第一巧匠馬鈞

　　　　馬鈞是三國(guó)時(shí)期的著名機(jī)械制造專家，具有高超的制造技巧，發(fā)明和制造了織綾機(jī)、水車、指南車等多種機(jī)械，成為我國(guó)古代非常有名的機(jī)械發(fā)明和制造專家，為古代機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。

　　馬鈞，字德衡，扶風(fēng)（今陜西興平東南）人。生活在三國(guó)時(shí)代的曹魏時(shí)期，生卒年代不詳。他從小不善言辭，說(shuō)話不多，但是很喜歡讀書、思考問題、善于動(dòng)腦子，尤其喜歡鉆研機(jī)械制造方面的問題；同時(shí)他又非常注重實(shí)踐，勤于動(dòng)手；這樣就養(yǎng)成了善于吸收新知識(shí)的習(xí)慣，又有比較熟練的實(shí)際技能，為從事機(jī)械制造打下了一定的基礎(chǔ)。他早年生活比較艱辛、貧困，長(zhǎng)時(shí)間住在鄉(xiāng)間，使他有更多的機(jī)會(huì)接觸勞動(dòng)人民，對(duì)他們的疾苦和繁重勞動(dòng)有深切的了解和體會(huì)，因而他比較關(guān)心生產(chǎn)工具的變革，并決心用自己的知識(shí)和技術(shù)為老百姓服務(wù)，改善他們的生產(chǎn)和生活條件。

　　馬鈞對(duì)機(jī)械的研究制造始于改革織綾機(jī)，織綾機(jī)就是織造"綾"的提花機(jī)，"綾"是一種表面光潔的提花絲織品，這是在我國(guó)傳統(tǒng)的絲織品基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)一種比較高級(jí)的產(chǎn)品。我國(guó)絲織技術(shù)有著悠久的歷史，早在商代就已經(jīng)運(yùn)用平紋織法和絲織法織造幾何圖形圖案的絲織品。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的絲織品已達(dá)幾十種之多，品質(zhì)也有很大提高，秦漢時(shí)期我國(guó)的絲織技術(shù)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，現(xiàn)已出土這一時(shí)期大量的提花紋紗和以經(jīng)絲顯花的彩色織錦。絲織技術(shù)的發(fā)展得力于織造工具的進(jìn)步，商朝已經(jīng)出現(xiàn)平紋織機(jī)，周朝就出現(xiàn)了提花織機(jī)。在戰(zhàn)國(guó)末期已經(jīng)開始使用足踏織機(jī)。這是絲織技術(shù)劃時(shí)代的成就，因?yàn)槔媚_踏板作提綜開口的裝置，手就能騰出來(lái)投梭，手腳配合效率大增。到漢代，絲織機(jī)又有了重大改進(jìn)，出現(xiàn)了一種新的提花機(jī)，即120躡•120蹤的織綾機(jī)，用這種織綾機(jī)60天才能完成一批散花綾，效率相當(dāng)?shù)停铱棛C(jī)的構(gòu)造和操作相當(dāng)復(fù)雜。三國(guó)使用的織綾機(jī)已經(jīng)比漢代有所簡(jiǎn)化，出現(xiàn)了"50綜•50躡"或"60綜•60躡"的織綾機(jī)。但是這種織綾機(jī)仍嫌復(fù)雜、笨重，操作不便，勞動(dòng)強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率低，織工辛辛苦苦織一匹綾子需要一個(gè)月的時(shí)間。馬鈞覺得有必要進(jìn)一步改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種更為簡(jiǎn)單、方便實(shí)用的織綾機(jī)，減輕工匠的勞動(dòng)，織出更多的"綾"滿足社會(huì)需要。為此，馬鈞對(duì)織綾機(jī)進(jìn)行了深入細(xì)致的觀察、研究，對(duì)影響織機(jī)操作的因素進(jìn)行了全面分析，他發(fā)現(xiàn)"綾"的花色、圖案有許多是對(duì)稱重復(fù)的，利用這一點(diǎn)可大大簡(jiǎn)化綾機(jī)的結(jié)構(gòu)和操作。為此，他進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)，最后把原有的織綾機(jī)一律改為12躡，一下子使織綾機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化很多，操作也更加方便，勞動(dòng)生產(chǎn)率提高好幾倍，而且織出的綾的色彩、圖案、質(zhì)量也有所提高。據(jù)說(shuō)曹魏景初元年（公元237年），日本使者來(lái)訪，魏明帝贈(zèng)給日本大批絲織品，其中許多就是用馬鈞改進(jìn)后的織綾機(jī)織成的。這種高效的織綾機(jī)很快就傳播到其他地區(qū)，得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了中國(guó)紡織業(yè)的發(fā)展。

