1、关于中国机械工程技术史研究的若干问题关于中国机械工程技术史研究的若干问题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，机械技术在整个技术体系中占有基础和核心地位。机械技术与人类社会的历史一样是源远流长，它对人类社会生产和经济的发展起着及其重要的作用，是推动人类社会进步的重要因素。中国的机械工程技术不但历史悠久，而且成就十分辉煌，不仅对中国的物质文化和社会经济的发展起到了重要的促进作用，而且对世界技术文明的进步做出了重大贡献。但是由于种种原因，中国的机械工程技术史的研究还相对比较薄弱，发展也不平衡。微观研究方面的工作较多，而宏观研
2、究方面的成果较少。一些最基本的概念和范畴的探讨没有受到应有的重视，这方面的工作也亟待加强。本文主要探讨古今的机械概念及其演变、中国机械工程机械史的范畴与方法、中国古代机械史的分期与研究现状等问题，提出一些初步的看法，以就正于专家学者。一、机械的概念规定与机械技术史的范畴1、机械的现代定义研究机械工程技术史，首先需要明确机械的观念规定。在我国现代的机械学著作中，“机械”一词是机构（mechanism）和机器（machine）的总称。尽管各种机械的构造、性能和用途各异，但从它们的组成和运动形式来看，却有两个共同特征：1）它们是一种人为的实物构件的组合。2）它们各部分之间具有确定的相对运动。凡同时具
3、备上述两个特征的构件组合体便称为机构或机械。机器除了具备上述两个特征外，还必须具备第三个特征：能代替人类的劳动以完成有用的机械功或转换机械能。所以机器是能转换机械能或完成有用的机械功的机构。从结构和运动的观点来看，机构和机器并无区别，因此泛称它们为机械。机构和机器的定义来源于西方机械工程科学，它们都是现代机械原理中的最基本的概念，但在现代西方机械学著作中，并没有一个作为机构（mechanism）和机器（machine）的总称的专门名词或术语。在日本的机械工学中，机械概念是如下定义的：凡符合下述三项条件的，则定义为机械。它是物体的组合，假定力加到其各个部分也难以变形。这些物体必须实现相互的、单一
4、的、规定的运动。把施加的能量转变为最有用的形式，或转变为有效的机械功。这里，“机械”一词定义的是machine概念，这一定义与我国机械原理著作对机器的定义相同。mechanism一词，在日本机械工学中译为“機構”，或音译为。考虑到机构和机器均属现代机械学的基本范畴，我们采用能够同时涵盖机构和机器的机械概念，也是有其合理性的。设计机械的目的是完成预定的机械运动及完成特定的动作，一般来说，一种复杂机械都由三大部分组成。一是原动部分，它是机械动力的来源。二是工作部分，它处于传动路线的终点，完成机械的预定动作。三是传动部分，它是把原动机件的运动和功率传递给工作部分的中间环节。近代机械中又有第四个部分，
5、即自动控制部分。2、机械的古代涵义及其演变（1）中国古代文献中“机械”一词的涵义“机械”一词由“机”与“械”两个汉字组成，探讨该词的涵义，首先须了解这两个字在古汉语中的意思。“机”在古汉语中原指某种或某一类特定的装置，后来又泛指一般的机械。古代常以“机”指弩上发箭的装置，即弩机。尚书！太甲有“若虞机张，往省括于度，则释”。但此篇可能作于西汉。庄子齐物论：“其发若机括。”释文称：“机，弩牙；括，箭括。”按此言张弩发箭，以括入机，机动则发。东汉时成书的说文解字对“机”的解释是“机，主发者也”，说的也是弩机。由弩机延伸，触发式捕兽器也称为“机”。庄子山林道：“丰狐，文豹不免于网罗机辟之患。”即指夹子
6、一类的装置。后来的“机防阱”和“机关”也是这个意思。古代又以“机抒”指织布机。淮南子氾论载“伯余之初作衣也，手经指挂，其成犹网罗。后世为之机抒胜复以便其用。”史记郦生传有“农夫释耒，二女下机”。南北朝木兰词有“不闻机抒声，唯闻女叹息”。说文解字：“抒，机之持纬者也。”宋集韵也说：“机以转轴，抒以持纬。”抒就是梭子，而机为转轴部件。“机抒”二字各表织机一个特征部件，因而后有只用一个“机”字代表织机的说法。由以上所述可知，“机”之本义当指机械装置中构成转动副的转动构件。尚书：“在璇玑玉衡以齐七政。”伏胜尚书大传云：“旋机者，何也？传曰：旋者还也，机者几也，微也。其变几微，而所动者大，谓之旋机。”这
