2000年前的齒輪和卡尺

最新 07-03

遊標卡尺的始祖——王莽卡尺，測量人必知

古人王莽發明過一種遊標卡尺，意圖統一全國的度量，從原理、性能、用途上來看，這種遊標卡尺同現代的遊標卡尺十分相似，比西方早了1700多年。

王莽卡尺,現代遊標卡尺始祖

遊標卡尺是工業上常用的測量工具,也是現代工業仍在發揮著不可替代作用的測量工具之一,一般認為遊標卡尺是歐洲工業革命時期產生的測量工具,英國在1973年出版的《英國百科全書》中,就記述遊標卡尺是法國數學家維尼爾·皮爾在1631年發明的。然而,讓很多人感到穿越的是,在漢代就曾出現過與現代遊標卡尺幾乎完全相似的卡尺,它比西方科學家製成的遊標卡尺早1600多年。

1992年5月在揚州一座東漢早期墓中出土了一件銅卡尺。此銅卡尺由固定尺和活動尺兩個主要部件構成,卡尺通長13.3厘米,固定卡爪長5.2厘米、寬0.9厘米、厚0.5厘米。固定尺上端有魚形柄,長13厘米,中間開一導槽,槽內置一能旋轉調節的導銷,循著導槽左右移動。在活動尺上有一環形拉手,便於活動尺移動。使用時,右手握尺,拇指牽動環形拉手,左右移動,使用方式與現代卡尺完全一樣。這件銅尺既可測器物的直徑,又可測其深度以及長、寬、厚,均較直尺方便和精確。惜因年代久遠,其固定尺和活動尺上的計量刻度和紀年銘文,已鏽蝕難以辨認。

東漢青銅卡尺與現代遊標卡尺相比較,除了在測量精度上有一定差距,卡尺長度短於現代的以外,其原理、性能、用途和結構與現代遊標卡尺已經非常相似了,都是用於測量和加工圓柱體和球體以及不規則物體的。從中不難看出,我國出土的漢代銅卡尺即是原始的遊標卡尺。另外,在國家博物館和北京藝術博物館各收藏一件王莽時代的新莽銅卡尺,它們都有計量刻度和紀年銘文,兩者均比揚州出土的銅卡尺略長一些,卡爪則稍短些,其外形、構造和組合部分基本相同。

保存在濟南市博物館的洛庄漢墓出土的隨葬車上,傘蓋的青銅桿活套就配合很好,推測與當時先進的測量技術有直接關係。張頌斌認為,在考古工作中就有商代古車出土,甲骨文和金文中也有「車」的象形文字出現。當時,在造車技術中車軸和車輪內孔的配合,都需精密測量,或許當時已經有更原始於漢代銅卡尺的同類測量工具。

「五寸之矩」,建大工程誤差僅1/16000

「我們常說『沒有規矩不成方圓』。『規』是畫圓的工具,『矩』是畫方和測方的工具,『矩』上有刻度,就叫作『矩尺』。」據張頌斌介紹,珍藏在山東省計量科學研究院的一件東漢時期的「矩尺」距今2000年了,這件「矩尺」,青銅製,長11.6厘米,有刻度,分為五格,每格約2.31厘米,正合漢代長度的一寸,我們稱為「五寸矩尺」。由於「矩尺」是測量工具,一般不作為隨葬品,所以出土極少。安徽省曾出土過一件戰國時的青銅矩尺,邊長為一尺(戰國一尺),國家博物館也收藏有漢代的青銅矩尺,邊長也是一尺(漢一尺)。史料《荀子·不苟》有「五寸之矩,盡天下之方」的記載,意思是說小小的五寸矩尺,可以測量各種大小不同器物的直角。這件五寸矩尺,不僅說明了史料記載的真實性,同時也說明了這件文物的珍貴。

《史記·夏本紀》有大禹治水「左準繩,右規矩」的記載,「准」是測水平的工具,「繩」是打直線的(墨線)工具(也有的學者提出是垂線),可見祖先很早就使用這些延續了幾千年的基本的工具了。漢代畫像石中,常見有女媧、伏羲手舉規矩的畫像。女媧、伏羲都是傳說中的人類始祖,畫像表明,早在漢代,人們就已經認為規矩來自遙遠的始祖,畫像除了表達他們認為的規矩的起源之外,還表達了漢代人對祖先賜予的先進測量工具、勞動工具的一種崇拜。