　　馬鈞的另一突出成就是制成了久已失傳的指南車。指南車又名司南車，是古代帝王出行時(shí)的先驅(qū)車，車上站一木人，伸展手臂指向南方，不管車子怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，手臂總是指向南方，因此利用此車可以指示方向。這是古代勞動(dòng)人民的一項(xiàng)發(fā)明創(chuàng)造，最晚在西漢時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)，東漢時(shí)著名科學(xué)家張衡曾經(jīng)再次制造指南車，不幸的是，到三國(guó)時(shí)期指南車再次失傳，許多人已不知道指南車的結(jié)構(gòu)和原理。魏明帝青龍年間（公元233一236年），馬鈞曾在京城擔(dān)任小官職。有一天，馬鈞和一部分官員在朝房里辯論時(shí)談到了指南車，他們?yōu)榇税l(fā)生了爭(zhēng)論。當(dāng)時(shí)在場(chǎng)的散騎堂侍高堂隆和驍騎將軍秦朗認(rèn)為：古書上關(guān)于指南車的記載是虛構(gòu)的，不能信以為真，古代并沒有制造過(guò)什么指南車。馬鈞則堅(jiān)信古代有指南車，不同意他們的看法，他說(shuō)道："古代很有可能制造過(guò)指南車，只是我們沒有進(jìn)行深入的研究而已；其實(shí)制造指南車并不是人們想象的那么難，只要肯下功夫，認(rèn)真鉆研，是可以造出來(lái)的。"他這一番話遭到了高堂隆和秦朗的譏笑，他們諷刺道："先生名鈞，字德衡，鈞是器物的模型，衡是用來(lái)定物輕重的；可你說(shuō)話連輕重都不分，難道可以作為模型嗎？"（古代制陶器所用的轉(zhuǎn)輪叫陶鈞）馬鈞反駁道；"空口爭(zhēng)論有什么用！莫如試制一下，自然就可以分清誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)"，高堂隆和秦朗同意了馬鈞的要求，并把這件事報(bào)告了當(dāng)時(shí)的魏明帝，魏明帝就命令馬鈞進(jìn)行試制以明是非。馬鈞仔細(xì)研究了古書的簡(jiǎn)略記載，經(jīng)過(guò)刻苦鉆研，提出了初步設(shè)想，然后在許多工匠幫助下，進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)，在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)終于制成了指南車。高堂隆和秦朗在事實(shí)面前啞口無(wú)言，只好認(rèn)輸。馬鈞以自己的實(shí)際成果結(jié)束了人們的爭(zhēng)論，贏得了眾人信服，自此以后，全國(guó)都佩服他的才能和技巧。

