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古代学术(2):技术与科学 - lxjyw.net古代学术(2):技术与科学
[字体:  ] [ 发布:其它单位【易寿祥】   评论:0   点击:1550  日期:2013/9/28 22:17:30] 编辑文章

(二)技术与科学

宋元时代出现了好多种技术专书。我国古代文化史中的技术科学部分逐渐形成了。这些技术专书中有论建筑技术的《木经》和《营造法式》,有论冶炼技术的《浸铜要略》,有论织机技术的《梓人遗制》,有论制盐技术的《熬波图咏》,还有论造船技术的船式、船样诸书。《武经总要》中则收集了有关军事技术的纪录。《新仪象法要》是一部论述天文仪器制造技术的专书。这些专书的出现,充分说明了宋元时代在建筑、冶炼铸造、纺织、制盐、造船等技术各方面都有较高的水平。关于宋代的农业技术和工业技术上的三大发明即活字印刷术、指南针用于航海和火药用于制造火器,已见另章(见本书第五册),这里不再重述。

建筑——北宋初,工匠喻皓著《木经》三卷,其中规定屋架尺度以梁的跨度为准,阶基高度以柱高为准,后人都依以为法。喻皓和画师郭忠恕参加了九八九年(端拱二年)所完成的开宝寺塔的建筑工作。

一一○三年(崇宁二年),李诫集合了建筑工匠的智慧,并依据他自己从事建筑的经验,编成《营造法式》一书,这是我国古代建筑科学的一项宝贵遗产。《营造法式》中的大木作制度首先提出用材的标准,共分八种,这样木材的使用就能控制。其次对于梁、柱和斗拱作了详细的介绍和分析。为了增加建筑物的稳定性,书中记载了柱的“生起”和“侧脚”的方法。生起是由中心到四角的柱逐渐增加柱高。侧脚是外围的柱脚稍微向内侧倒斜一些。这样都使建筑物重心向内,使梁、柱、枋的结合更加紧密。梁的截面规定高与广的比例是十五比十(即三比二,3/2=1.5),这和现在计算上要求比例为  (=1.4142),误差很小。斗拱是由方形的斗和近似弓形的拱累叠而成,介于梁和柱之间。根据建筑物的大小,斗拱分好几层,逐层向外挑出,形状上大下小,好象一个托座。前面挑出屋檐,后面承托梁架。斗拱是我国古代建筑中比较复杂的结构部分。斗拱有放在柱头的、柱间的和房屋四周转角的,各有专门的名称。对屋顶则有“举折”的制度,即规定各种结构的坡度标准。

《营造法式》中的小木作制度,是包括门窗、栏杆、天花板、楼梯等各件的制造方法和用材规格。还有佛殿中的转轮藏,设计巧妙,整个转轮利用中心一根立轴转动。宋胡寅《斐然集》上说:“载以机轮,推而转之。”立轴上下都用铁制器械困住。转轮分七格,每格放佛经的经匣,轮轴运转,可检阅所需要的佛经。四川江油窦圌山云岩寺内发现南宋初期制作的飞天藏,仍保存了北宋时代的建造手法。飞天藏又叫星辰车,也是轮藏的一种,据研究已有轴承的装置。

小木作还制造各种器械和木样。北宋最有名的器械是指南车和记里鼓车。指南车和记里鼓车北宋以前已有发明,但制法失传。一○二七年(天圣五年),燕肃重新设计制造指南车,卢道隆设计制造记里鼓车。一一○七年(大观元年),吴德仁又设计制造指南车。尺寸规范都有详细记载。这是我国古代对齿轮系的高度运用。用两个齿数相同的齿轮,中间嵌入一个中轮,便能按同一速度和同一方向运转。记里鼓车是用轮轴机械量度地面距离的特有装置。欧洲到十七世纪才有类似的计步计的发明。