7、里“机”为轴动之物。管子形势解也载：“奚仲之为车器也，方圆曲直皆中规矩钩绳。故机旋机得，用之牢利，成器坚固。”这是讲车的部件生产的质量检验工序，“机旋机得”是指达到转动配合的精度标准要求。“机”还引申为许多机械发明的泛称，战国策宋卫说：“公输般为楚设机，将以攻宋。”注称：“机，械，云梯之属。”荀子议兵有“固塞不树，机变不张。”注称“机变，谓器械变动攻敌也。”后汉书张衡列传说：“衡善机巧。”南齐书祖冲之传：“初，宋武平关中，得姚兴指南车，有外形而无机巧，每行，使人于内转之。”“机”字实际可以泛指各种灵巧和关键的机械装置。“机”的涵义由此延伸，出现了更具抽象的词义。韩非子十过：“此存亡之机也。”逸
8、周书大武：“此七者，伐之机也。”“机”在这里指事物之枢要、关键。庄子至乐载：“万物皆出于机，皆入于机。”疏曰：“机者，发动，所谓造化也。”这是指事物变化之所由。“机”还指事物变化之迹象、征兆等等。这样，衍生出大量相关词汇，如机巧、机先、机兆、机密、机会、机缘、机要、机谋、机关和机衡等。“械”在古代是指器械、器物等实物。庄子天地载“有械于此，一日浸百畦，用力甚寡而见功多。”“械”在这里为一般器械或器具。墨子公输：“公输般为楚造云梯之械。”这是指兵器。汉书司马迁传载：“淮阴（韩信），王也，受械于陈。”“械”在此指刑具。与“机”原指局部的关键机件有所不同，“械”在中国古代原本便指某一整体器械或器具，
9、。这两字连在一起，组成“机械”一词，便成为为一般性的机械概念了。在先秦时期的文献中，已经讨论了抽象的机械概念。庄子外篇天地第十二有一段关于机械技术思想意义的讨论：（子贡）见一丈人方将为圃畦，凿隧而入井，抱瓮而出灌，然用力甚多而见功寡。子贡曰：“有械于此，一日浸百畦，用力甚寡而见功多，夫子不欲乎？”为圃者仰而视之曰：“奈何？”曰：“凿木为机，后重前轻，挈水若抽，数如汤，其名曰槔。”为圃者忿然作色而笑曰：“吾闻之吾师，有机械者必有机事，有机事者必有机心。机心存于胸中，则纯白不备。纯白不备，则神生不定。神生不定者，道之所不载也。吾非不知，羞而不为也。”子贡瞒然，俯而不对。这段文字是中国技术思想史的重
10、要史料，后面将进行专题讨论。这里我们感兴趣的是，子贡与老人的对话给出了机械的概念界定：机械是能用力甚寡而见功多的器械。关于机械的概念，在韩非子卷十五难二中有类似的论述：“审于地形、舟车、机械之利，用力少，致功大，则入多。”这里还有了初步的经济观点。由此可知，中国古代早在战国时期就已形成了与现代机械学中“机械”一词涵义比较相近的机械概念和术语了。（2）西方古今的机械概念英文的“machine”一词，其涵义要比现代机械学界定的“机器”（machine）概念要广。在一般使用上，它与汉语的“机械”一词类同。美国罗伯特。欧布林（RobertObrien）所著机器一书中指出：英文的“machine”（机械
11、）一词来源于希腊文mechine及拉丁文mecina，两者原意都指的是“巧妙的设计”。Machine作为一般性的机械概念的出现，主要是为了区别与手工工具。在西方，一般性的机械概念的提出，可追溯到古罗马时期。西方最先提出机械定义的是古罗马的建筑师维特鲁威（Vitruvii）。他在其著作建筑十书（约成书于公元前3233年）给出了这样的定义：“机械是把木材结合起来的装置，主要对于搬运重物发挥效力。”他对机械和工具作了区别：“机械（machane）和工具（organon）之间似乎有着以下的区别。即机械是以多数人工和很大的力量而发生效果的，如重弩炮和葡萄压榨机。而工具则是一名操纵人员慎重地处理来达到目的
12、的，如蝎形轻弩炮或不等圆的螺旋装置。因此工具和机械都是利用上不可缺少的东西。”亚历山大利亚城的希罗（HeroofAlexandria，公元1世纪）最早讨论了机械的基本要素，他认为机械的要素有五类：轮与轴，杠杆，滑车，尖劈，螺旋。希罗的论文只是关系到提升和推动重物，虽不够全面，但却反映了古典机械的特征。1724年，德国莱比锡的机械士廖波尔特（Leopold）给出的定义是：“机械或工具是一种人造的设备，用它来产生有利的运动；同时在不能用其他方法节省时间和力量的地方，它能做到节省。”马克思在资本论中对充分发展了的机械给出了界定：“一切已经发展的机器，都三个本质上不同的部分发动机、传动机构和工具机械工
