的说明，但仍难确认该装置就是有滑轮构成的。
与滑车相近似的另一种机械就是轮轴。轮轴是由相互固定的轮和轴组成的一类简单机械，主要用于提升、引曳重物，也可用来卷收绳索等。由于轮轴的轮和轴绕同一轴线转动，在直径较大的轮的边缘施切向力使轮转动，直径较小的轴便卷收软索并提升重物。轮和轴的半径比越大，提升重物就越省力。轮轴装置实际上一具可连续回转使用的杠杆。古代的轮轴装置主要是“辘轳”，一种绞车。
迄今所见到的最早的辘轳残件是在湖北大冶铜绿山古矿遗址中发现的一根木制辘轳轴。该轴全长约2500毫米，直径约260。辘轳轴的两端砍成较细的轴头，可安放在支架的立柱上，中间有两排疏密不同的方孔，应是用来安插搬转辘轳的横杆的。这一发现表明，至少自战国中、晚期至西汉之间辘轳已在采掘工作中用来提升矿井中的矿石和积水。
秦汉时期的机械
秦始皇灭六国，结束了长期诸侯割据的居民，终于在公元221年建立了中国历史上第一个统一的、多民族的中央集权的封建专制国家。在这种历史条件下，极大的推动了社会生产的发展和科学技术的交流。汉承秦制，汉王朝继续采取巩固和发展封建制度的政策。汉武帝时期是中国科学史上一个重要的发展时期。而东汉时期，社会生产和科学技术又有了新的发展，涌现出了以张衡为代表的一大批科学家，使科学技术水平超过了西汉时期。
农业机械方面，牛耕的推广是社会生产力发展中的一件大事。汉武帝时推广大型铁农具，牛耕得到进一步普及。所谓“耦耕”，当是两牛抬扛合引一犁的耕作方式。汉代畜力犁已采用犁壁，从山西平陆等地汉墓出土的犁耕图看，犁由犁辕、犁梢、犁底、犁铧、犁壁组成，并可用犁箭调节耕地深浅，已基本定型。东汉以后，南方逐步推广水利与牛耕，并普及东北、西北和西南的部分地区。西汉时，我国已经使用了轮扇，即已经发明了谷物脱粒后，清理籽粒，分出糠粃的风力机具。它把轮扇连续扇风以及籽粒重则沉、粃轻则飏的经验巧妙地结合起来，应用于一个机械之中，确是一种新颖的创造。在辽阳三道壕东汉晚期古墓的壁画上还有另一种玩具风车。
扬水机械和风扇车在扬水机械方面，除使用桔槔和辘轳外，到东汉毕岚已发展为翻车。翻车主要是应用链传动的原理，将低处的水提升到高处，可用于灌溉和排水等。它在当时是世界上最先进的扬水机械。
西汉丁匠缓制成的“被中香炉”，由几个环套在一起。它与现代陀螺仪中的方向支架相似，无论外边如何转动，内部始终保持平衡。这是中国古代机械史上的重要发明之一。
水碓用脚踏碓来舂米，发明很早。南阳地区又用水力来驱动鼓风器，称为“水排”，更是机械史和冶金史上的重大发明。水排是根据水碓凸轮传动的原理，使水碓通过曲柄摇杆、绳、绳轮和鼓风器联接而创制的，是中国最早的具有动力机、传动机构和工作机的机器。据《后汉书·杜诗传》记载，南阳太守杜诗注意冶铁生产，兴修水利，“造作水排”，对这一鼓风机械的推广应用，起了促进作用。
候风地动仪汉代在机械方面的另一杰出成就，是张衡发明的著名的候风地动仪。它的原理和现代倒立式震摆相同。当地震震中较远时，由于体波（在地球内部传播的地震波）传播速度较快，首先被仪器接收，因惯性作用，都柱倾倒，通过杠杆作用，龙口张开，铜丸落入蟾蜍口中，发出响声，即可报知地震。此外，据记载他还发明了水运仪、死南车、记里鼓车等。
机械中转动原理的应用秦汉时期，机械中应用了凸轮传动、链传动、曲柄摇杆传动等原理，这是这一时期机械技术的重要成果。张衡发明的水运仪象和记里鼓车必是采用了齿轮系。可见，汉代已对齿轮传动比有定量的认识，这是机械学的重大进步。秦汉时期掌握的几种基本的、重要的机械传动原理，为后世机械技术的发展打下了基础。
由于内容过多，我们将中国古代机械发展史分为上下两部分来给大家讲述，下篇明天与大家见面，不见不散。