《营造法式》还记录了当时木工所用的一些新工具,其中有起线刨子,为加工门窗复杂线脚之用;又有窄锯,为锯曲线时用;又如雕锼的锼,专用来雕缕空花纹。

《营造法式》中的窑作制度,记录了烧窑技术。据《宋会要》记载当时有东西窑务,内工匠分为瓦匠、砖匠、装窑匠、火色匠、粘胶匠、鸱兽匠、青作匠、积匠、窑匠、合药匠十类。《营造法式》内的分工也大致相同。其中火色是掌握火候。粘胶指粘瓦粘砖之类。鸱兽指造鸱尾和兽头等琉璃制品之类。青作是烧青瓷。积匠和窑都指垒窑工作。合药即合琉璃药,指配釉料的方法。

冶炼和铸造技术——苏颂《图经本草》中说到,江南、西蜀凡有炉冶的地方都有铁。锻家烧铁赤红,在砧上打铁,有打落细皮屑的叫铁落,俗名铁花。铁矿石初炼出来铸■(音写xiě。铸造方法)器物的叫生铁。再三销拍,可以作金属薄片的叫熟铁。生熟相和用来作刀剑锋刃的叫钢铁。锻灶中飞出如尘,紫色而轻虚,可以磨莹铜器的叫铁精。对北宋锻铁生产过程,记载完备无遗。其中铁精即三氧化二铁,现代还用来作为金属宝石等器抛光之用。销拍就是炒炼。生熟相和制造钢铁,就是沈括《梦溪笔谈》中所说的灌钢或团钢法。

宋朝在铜的生产上,除一般矿冶外,还采用了胆水浸铜法。一○三五年(景祐二年),宦官阎文应献计给许申“以药化铁成铜”。后二年,钱逊奏报:“信州铅山产石碌,可烹炼为铜。”浸铜法是把生铁锻成若干薄铁片,如鱼鳞状排列在胆水槽中,浸的时间短则五天,长则十天。要看胆水的浓度而定。浸后,胆矾的铜离子被金属铁取代,形状如赤煤附在原铁片的周围。把它取出刮下来,在炉中“烹炼”三次便成铜。当时的生产指标大约是铁二斤四两得铜一斤。槽中没有被化的铁片可保留,另外加新铁片,再为浸制。用这种浸铜法生产铜,世界上以我国为最早。这是水法冶金技术的起源,是宋朝人民向自然界索取铜原料的一项重大发明。绍圣年间,当时管理饶州兴利场的张潜曾总结了工匠们胆水浸铜的经验,写有《浸铜要略》一书,原书失传,现只保存了一篇序言。

宋朝有许多大型铸件,其中有针灸铜人,铜制浑仪、铜鼎等。宋徽宗时所铸的九鼎共重二十二万斤,即每鼎重二万多斤。留传到现在的北宋大型铸件有山西太原晋祠金人台的大铁人等。这些大型铸件说明了当时铸造工艺的技术水平。

宋朝的铸造工艺仍为传统的泥型铸造、失蜡铸造和砂型铸造。关于失蜡铸造,南宋赵希鹄的《洞天清禄集》说:“古者铸器,必先用蜡为模。”这“古者”当指北宋以前的方法。关于砂型铸造,据记载南宋初仁和县出橐籥沙,可用来做鼓铸之模。《游宦记闻》中也提到蕲春钱监有沙模作。沙模就是砂型。太原晋祠的大铁人实物上有明显的接缝,一般失蜡法都是整铸,没有分段的 必要。又大铁人胸部及小腿上都雕刻文字,砂型铸造本身强度低,不受雕刻,所以不象用砂型,很可能是用泥型铸造法。

铸造这样的大铸件,熔炼和浇注技术也是关键所在。《绍熙云间志》记载一○二四年(天圣二年)铸造铜钟,说:“洪炉启而祝融奋怒,巨橐扇而飞廉借力”,对掌握大炉的操作技术,十分形象。“俄而烟飞焰歇,豁然中度,华钟告成,厥功斯就”,浇注过程相当迅速。一一○五年(崇宁四年)铸九鼎,也是“熔冶之夕,中夜起视,炎光属天,一铸而就。”由此可以推测到北宋浇注设备的程度。