13、作机构成，发动机是整个机构的动力。”马克思在18611863年经济学手稿讨论了机器与工具的区别，他指出：“以上所述已经对机器和工具有什么区别的问题作出了回答。工具本身一旦由机械来推动，一旦由工人的工具（它的生产率取决于工人的技巧并需要他付出作为劳动过程的媒介的劳动）变成机械的工具，机器就代替了工具。在这种情况下，机械应该达到这样的发展程度：它既能从人或牲畜，简言之，从任意动作的那些原动力获得动力，也能从机械推动的原动机获得动力。”马克思主要从经济学和生产工具发展的宽广视角考察机器和机械的深刻涵义，力图说明当时的社会生产从工厂手工业向大机器工业的转变。他认为机器是代替人手操纵工具的机械系统，它从
14、一开始就应是“工作部分同传导运动的机械和推动机械的原动机的组合”。马克思还谈到了当时一些学者中关于机械和机器的概念：“就象在英国的在政治经济学家一样，在英国的力学家中，可以遇到这样一些人，他们认为，机器与工具没有本质的区别；工具是简单的机器，而机器是复杂的工具，或者说，两者只有简单机器与复杂机器之分。从这种意义上说，甚至最简单的机械，如杠杆、斜面、滑轮、螺旋、楔、轮子等，也被叫作机器”19世纪中、后期，西方机械工程学家开始从机械的力学原理出发讨论机械或者说机器的概念，从而给出比较专业和科学的定义。下面给出的是早期机构学的两部奠基性著作中的定义。英国机械学家威利斯（R.Willis，180018
15、75）在其机构学原理（ThePrincipleofMechanism，1841年）所给的定义是：“任何机械（machine）都是由用各种不同方式连接起来的一组构件组成，使其一个构件运动，其余构件将发生一定的运动，这些构件与最初运动之构件的相对运动关系取决于它们之间连接的性质。”德国机械学家勒洛（F.Reuleaux，18291905）在其理论运动学（TheoretischeKinematik，GrundzgeeinerTheoriedesMaschienenwesens，1875年）中的定义是：“机械（machine）是多个具有抵抗力之物体的组合体，其配置方式使得能够借助它们强迫自然界的机械力
16、做功，同时伴随着一定的确定运动。”威利斯给出的machine定义实际是现代机械原理中的机构。勒洛则最早给出了现代机械学中的机器（即machine）定义。从勒洛开始，机构概念与机器也被区分开来。20世纪的机械原理著作进一步明确了机构和机器的概念。勒洛的理论运动学建立了机械运动学的基础，书中的许多概念、观点和研究方法被沿用至今。20世纪初，出现了把机构学和机械动力学合在一起的机械原理著作。当时西方的机械原理教科书中有如下的定义：（1）“机械者，固定部分与运动部分之组合体，介乎能力与工作之间，所以使能力变为有用之工作者也。”（1912年，Keown）（2）“机械者，两个以上物体之组合体，其相对运动皆
17、继续受一定之限制，使一种能力由之变化或传达，以作一种特别之工作者也。”（1915年，Mcksy）1930年，我国机械学家刘仙洲在编写中国最早的机械原理教科书时，参考西方这类教科书给出了一个定义：“机械者，两个以上之物体之组合体。动其一部则其余各部各发生一定之相对运动或限制运动，吾人得利用之使一种天然能力或机械能力发生一定之效果或工作者也。”1955年，乌克兰奥德萨工业大学多布罗沃利斯基（。）在一篇论文中给出了一个定义：“机械是为人所使用的劳动工具，在这个劳动工具中，形状和尺寸适合的部分是由能经受很高压力（阻力）的材料所制成；在引入能量不断作用下，能完成适合的实际上有利的运动和动作；这些运动和动