正是有了這樣貌似簡單的工具,才能造出古代高大建築,漢以前的大型水利工程,甚至更古老的造車技術。張頌斌舉例說,徐州龜山漢墓,兩條長達56米的平行石鑿甬道,沿中線直線偏差僅5毫米,精度達1/10000,兩甬道相距19米,夾角誤差為20秒,誤差僅為1/16000。這樣精確的測量技術,無不出自這些古老、原始而又準確的測量工具。

1992年5月在揚州市西北8公里的邗江縣甘泉鄉（今邗江區甘泉鎮）順利清理了一座東漢早期的磚室墓，從墓中出土了一件銅卡尺。

此銅卡尺由固定尺和活動尺等部件構成，固定尺通長13.3厘米，固定卡爪長5.2厘米、寬0.9厘米、厚0.5厘米。固定尺上端有魚形柄，長13厘米，中間開一導槽，槽內置一能旋轉調節的導銷，循著導槽左右移動。在活動尺和活動卡爪間接一環形拉手，便於繫繩或抓握。兩個爪相併時，固定尺與活動尺等長。使用時，將左手握住魚形柄，右手牽動環形拉手，左右拉動，以測工件。用此量具既可測器物的直徑，又可測其深度以及長、寬、厚，均較直尺方便和精確。惜因年代久遠，其固定尺和活動尺上的計量刻度和紀年銘文，已鏽蝕難以辨認。

青銅卡尺與現代遊標卡尺相比較，二者有驚人的相似之處。現代遊標卡尺主要由主尺、固定卡爪、游標架、活動卡爪、游標尺、千分螺絲、滑塊等部分組成，而銅卡尺是由固定尺、固定卡爪、魚形柄、導槽、導銷、組合套、活動尺、活動卡爪、拉手等部分組成。從組成的主要構件來看，銅卡尺的固定尺和活動尺，即是現代遊標卡尺的主尺和副尺；銅卡尺的組合套、導槽和導銷即是游標架。其主要差距在於：現代遊標卡尺應用微分原理，通過對齊主尺和副尺的兩條刻線，能精確地標出本尺所能測出的精密度，而銅卡尺只能藉助指示線，靠目測估出長度單位「分」以下的數據。從中不難看出，現代遊標卡尺是由漢代的銅卡尺演變發展而來，就其構造原理、性能和用途來說，漢代銅卡尺即是原始的遊標卡尺。

有關王莽新朝始建國元年（公元9年）銅卡尺的記載見於晚清一些著錄上（如吳大澄《權衡度量實驗考》和容庚所編《秦漢金文錄》），共收錄了五件卡尺拓本，可惜原物在解放前就已流散失傳了。如今僅在中國歷史博物館和北京藝術博物館各收藏一件，它們都有計量刻度和紀年銘文，前者主尺長15.2厘米、卡爪長6.2厘米；後者主尺長15.37厘米、卡爪長6.1厘米，兩者均比揚州出土的銅卡尺略長一些，卡爪則稍短些，其外形、構造和組合部分都相同。不過上述兩件均系徵集，出土地不明，而江蘇揚州的銅卡尺出土地明確，甘泉鄉姚灣村位於漢廣陵國郡城之西北，這裡曾是兩漢諸侯王、貴族墓群的叢葬區域所在。

東漢原始銅卡尺的出土，糾正了世人過去認為遊標卡尺乃是歐美科學家發明的觀念。英國在1973年出版的《英國百科全書》第10卷402頁，記述遊標卡尺是法國數學家維尼爾?皮爾（公元1580－1637年）在1631年發明的。其實，我國早在公元一世紀初的新莽時期就己發明遊標卡尺並在生產中開始應用了，從而將遊標卡尺的歷史上溯了一千六百多年。東漢原始銅卡尺的發現，為研究我國古代科學技術史、數學史和度量衡史提供了實例，因此，彌足珍貴。

這裡在說一下古代的齒輪和軸承！