　　在馬鈞之后，又有很多人制造過(guò)指南車，如南北朝時(shí)的大科學(xué)家祖沖之曾將一輛只有外殼的指南車予以修補(bǔ)，增添了內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但歷代史書關(guān)于指南車的記載都相當(dāng)簡(jiǎn)略，缺乏具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)和原理，使后人難以進(jìn)行仿制。指南車失傳后，后人的制造等于再度發(fā)明。宋朝時(shí)，著名儀器專家燕肅于公元1027年，吳德仁于公元11O7年又先后重新制造了指南車。《宋史》對(duì)他們的制造方法和指南車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)作了比較詳細(xì)、明確的記載，根據(jù)此書人們知道了歷代指南車的大致結(jié)構(gòu)。解放后，中國(guó)歷史博物館根據(jù)歷史文獻(xiàn)復(fù)制了指南車的模型，陳列在中國(guó)通史展覽廳，在參觀歷史博物館時(shí)就可以看到。根據(jù)文獻(xiàn)記載和今人的研究，指南車的結(jié)構(gòu)和原理大致如下：指南車有兩個(gè)直徑為6尺的輪子，兩輪之間的間距也是6尺，每一車輪的內(nèi)側(cè)都有一個(gè)帶24個(gè)齒的小齒輪；車中有一個(gè)帶48個(gè)齒的大平輪，輪中堅(jiān)一立軸，軸上有一本人；在大平輪和車輪邊的小齒輪的上端有一小平輪，小平輪由一根繩索通過(guò)滑輪和車轅的后端相連。當(dāng)車直行時(shí)，車轅的前端和后端方向沒有變化，兩邊的小平輪懸在大平輪和小齒輪的上端，大平輪不轉(zhuǎn)動(dòng)，豎軸上面的小木人手指正南方不變。當(dāng)車向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，車轅前端向左，后端則向右偏，這樣系在車轅后端的繩索就會(huì)左緊而右松，右邊的小平輪就在鐵墜子的重力作用下沉，嵌人車上的大平輪和輪內(nèi)側(cè)的小齒輪中間，與二者的齒輪互相咬合；如果轉(zhuǎn)子向左轉(zhuǎn)了90度，車子的右輪就會(huì)向左轉(zhuǎn)90度，同時(shí)向前轉(zhuǎn)動(dòng)半周，輪側(cè)的小齒輪則向前轉(zhuǎn)動(dòng)12齒（半周），小齒輪帶動(dòng)小平輪相應(yīng)向左轉(zhuǎn)12齒，小平輪則帶動(dòng)大平輪向右（相反方向）同樣轉(zhuǎn)動(dòng)12齒，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度恰好為90度，大平輪豎軸上的木人同樣向右轉(zhuǎn)動(dòng)90度，抵消車子的左轉(zhuǎn)，使木人始終保持指向南方，指南車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是大平輪和小平輪的自動(dòng)離合。這種巧妙的設(shè)計(jì)代表了我國(guó)古代機(jī)械設(shè)計(jì)和制造的高超技藝。

　　馬鈞制造的另一種有名機(jī)械是用于農(nóng)業(yè)灌溉用的翻車，這是我國(guó)古代灌溉工具的重大革新。我國(guó)在東漢以前的主要提水工具有兩種，一是桔槔，一種是轆轤。桔槔早在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代就已經(jīng)應(yīng)用，它的結(jié)構(gòu)為：在井旁的樹上或木架上用繩子固定一根橫木，橫木的一端系桶，另一端墜個(gè)石塊。當(dāng)桶向上提水的時(shí)候，由于運(yùn)用了杠桿和墜石的作用，比較省力和方便。轆轤比桔槔又前進(jìn)了一步，它主要是利用輪轉(zhuǎn)原理進(jìn)行提水，特別適用于深水井。但這兩種灌溉工具都有一個(gè)共同的缺陷，就是只能間隔地由低處向高處提水，不能連續(xù)運(yùn)動(dòng)，因此效率比較低，也比較費(fèi)力。馬鈞住在京城洛陽(yáng)的時(shí)候，看到城里有一片地可以種菜，但是因?yàn)榈貏?shì)比較高，難以解決引水灌溉問題，為此馬鈞經(jīng)過(guò)查閱古書，深入研究古代的灌溉工具，經(jīng)過(guò)不斷試驗(yàn)、探索，設(shè)計(jì)制造了一種新的灌溉機(jī)械--翻車。

　　據(jù)史書記載，在馬鈞以前的大半個(gè)世紀(jì)，東漢的畢嵐曾經(jīng)制造過(guò)一種翻車，但這種翻車是用來(lái)取河水噴灑道路的，能否用于灌溉，史書沒有記載。而馬鈞所造的翻車則是可以直接用于農(nóng)業(yè)排灌，它結(jié)構(gòu)精巧方便，可連續(xù)不斷地提水，輕快省力，連兒童都能轉(zhuǎn)動(dòng)，效率比其它提水工具高出許多。因此，翻車出現(xiàn)以后，受到社會(huì)的普遍歡迎，迅速得到推廣，并沿用了1000多年，直到今天在我國(guó)一些地區(qū)仍然可以見到。在近代水泵發(fā)明之前，翻車是當(dāng)時(shí)世界最先進(jìn)的提水工具。后來(lái)經(jīng)過(guò)歷代勞動(dòng)人民的不斷改造、更新，又出現(xiàn)了以畜力、水力、風(fēng)力等作為動(dòng)力的牛轉(zhuǎn)翻車、風(fēng)轉(zhuǎn)翻車和水轉(zhuǎn)翻車，它對(duì)于灌溉農(nóng)田、發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮了巨大作用。