18、作是人们为完成技术的工艺目的所必要的。”这里定义的“机械”，更确切地说是机器，即现代机械原理中的machine概念。综上所述，西方有关机械的一般性概念随着机械的发展逐渐发生了变化，随着机械工程科学的建立和发展而深化。从区分机械与手工工具开始，到区别复杂机械与简单机械和工具，进而形成了机械工程学中最基本的机器和机构概念。3、机械工程技术史的范畴机械工程学是以机构和机器为基本对象的科学，各类和各种不同机械均属机械工程技术的范畴。机械的种类繁多，可根据部分机械在某些方面的类同特性或特征化分类别。如希罗将简单机械分为五类：轮与轴，杠杆，滑车，尖劈，螺旋。按马克思对机器系统的分类，机械可分为发动机、传动
19、机构和工作机。刘仙洲在中国机械工程发明史（第一编）中将机械分为七类，即：简单机械、发动机或原动机、工作机、传动机、仪表、仅用发动机原理的机械、发电机与电动机。按机械的使用功能则可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；接服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械、运输机械和化工机械等；按工作原理又可分为热力机械、流体机械、往复机械和仿生机械等。从动态观点看，机械工程又是一个技术过程。它包含了人类的主要技术活动：（1）发明与革新；（2）设计与测试；（3）制造（加工与制作）（4）使用与维修。因此各种机械的发明、设计、加工与制造以及使用与维修均属机械工程技术的范畴。发明和设计包含了更多的智力因素和
20、思想与知识内涵。制造和使用则包含了更多的体力因素和经验与实践的内容。机械加工与制作的对象以及加工制作过程无疑属于机械工程技术的基本内容，因此，某些通过机械加工获得的技术产品，尽管不能看作是机构和机器，也常常被认为属于机械工程的范畴。机械工程技术史是研究机械工程技术发生、发展过程及其规律的一门学科。机械工程技术史的对象和范畴与机械工程技术的对象与范畴既有在内在的联系，由有着一定的差别。从认识上看，机械工程技术是第一个层次，机械工程技术史是第二个层次，后者是以前者为基础的。机械工程技术史是研究过去的机械技术的学问，与前者不同的特点是研究者和研究对象在时间坐标上处于不同的位置，因此它重视从时间关系研
21、究机械技术的特点和演变过程。可以说，机械工程技术史的对象是历史上的机械成果及其影响机械工程技术发展的各种主要因素。不仅历代的机械发明、机械制造技术以及机械成果的推广与应用属于机械工程技术史的范畴，而且影响机械工程发展的社会的经济、政治和文化等因素也属于它考察的对象和范畴。二、中国机械工程技术史的研究对象、任务和价值1、中国机械史的研究对象与任务中国机械工程技术史主要研究机械工程技术在中国的发展过程与模式，它的对象是中国历代的机械成果及其影响机械工程技术发展的各种因素。机械技术的发展在许多方面有其一般性的规律，适用于不同的文化和国家，当然也适用于中国。但是每个国家特别是不同文化传统的国家有着不同
22、的特殊环境和背景，各国机械的发展是不平衡的。有的国家和地区在机械技术的某些方面发展水平较高，另一些国家和地区则在机械的另一些方面发展水平较高；有的机械成果在某些国家传播和发展较快，而在另一些国家推广应用十分缓慢。由于不同文化和社会因素的制约，各国机械工程技术的发展模式也并不是千篇一律的。因此不同国家机械工程技术的发展往往呈现出不同的特点。尤其是中国古代机械的发展，技术传统与西方有很大不同，有其独特的轨迹。既有许多优点也有不少缺点，既有很多成功的经验也有不少失败的教训，值得认真加以总结。中国机械史的主要任务就是要整理和发掘中国历代在机械工程方面的重要成果及其特点，揭示机械工程技术在中国发展的规律
23、性和特殊性。研究中国机械史应从考察中国历代的机械成果入手，首先需要掌握大量的历史资料。中国历史上有哪些重要机械科技成果？它们的水平和价值如何？中国传统机械及其技术、工艺方法和西方有何不同？机械工程技术对中国社会生产有何作用和影响？这些都是需要机械史研究解决的基本性问题。只有对有关史料进行全面的清理和深入的分析，才能获得这些问题的答案。对于中国古代机械史来说，历代有关机械工程的成果主要反映在三类史料之中，即文字资料、图像与图形资料和实物资料。中国机械工程的文献史料，是有关古代机械的概念名称、形制、材料、动力、结构原理、工艺方法、应用与推广情况以及相关的社会历史文化背景等方面的文字记载和描述。它包