制盐技术——一是海盐的煎取技术,二是井盐的汲取技术。一三三○年(元至顺元年)陈椿所著的《熬波图咏》对海盐煎取术记载十分详细。《熬波图咏》中的“铸造铁拌图”是宋元时代高炉型的一种。图中提供了全套设备的图样,用风箱来鼓风。风箱的设施又见于北宋《武经总要》中的“行炉图”。王祯《农书》内的水排图也用到风箱。宋元时代风箱的发明是我国鼓风设备的一项重要发展。这种形式的风箱一直流传到现在。《熬波图咏》中最值得称赞的就是莲管秤试法。先把卤水分为四等,第一等是原盐卤,盐分为百分之百。第二等是三分盐卤一分水,比例为百分之七十五。第三等是一半盐卤一半水,刚好是百分之五十。第四等是一分盐卤二分水,比例是百分之三十三。然后用石莲子四枚浸过,放在一个盛水的竹管内,竹管口上用竹丝隔好不令莲子漾出。分别放在四等卤水中作试验。凡是四个莲子都浮起来的是第一等卤水,都沉下去的是第四等卤水,如果立浮于面的则看深浅程度可定为第二等或第三等。这样定出一个标准,便可以检验所得的卤水可煎或不可煎。这种道理与现在用浮沉子测量液体比重的意义大致相同。

井盐的汲取,以四川为最盛。北宋四川盐井有大口井和小口井两种。大口井沿袭旧制。小口井则为北宋所发明,称为卓筒井,简称筒井。用困刃钻凿井口如碗口大,深达数十丈,用大竹去节作套管以保全井壁,用皮囊汲取盐卤。筒井后来叫竹井,钻掘技术仍是在北宋的基础上加以发展的。

开掘盐井时,有硫化氢气体危害性极大。后蜀广政二十三年(九六○年),陵州陵井井口冒出毒气,“毒气上如烟雾,炼匠人皆死”。这毒气就是硫化氢。北宋时通过观察,从实践中认识到这种毒气能溶于水,凡雨天可免中毒,故发明在井下设置水盘滴水,以保证安全施工,解除危害。

造船——宋代造船,已根据船样打造。船样又叫船式。一○○○年(咸平三年),造船务匠项绾等曾献转海船式。船样有的是编成图册以供选用。有的是设计船型,制成模型,然后制造。有的即据实体仿造。一二○三年(嘉泰三年),池州秦世辅先造新样铁壁铧嘴船和平面海鹘战船两种,经过试验后确属快便。宁宗下诏,三衙江上诸军如要修造战船都照池州船样。凡定船样时都考虑到船舶的总体布置,为了防止船舶部分破坏而影响整体,已有密舱的设备。船型根据需要各有区别。沿海航行和远洋航行船型不同。南宋沿海航行已有防沙平底船。一一五八年(绍兴二十八年),福建路安抚转运司言,鱽鱼船只是明州上下浅海去处,风涛低小,可以差使;如果福建广南出海航行,则海道深阔,非明州沿海可比,所以要另制船样,造尖底海船使用。

一九七四年,福建泉州湾后堵港西南海滩发掘出一艘南宋时代木造海船,尖底,有十三个船舱,分舱密室的残形还依稀可见。船中还发现大量香药、铜钱等。可见这是一艘航行于我国南海一带的货运海船。

据记载,宋朝以“料”作为船舶载重的计量单位。最小的般为五十料,最大的达五千料。

福建泉州出土南宋海船

大概内河船行的民船和战船在五百料以内,沿海航行、远洋航行的则在四百料以至五千料不等。漕运纲船,每五百料船二十五只,或四百料船三十只,叫一纲。一纲可载重一万二三千石。船舶主要结构尺寸大致也根据料的标准而定。如三百料的长四十五尺阔十尺,八百料的长七十尺阔十八尺等。宣和年航行到高丽的海船,“客舟”长一百多尺阔二十五尺,“神舟”长阔三倍于客舟,更为高大了。