　　馬鈞制造的翻車，因?yàn)楫?dāng)時(shí)缺乏詳細(xì)記載，具體構(gòu)造已經(jīng)不得而知。元朝王禎《農(nóng)書》中有關(guān)于翻車的明確記述，并繪有翻車圖；清代麟慶所著《河工器具圖說(shuō)》記載了翻車的結(jié)構(gòu)。由以上兩書我們可知翻車大致結(jié)構(gòu)為：車身用三塊木板拼成矩形長(zhǎng)槽，長(zhǎng)槽長(zhǎng)約2丈，寬約4到7寸，高約1尺；在長(zhǎng)槽一端安裝一個(gè)比較大的齒輪軸作主動(dòng)軸，主動(dòng)軸較長(zhǎng)，兩端各安四個(gè)擁木作為踏板；在木槽的另一端安裝一個(gè)比較小的齒輪軸，兩個(gè)齒輪軸之間裝上龍骨葉板作的木鏈條，木鏈條上拴上串板，穿過(guò)長(zhǎng)槽。使用時(shí)，使木槽斜置在水邊，小輪軸一端浸入水中，人站在架子上，踏動(dòng)拐木，帶動(dòng)大輪軸，串板就會(huì)在槽中刮水而上，到槽端將水排出，再沿長(zhǎng)槽上端返回水中。這樣就可以把水從低處送到高處，實(shí)現(xiàn)連續(xù)灌溉。

　　馬鈞制造翻車不久，有人給魏明帝進(jìn)獻(xiàn)了一種叫"百戲"的木制模型（相當(dāng)于現(xiàn)在的木偶）。這個(gè)模型造型精美、設(shè)計(jì)巧妙，可惜已經(jīng)不能活動(dòng)。魏明帝就問馬鈞，能不能想法讓他活動(dòng)起來(lái)，并且要比以前更加巧妙，馬鈞很有信心地答道："可以"。于是魏明帝就讓馬鈞對(duì)"百戲"進(jìn)行改進(jìn)。為此馬鈞對(duì)"百戲"的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了認(rèn)真的研究，并進(jìn)行分解以了解了其中的每一個(gè)零件，同時(shí)參閱了歷史上的有關(guān)文獻(xiàn)，在此基礎(chǔ)上確定了基本設(shè)想。馬鈞首先用一塊木料做了一個(gè)大輪子，平放在地面上，用水力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)；然后在輪子上放置許多木人，設(shè)計(jì)一套傳輸裝置使木人活動(dòng)起來(lái)，表演各式各樣的節(jié)目，如樂工們擊鼓的擊鼓，吹策的吹蕭；歌女們或放聲歌唱，或翩翩起舞等。馬鈞還設(shè)計(jì)出不同的模型，可以表演不同的節(jié)目。如山岳模型，只見有的木人在山間跳丸《古代一種雜技，以手搓丸，雙手交替進(jìn)行）、擲劍，有的則爬繩倒立，木人進(jìn)進(jìn)出出，一派山村娛樂形象，又有百官行暑模型，有的木人在春米磨面，有的則在斗雞雜耍，動(dòng)作復(fù)雜、靈活多變、栩栩如生。這就是古代有名的"水轉(zhuǎn)百戲"。可惜這種機(jī)械已經(jīng)失傳，古代記載也比較簡(jiǎn)略，我們已無(wú)法知道它的具體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，但是可以設(shè)想，要使那么多的木人不斷活動(dòng)、變化，其中的機(jī)械結(jié)構(gòu)一定相當(dāng)復(fù)雜和巧妙，展示了馬鈞高超的設(shè)計(jì)思想和卓越的制造技巧。

