一、漢代畫像石與簡單機械

在我國科學史上，漢代是值得注意的一個發展高峰期。表征這個時代科學發展的，不僅有成熟的鋼鐵冶煉技術、耕犁的發明和應用等，還有大量的在磚或石板上雕刻的圖畫（即畫像石和畫像磚），其繪畫內容包括了許多手工業和農業生產的場面。尤其是，當時許多先進的生產工具和生活用器都逼真地描畫于這些石塊或磚上。例如，山東滕州宏道院出土的畫像石中，有描畫鍛鐵作坊與利用橐鼓風的情景；山東嘉祥洪山出土了繪有制作車輪畫面的畫像石；山東滕州和陜西綏德出土了牛耕與耕犁畫像石；四川成都郊區出土了鹽井畫像石；等等。它們是漢代科學技術的真切記錄，更是漢代留傳至今的科學藝術珍品。

在這些畫像石中，有一些是近代物理學中被稱為簡單機械的圖畫。所謂簡單機械，就是指它們能夠改變力的大小，或改變作用力的方向。例如，杠桿、滑輪、輪軸、尖劈、斜面和螺旋，都屬于簡單機械。在19世紀，齒輪也被列為簡單機械的一種。最簡單的杠桿是一根用于撬動石塊或抬重物的木棍；古代的汲水機械——桔槔，古代的衡器——天平或桿秤，都是杠桿原理的巧妙運用。滑輪，在中國古代被稱為滑車，不帶搖把的轆轤是滑輪的一種；帶有搖把以便使之轉動的轆轤，是輪軸的一種具體應用。尖劈，在日常生活中到處可見，從最簡單的木楔，到各種質地的刀、斧、針，乃至在漢代被普遍用于耕地的犁鏵、犁壁或犁鏡，都是尖劈原理的應用。斜面，實際上也是尖劈，不過在物理學和機械學中多指用以升舉重物的斜面。將斜面卷起來就成為螺旋，在簡單機械中，唯它是西方的發明。除了螺旋之外，漢代畫像石描繪了其他所有的簡單機械。

1.桔槔

據統計，漢代畫像石中有約40幅表現庖廚內容的圖畫。屠宰、清洗和蒸煮加工食物都要大量用水，因此，與庖廚有關的許多繪畫中都有桔槔汲水的畫面（見圖1-1）。

圖1-1中的五幅桔槔圖均出自山東。其中，①與④為嘉祥宋山畫像石，②為臨沂白莊畫像石，③為梁山百墓山畫像石，⑤為濟南南張畫像石。

從畫面上看，在木柱或木架上捆扎一條橫木，橫木的一端懸吊提水桶，另一端捆扎一石塊，這就制成了桔槔。橫木的支點到水桶一端，相當于力臂（動力臂）；支點到另一端相當于重臂（阻力臂）。從畫面上可見其科學性的是，力臂稍長于重臂。這樣，當不汲水時，重臂端力矩大于力臂端力矩，空桶被懸吊在空中；只有施力于力臂，空桶才能升降。當其降落到井中汲水時，由于力臂長于重臂，人所施力可以小于重臂端石塊的重力；當提升滿水的水桶時，由于重臂力矩的作用，又可以省力地將水桶提到地面。值得注意的是，畫面上橫木顯然是被捆扎在支柱上，而不是在橫木上穿孔讓支柱穿過它。由此可見，古代人在造桔槔時充分注意到了材料的強度。因為橫木一旦被鑿孔，破壞了其內部的均勻結構，就容易在使用過程中折斷或劈裂。

從桔槔畫像石的畫面看，懸吊水桶的或是繩索，或是木桿。圖1-1中的①、②、④和⑤為繩索的可能性大。如①，畫面上表現出繩索被手拉的彎曲狀態。⑤頗有趣味，它表現了提水人在不留神時，繩子脫手那一剎那的情景：繩子與水桶在空中飄蕩，以至于繩索連續打彎，畫面模糊不清了。而③，懸吊水桶的顯然是木桿或竹竿；為了使水桶降落井中，木桿是斜插入井中的。作為杠桿用的橫木，有些筆直，如①、②；有些彎成弧形了，如③、④、⑤。彎成弧形既可能是長期使用致使橫木變形的結果，如③；也可能原本就是特意加工成的弧形木或柔性好的竹板，如④、⑤。雖然這些畫像是兩千多年前的生活寫照，但今天仍然可以在偏僻的農村里一一找到它們的對應物。

畫像石是漢代的，但桔槔的起源遠早于漢代。明代羅頎編《物原》載：“伊尹始作桔槔。”傳說，伊尹是商湯的賢臣。據此，桔槔起源于公元前17世紀。漢代之前，桔槔或作頡皋、楔槔、揳槔、橋衡，或簡稱槔、橋。《墨子·備穴》載，守城的墨家弟子按照其師墨翟的教誨，當遇敵方挖地道攻城時，便“鑿穴迎之”，“以頡皋沖之”。這可能是在桔槔長臂端裝上刀具，將它改成挖鑿機械或戰斗機械了。可見，至晚在戰國時期，桔槔已相當普遍。

