大家好，我是一枚齒輪，我雖然小，但卻是機械中的一個重要零件哦。不管是高精尖的航空航天工程，還是兒童玩具汽車，我都無處不在。我不僅是現(xiàn)代機械領(lǐng)域的常駐“成員”，還是探索中國古代科技發(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，不僅是對我們齒輪家族古老身份的確認(rèn)，更是對中國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，齒輪技術(shù)也得到了顯著提升。其中，龍骨水車和水轉(zhuǎn)連磨就是齒輪技術(shù)應(yīng)用的杰出代表。

      “翻車”是一種能用于農(nóng)業(yè)灌溉、排水等的工具，唐宋時期便已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。南宋陸游在《春晚即景》中說“龍骨車鳴水入塘，雨來猶可望豐穰”，說的就是通過齒輪的傳動，將水流的動能轉(zhuǎn)化為水車灌溉的動能，從而實現(xiàn)農(nóng)田的自動灌溉。

▲《天工開物》中描繪的“拔車”，是一種靠人力操作的小型翻車。（圖片來源：中國機械工程數(shù)字博物館官網(wǎng)）

      翻車又被稱為龍骨水車，據(jù)宋應(yīng)星《天工開物》記載，采用龍骨水車后，一個人工作一天，可以灌溉田地五畝，而用牛則能加倍。

      由于龍骨水車在古代中國科技發(fā)展和農(nóng)業(yè)耕作中的卓越貢獻(xiàn)，2016年被中國科學(xué)院推選為“中國古代重要科技發(fā)明創(chuàng)造”之一。

▲《王禎農(nóng)書》中的水轉(zhuǎn)連磨樣式（圖片來源：《農(nóng)書譯注》下冊）

      水轉(zhuǎn)連磨是一種自動研磨谷物的加工工具，有著高品質(zhì)高效率的特點。它的主要構(gòu)件是一個水輪和九個石磨。這種水轉(zhuǎn)連磨可以帶動九磨，功能豐富且實用，稍加改裝后就能帶動重量極大的物體，如高轉(zhuǎn)筒車等。據(jù)《王禎農(nóng)書》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\濟(jì)世之奇術(shù)也?！?/span>

      相比于手動灌溉耗時長、人力消耗大，齒輪的多齒槽使得水轉(zhuǎn)連磨能在齒輪運作中不間斷進(jìn)行灌溉，具有高速率、高效率和高功率的特點。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，推動了農(nóng)業(yè)文明的發(fā)展進(jìn)程。

萬轉(zhuǎn)不離其“南”

      作為一項歷史悠久的發(fā)明，齒輪更是在中國古代科技發(fā)展中大展拳腳。指南車便是其中一個獨特的代表，也是我國古代工程發(fā)明史上濃墨重彩的一筆，被評價為“世界上第一個自適應(yīng)系統(tǒng)”。

      指南車是用于指示方向的車，只要在車開始運動時將車上木人手指向南方，便能“車雖回運而手常指南”。指南車雖然與指南針功能相同，但是原理迥然不同。指南車通過運用車輪、滑輪、各種齒輪和繩索等，利用機械原理指示方向，而指南針則依據(jù)地磁場指示方向。

      雖然指南車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齒輪（通過允許左右輪以不同的速度旋轉(zhuǎn)，以保持車輛的平衡和控制）裝置。

▲北宋指南車模型（圖片來源：中國科學(xué)院官網(wǎng)）

      《宋史》中有對指南車內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描述。上層有十三個齒輪的排列，因各輪的齒數(shù)相同，所以四位童子、龜與鶴的轉(zhuǎn)動同木仙人一致。

▲北宋吳德仁指南車上層齒輪系排列圖（圖片來源：劉仙洲《中國古代對于齒輪系的高度應(yīng)用》）

      當(dāng)車直線行駛時，木仙人下面的大齒輪與左右兩個小平輪脫離，使得木仙人不受輪轉(zhuǎn)動的影響；當(dāng)車向左或向右轉(zhuǎn)彎時，差動齒輪根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速差異傳遞運動，離合裝置則控制木仙人指向軸的轉(zhuǎn)動方向和幅度，確保無論車輛如何移動，木仙人的手臂都能準(zhǔn)確地指向預(yù)設(shè)的南方。   

      齒輪系在指南車不同行使情況下調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為指南車的指路木人的指向提供反向補償?shù)膭恿?，體現(xiàn)了古代機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，它是觀測工具的重要組成部分，成為連接人類與星空的紐帶。自漢代以來，天象的記錄和測量精度達(dá)到了極高的水準(zhǔn)，其觀測結(jié)果與現(xiàn)代實測數(shù)據(jù)相去不遠(yuǎn)。齒輪在推動古代天文學(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的“渾天儀”中，齒輪便是其中的重要元件。

▲北京頤和園長廊彩畫：張衡與渾天儀（圖片來源：視覺中國）

▲南京鐘山風(fēng)景名勝區(qū)紫金山渾天儀（圖片來源：視覺中國）

      張衡的渾天儀構(gòu)造十分精巧，它通過水輪的驅(qū)動，使得代表天象的渾象每天自轉(zhuǎn)一周，模擬了天體的自運動；并以此間接帶動另一個軸完成一月一轉(zhuǎn)，通過蓂莢每天的變化來記錄當(dāng)月的日期。

      蓂莢，中國古代傳說中能隨著月亮的盈虧而生長和落葉的一種植物。在張衡的渾天儀中，蓂莢被設(shè)計為一種機械裝置，通過滴水推動模擬月亮的周期變化，用以表示月相和日期，相當(dāng)于一個自動的月歷。

      機械學(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)，通過精心設(shè)計的齒輪比例，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，利用漏壺對水力進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)一步確保了渾象的準(zhǔn)確日轉(zhuǎn)。

      渾天儀的齒輪通過精密的傳動，不僅提升了計時的準(zhǔn)確性，也為古代天文學(xué)家提供了觀測天體的有力工具，深化了人們對宇宙運行規(guī)律的理解。它的出現(xiàn)，展現(xiàn)了中國古代天文學(xué)發(fā)展的卓越成就。  小小齒輪潤滑無聲地運轉(zhuǎn)在時代的長河中，催生了無數(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的發(fā)展提供了堅實的技術(shù)支撐，也為人類文明的進(jìn)步作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。    

來源：道中華微信公眾號

文：楊悅皎

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（見習(xí)）