　　馬鈞還善于制作兵器，有許多獨(dú)到的設(shè)想，只可惜當(dāng)時(shí)的統(tǒng)治者不重視，有不少設(shè)計(jì)未能付諸實(shí)施。當(dāng)時(shí)，魏、蜀、吳三國(guó)之間經(jīng)常打仗，有一次，諸葛亮率兵攻打魏國(guó)，使用了一種新式連弩，可以連續(xù)發(fā)射幾十支弩箭，威力比舊式大許多倍，魏軍感到頗為驚奇。后來(lái)魏軍撿到一支，讓馬鈞觀看，馬鈞看了之后認(rèn)為：雖然連弩很精巧，但不是最好的，還有改進(jìn)余地，如果他來(lái)進(jìn)行改革，效率還能提高5倍，只是馬鈞因故未能實(shí)施制作。三國(guó)時(shí)官渡之戰(zhàn)，曹操曾使用一種發(fā)石車攻擊袁紹的陣地，這種發(fā)石車可以拋出大石塊攻擊敵人，有一定威力。但是這種發(fā)石車也存在某些缺陷，如速度較低，只能單發(fā)，不能連續(xù)射出等，因此如果敵方在城樓上掛起濕牛皮，就能攔住發(fā)石車拋出的石塊。因此馬鈞對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新的攻城機(jī)械--輪轉(zhuǎn)式連續(xù)拋石機(jī)。他打算制造一個(gè)豎直繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的大木輪，在輪子的邊緣用繩子拴上幾十塊大石頭，然后用機(jī)械帶動(dòng)大輪迅速旋轉(zhuǎn)，輪邊的懸石也跟著一起旋轉(zhuǎn)，等到旋轉(zhuǎn)速度很大時(shí)，切斷系石的繩索，石塊就會(huì)連續(xù)不斷發(fā)射出去，攻擊敵人的城樓，使敵方來(lái)不及防御。馬鈞曾經(jīng)用車輪和幾十塊磚瓦做試驗(yàn)，在車輪邊拴上石塊，結(jié)果磚瓦連續(xù)飛射幾百步遠(yuǎn)（1步合1.45米左右），威力很大，這證明他的設(shè)計(jì)是可行的。但是這種設(shè)計(jì)卻遭到地圖學(xué)家裴秀的譏諷和發(fā)難。馬鈞的朋友、文學(xué)家傅玄很賞識(shí)他的才華，支持和理解他的設(shè)想，并為他多方活動(dòng)，希望能找到一個(gè)支持馬鈞進(jìn)行試制的機(jī)會(huì)。傅玄向安鄉(xiāng)侯曹羲推薦了這一發(fā)明，但是曹羲以馬鈞不善言辭，講不出其中的道理而加以拒絕；傅玄又進(jìn)行了耐心的勸說(shuō)，說(shuō)道："馬鈞先生制造的是國(guó)家需要的精利兵器，官兵正等著急需，只要費(fèi)一點(diǎn)木材，找兩個(gè)人就能制造出來(lái)，何不試驗(yàn)一下，以免埋沒了有用的東西。"在傅玄苦口婆心的勸導(dǎo)下，曹羲才接受了這個(gè)建議，并把情況轉(zhuǎn)告給主持軍事的武安侯曹爽，但是曹爽卻沒有理睬這件事。所以馬鈞的設(shè)想始終未能變成現(xiàn)實(shí)，這是令人遺憾的。為此馬鈞的好友傅玄感嘆道："試驗(yàn)一下，本來(lái)是極容易的事，可是象馬先生這樣有名的巧人尚且不被重視，更何況那些懷才的無(wú)名之輩呢！后人一定要記住這個(gè)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)啊。"

　　馬鈞在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造方面的才能當(dāng)時(shí)就已聞名于天下，受到人民的欽佩。他的好友、文學(xué)家傅玄稱贊他是"天下之名巧"，史學(xué)家裴松之為《三國(guó)志》做注時(shí)寫道："時(shí)有扶風(fēng)馬鈞，巧思絕世"。這是對(duì)馬鈞的恰當(dāng)評(píng)價(jià)，在中國(guó)古代科學(xué)技術(shù)史上馬鉤是古代機(jī)械制造專家的杰出代表，他的功績(jī)和名字將永載史冊(cè)，為后人所銘記。