南宋初,陈傅良论“治大舟”,对控制船舶航行的三大重要部分:推进、操纵和系泊装置都有阐述。关于推进方式,宋朝船舶主要仍是风帆。徐兢说宣和时到高丽的船,“舟行终不若驾风之快也”。当时航行时风正、风偏和风息,都以大帆或小帆调节使用。南宋初,还大量制造车船,用车轮作推进装置。杨太起义军曾以车船大败宋军。踏车回旋,横冲直撞,将宋军人船数百只尽碾没入水。建炎中,乎江造船场造八橹战船、四橹海鹘船等。乾道时,建康造船场造一车十二桨四百料战船。冯堪造多桨战船,一艘用桨四十二枚,橹和桨都是传统的推进工具。

关于操纵机构,主要是船尾舵。南宋后期已知道“柁与船首,适得其平”,因为如果舵太长或太短都妨害了操纵船舶的航行。宋朝海船的船尾舵有正舵大小二等,在远洋航行时还用到副舵。系泊设备主要是矴(碇)。海船用矴可重达千斤,“千斤铁矴系船头,万丈滩中得挽留。”近山抛泊叫抛矴或放矴。还有游矴在风涛紧急时应用。掌管舵的叫舵手,掌管矴的叫碇手。

北宋熙宁中已设置船坞,修治长二十余丈的龙船。南宋乎江府一带有藏船屋,是为保护船只避免在露天受自然界的损害而制造的。

据《金史》记载,当时还创造了滑道下水法。船舶造成后,用新的秫秸铺在地上,又用大木头在两旁夹紧,乘霜滑拉动,这样不很费力的下入水中。据南宋周密《癸辛杂识》记载,遇海船搁浅时,一种方法是把船装的货取出,以减轻负重,如还无效,便缚排求活。这都是利用了浮力的道理。北宋怀丙曾用两船架起沉入河中的铁牛,也是利用浮力。

宋张商英《佛国禅师文殊指南图赞》有海船图,并说:“酌海深浅,于其远近,望月观星,知来识往。”“酌海深浅”是测深,“于其远近”是测程,“望月观星”是天文航海,“知来识往”是熟知海道。海船的制造与航海技术的发达是分不开的。

纺织——纺织技术分纺和织两方面,宋元时代纺的技术以元王祯《农书》中记载的水转大纺车为其代表,织则以元初薛景石《梓人遗制》集其大成。

水转大纺丰是在纺的工艺上以水力代替人力的创举。原来纺车都用手摇,后来发明了脚踏纺车,有三个锭子。王祯《农书》中已记有五个锭子的脚踏纺车。山于水力的应用,元代出现了有三十个锭子的大纺车。王祯说:“车纺工多日百斤,更凭水力捷如神。”水转大纺车的锭子是直立的,改变了手摇和脚踏纺车中锭子横排的形状,这样便于操作而少占用空间。现在的纺纱机中纺锭也是直立,可能就是从这种大纺车发展而来。

《梓人遗制》有一二六三年段成已的序,说明这是元初的作品,是薛景石总结元以前的织机构造而写成的专书。序文中说道:“其所制作,不失古法,而间出新意。”“求器图之所自起,参以时制,而为之图。”“每一器必离析其体而缕数之,分则各有其名,合则共成一器。”现在所知,《梓人遗制》是世界上论织机构造最早的一部专书。技术专著的编纂,是宋元时代技术科学的一个特点。

《梓人遗制》中列举四种木织机,一是华机子,即提花机。一种是立机子,即立织机。一种是罗机子,即专织纱罗纹织物的木机。一种是小布卧机子,即织一般丝麻原料的另一种木机。《宋会要·食货》记宋初置有机抒院,每人管机三四张。又记九九八年(咸平元年)绩锦院旧有锦绮机四百余张。这应当包括了提花机及其他木织机。这样的规模已是很不小了。
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