《莊子·外篇·天地》敘述了孔子的弟子子貢教農夫用桔槔的故事。子貢指出，像桔槔一類機械，“用力甚寡而見功多”，“用力少見功多者，圣人之道”。可是，那農夫寧可抱甕灌溉田地，也不愿用桔槔一類機械，其理由是，用機械者會產生“機心”，有了“機心”就會“純白不備”“神生不定”。因此，這農夫“羞而不為也”。其實，農夫的理由是該故事編纂者的道德觀念而已。

2.滑輪

滑輪或稱滑車，亦見于有庖廚圖的畫像石之中。圖1-2中的①、③分別為山東諸城前涼臺畫像石和滕州莊里畫像石，②為山東沂南漢代畫像石，④為成都郊區出土的漢代鹽井畫像石。在古墓出土的葬品中，還有許多具有滑輪的陶井明器，如河南洛陽漢代陶井、洛陽五女冢新莽墓陶井（見圖1-2之⑤）、湖北隨州西城區東漢墓陶井等。無論是畫像石還是出土的明器，其滑輪的形制基本相似。

在井架上安裝一個滑輪，繞過滑輪的繩索一端懸吊水桶，人手或拉或放繩索的另一端，水桶即產生升降。圖1-2中①正是這種滑輪汲水操作的描畫。一旦提水人失手而讓繩索松脫，繩索的兩端很可能翻轉到滑輪的同一側，水桶也會因此掉落井中。圖1-2中的③描繪了這種失手瞬間的情景。①、②、③所繪，都是以兩端大、中間細的短圓木所制成的滑輪，有人誤以為它們是轆轤①。④圖描畫了滑輪汲鹵的情景：繞過滑輪繩索的兩端都懸吊著木桶；在井架的上下兩層各站立兩人，左邊兩人彎腰上提繩索，右邊兩人亦同時使勁下拉繩索。這樣，通過滑輪而達到總是在做有用功的目的。

對使用滑輪的極有趣的描繪見于山東嘉祥武梁祠畫像石“泗水取鼎”圖（見圖1-3）。該故事出自《史記·秦始皇本紀》。傳說大禹造了九個巨鼎，以便人們識別善惡。九鼎此后留傳各代，成為權力的象征。周赧王十九年（公元前296年），秦昭王從周王室取走了九鼎，不幸途中有一鼎“飛”入泗水河。后來，秦始皇東海覓神仙，在歸途中路過彭城，便命千人入泗水打撈寶鼎。畫像石描繪的正是這一打撈景象：河邊兩岸各有三人前后接續地拉動繩索，腳蹬斜坡，彎腰使勁；繩索的一端通過滑輪連在鐵鼎上；上下左右，有許多人圍觀；當寶鼎剛被拉出水面時，不料一條龍（在畫面鼎上）沖出，咬斷繩索。畫面生動地刻畫了繩索斷裂的剎那，兩邊拉繩人往后仰倒的情景。

從物理學角度看，應用一個定滑輪可以改變力的方向；應用加以適當配合的一組滑輪，可以省力。從已發掘的漢代畫像石和相關的明器來看，古代人只用了定滑輪以改變自己用力的方向。

中國至遲在戰國時期已運用滑輪升重。記述了許多物理學知識的墨家代表作《墨經》，將滑輪及繞過它牽引重物的繩索統稱為“繩制”，并討論了以“繩制”升重的全過程及用力的情形。

3.輪軸

輪軸是由相互固定的輪和軸組成的杠桿類簡單機械。輪軸在古代種類甚多，轆轤、絞車都屬輪軸一類。

轆轤，也寫為“鹿盧”，在《墨子·備高臨》中亦作“（歷）鹿”。它雖然大約在春秋戰國之際問世，但有關其形制的繪畫最早見于漢代畫像石（見圖1-4之①）。在井架上安裝一根兩頭大、中間細的圓木（也就是滑輪），在圓木端側插入一根彎曲的鐵條，這就是曲軸，俗稱“拐把”；懸吊水桶的繩索的另一端在繞過轆轤后被系緊在轆轤上。畫面①表現了一人正在搖動曲軸汲水。宋金時代，在金墓壁畫上繪有帶弧形搖把的轆轤（見圖1-4之②）。此后，在元代王禎《農書》中又繪畫了帶曲軸的轆轤。由此可見圖1-4之①的學術價值了。

很有趣的是，有一種極為簡單的輪軸被古代人安裝于釣魚竿上，轉動其上的曲軸即可使釣魚的線繩放長或收起。元代畫家趙雍的《松溪釣艇圖》中，繪一人坐于船頭釣魚，魚竿上有卷線輪軸（見圖1-5）。在古代繪畫中，類似的繪畫內容并不少見。