24、括各类典籍中的有关史料和出土文物上相关的铭刻资料等。除了少数一些技术著作中有关机械的专论性记述外，有关机械工程的文献资料十分零散，大都分散在大量的各类古籍之中。图像与图形资料主要是古代美术作品和工程技术著作及其它典籍中的机械图像与图形，这些资料不仅存在于帛、纸为载体的古代绘画作品和各类写本和印刷本书籍中，而且大量存在于古代岩画、铜器刻画、砖石刻画、壁画等平面绘画和浮雕作品之中。实物资料是考古发掘中出土的和传世的与古代机械直接有关的各种实物，主要包括大量的古代各类机械成品、半成品、零部件、机械模型、明器机械和机械加工产品，目前在民间仍然尚存不少传统机械，从技术上看属于古机械的遗制，它们也是重要的
25、实物资料。这些实物资料具有重大的价值，由此可以获得更为确切和可靠的关于过去机械技术的信息，它们与文献资料同样属于中国机械史的研究对象。搜集、整理和分析古代机械工程史资料，是中国机械工程史研究的一项基础性工作。但是，由于多数文献史料分散在数量极大的古籍和铭文中，各类与机械有关的古代绘画作品则更是分散收藏于各地不同的机构和个人手中，实物资料同样分布在十分广泛的地域范围内，此外还有大量资料流失国外，因此，对如此众多的史料进行充分的发掘、整理和研究，由少数人在短期内显然是难以完成的。中国机械工程技术史的任务因而也十分繁重，必须多人接力工作，逐步扩大调查和研究的范围，直到基本掌握整体面貌。中国机械工程史
26、还要探讨影响中国机械工程技术发展的各种因素。除了研究诸如工匠和技术人员在机械工程发展中的作用、古代的技术观和设计与管理思想对工程技术实践的影响等内部因素外，还应分析文化与科学传统、社会经济与政治制度、战争与军事、思维方式、技术政策与组织管理制度以及对外交流关系对机械工程发展的影响等诸多外部的因素。这些因素对于古代机械工程的发展有时起促进作用，也有时起阻碍作用。有的因素只有短期影响，有些则长期发挥作用。这方面的研究，涉及领域很多，情况极为复杂，因而难度也更大，任务更为艰巨。如果要想在中国机械史的宏观研究方面取得突破性的进展，就必须在这方面有更多的投入和下更大的功夫。在搜集、整理和分析古代机械工程
27、史资料的基础工作取得重要进展后，研究工作的重点应逐渐向这方面转移。2、中国机械史的价值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。中国古代机械工程技术成果具有重要的历史价值，有许多机械发明和技术成果在世界机械史上处于遥遥领先的地位，其中不少成果还传播到了世界各地，对世界机械技术的进步起到了直接的促进作用。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。这些发明在公一元世纪到十八世纪期间先后传到了欧洲和其他
28、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
29、水，后来又用于航海；（25）纸、印刷术和活字印刷术；（26）瓷器。我写到这里时了句点，因为二十六个字母都已经用完了，可有许多例子、甚至还有重要的例子可以列举。我们决不能认为对以上任何一种发明已经没有话可讲了，也不能认为在所有例子中，都有足够的证据可以充分证明，后来欧洲应用的是从较早的中国人的实践中得来的。但是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。“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
30、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
31、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。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，