絞車是輪軸的另一種形式。在支架上安裝一具可繞其軸心轉動的短圓木，通過圓木穿幾根直木桿，搬轉木桿可使圓木繞其軸轉動，纏繞在圓木上的繩索即可牽引重物。圖1-6是宋代曾公亮在《武經總要·前集》卷十二中所繪的絞車。在宋人繪捕魚圖中，漁夫利用絞車升降魚罾，絞車安裝在船的一頭，魚罾置于船的另一頭（見圖1-7）。

4.尖劈

尖劈能以小力發大力，以少力得到大效果。以斧劈木的發力情形，就是尖劈作用的結果。古代人很早就利用各式各類尖劈。原始社會時期，人們打制的各種石器，如石斧、石刀、石鑿、石錐，或者各種骨制的針、鏃等，都屬于人類早期制造的尖劈類工具（見圖1-8）。從古到今，在生活、生產和兵器制造方面，尖劈原理得到普遍應用。各種質地的楔子，雖然微不足道，但它在古代一種壓力榨油機和木構建筑物上發揮了巨大功用。

在這里，必須強調的是，屬于尖劈的一種重大創造就是耕犁的發明。犁的前身是耒耜，它是翻土用具。耒指木柄，耜是翻土用的鏟，相當于一種尖劈。在山東濟南、江西新干大洋洲都曾發現商代青銅犁鏵。在河北易縣、武安，河南輝縣，山東臨淄、滕州，陜西西安，山西侯馬以及內蒙古等地，都曾出土過戰國鐵犁鏵，它們以鑄鐵為之，多系等邊三角形，兩邊削薄成刃，兩邊之前端交為犁鋒，也即尖劈，其功用在于平切土地。在陜西咸陽、西安，河南中牟等地曾出土過漢代犁僻，或稱為犁壁，它們也以鑄鐵為之，或菱形，或拋物形斜面。犁鏵起土后犁壁隨即將土翻向某一側面。在山東滕州黃家嶺漢代畫像石中，繪有一牛一馬共同牽引耕犁的犁耕圖（見圖1-9），牛馬之后的耕者手扶犁把，犁切地面的鋒刃及其上的一段弧線所表示的犁壁，清楚可辨②。今天，雖然犁的外形、大小、質地、發動力等方面有了很大改進，而犁鏵、犁壁的形狀及機制卻仍然沒有變化。

5.齒輪

齒輪大量地出現于戰國、秦漢時期。在河北邯鄲曾發現戰國齒輪陶范，在山西永濟薛家崖、河南南陽漢代鐵工廠、福建崇安等地出土了漢代鐵齒輪和青銅齒輪。就齒輪的種類而言，有普通齒輪、棘輪（見圖1-10），有直齒（正齒）輪，亦有斜齒輪和人字形齒輪。當然，還有各種木齒輪。它們被廣泛地用于磨、里程計（古代稱為“記里鼓車”）、方向計（古代稱為“指南車”）、弓弩瞄準器、天文儀器、天文鐘和蔗漿壓榨機等機械上。令人興奮的是，在山西永濟薛家崖出土了三件漢代銅制軸承，據說，它們和“現代汽車輪上的滾動珠架”類似，在軸承內分出四格或八格的環形槽（見圖1-11），格內殘存有似為滾珠的鐵粒。它們大概是漢代某種車軸的附件。由于軸承內有滾珠，再加上潤滑油，裝上后可以減少摩擦力，大大提高轉動速度。

令人興奮的又一發現是，1985年揚州考古工作者在江蘇邗江楊壽鄉出土了新莽時期的人字形銅齒輪和齒輪鎖。古代人發明了片狀彈簧鎖為大家所熟知，今又增加了一項發明，即齒輪鎖。

據報道，楊壽鄉漢代齒輪為六件，分三組。每組中心穿孔一方一圓。方孔者為主動輪，孔邊長0.6厘米；圓孔者為被動輪，圓徑0.4厘米。六件齒輪大小相同，直徑1.6厘米，厚0.8厘米。齒為人字形，中心偏一側，咬合緊密。第一組26齒，第二組41齒，第三組44齒。三組齒輪均可置于鎖形器內。鎖形器略作長方體，底方上圓（見圖1-12），器長5.85厘米、寬3.15厘米、厚1.1厘米。其一端（側面）上部有圓孔，直徑1厘米，下部一方孔，邊長0.8厘米；偏一端上部有一方缺，大小恰適置一齒輪；另一端中部偏上有一小圓孔。從上述數據及其圖形看，它的啟閉機制有可能類似于現代齒輪密碼鎖。可惜，出土時已失去了其中的一些零件，例如，從側面可見的那個圓孔，大概是控制鎖鑰的插口，但這個控制器不存在了。