中國古代農業機械研究

于灝++楊建鳴++馬海霞++高宇航++梁亮

摘 要：中國是一個農業大國，為了提高生產效率，減輕勞動強度，中國古代出現了大量的先進農業機械。它們不但設計巧妙制作精良而且清潔環保，處處體現了中國古代勞動人民的聰明才智，同類機械往往比西方國家先進幾百或是上千年。大量現在機械都是對古代機械的繼承與發展。在人與自然沖突加劇的今天，研究古代機械更具價值。本文從歷史的角度出發研究了古代農業機械的分類與分期問題，并舉例剖析了古代機械的先進之處，歸納了古代農業機械的設計思想。

關鍵詞：古代機械 農業機械 設計思想

中圖分類號：S22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）09（c）-0118-02

中國是一個農業大國，它幅員遼闊、物產豐富而且人口眾多。為了提高生產效率，減輕體力勞動，中國古代出現了大量的優秀農具或稱田器、農器等，現在統稱為農業機械。

古代農業機械是中國古人腦力與體力的延伸。機械是機器與機構的統稱。古人對機械的特征的描述是“用力少，致功大”，而現代對機械的特征描述則是：其是組合體；其各個部件要實現唯一的與規定的運動；其可實現能量的轉換，把驅動能轉換成有效的機械能或其他所需的形式。其中只具有前兩個特征的稱作機構，三個特征都滿足的稱作機器[1]。

1 古代農業機械分類

目前研究者把農業機械分成7類[2]。這7類機械分別是整土機械、播種機械、中耕除草機械、灌溉機械、收獲脫粒機械、加工機械與運輸機械。本文則依據農業生產程序與農作物生長規律把農業機械分成5類，即：整土機械（耒、耜、犁）、播種機械（耬車）、助長機械、收獲機械與加工機械（水碓、水磨）。其中助長機械包括中耕除草機械（鋤、耘鋤）與灌溉機械（翻車、水車），收獲機械包括收獲脫粒機械（鐮刀、連枷）與運輸機械（推車）。

2 古代農業機械分期

中國古代機械可以分為4個時期，3代以前是古代機械孕育期。3代到先秦是迅速發展時期；秦漢到宋元是成熟期。秦漢至宋元幾千年領先于世界，在秦漢時期已經成熟，宋元是古代機械發展的巔峰；明到清晚期是緩慢發展期。農業機械作為機械史的重要一部分，也符合這一發展規律[1-4]。

3 經典機械舉例

3.1 耬車

耬車屬于播種機械。由圖可以看出耬車由耬身、耬鏵、耬斗等三部分構成。耬車可以完成開溝、下種與覆蓋三道種植工序。一人一牛一天可以耕種667公畝土地，效率較高。2000多年后的今天現代的播種機與其功能、原理相似。只是現代機械所用的材料與驅動力較古代更為先進[5]。

3.2 立軸式風車

中國已知的最早關于利用風力的文字記載是在3000年前。風車的出現也有1700年左右的歷史，特別是10世紀后風車基本遍及中國全境。按照主軸與地面的角度可以把風車分成兩類即臥軸式（主軸平行于地面）與立軸式（主軸垂直于地面），立軸式風車是中國所特有。它主要應用于沿海地區與長江流域。它主要用于提水制鹽或是灌溉農田。現在常常把其與提水部分統稱為立軸式風車，其實這一說法不夠準確。立軸式風車與點機與內燃機一樣是動力裝置，而提水的部分準確來講應該稱作翻車。

立軸式風車的巧妙之處在于其可以利用八面來風單向轉動，而且效率極高。還可以通過調節帆的高度來適應不同強度的風。圖1是兩種立軸式風車的風帆懸掛方式示意圖。以塘沽型為例，圖2是風帆受力圖。由圖2中可以看出風帆在順風時在風力、拉力與桅桿支持力的共同作用下，風帆與風力垂直，產生扭矩使風車旋轉。當風帆逆風時，在風力與桿支持力的共同作用下風帆旋轉到方向與風向平行，風帆不受力。這就使得立軸式風車驅動力大、阻力小、能量利用率高。依據受力分析與計算機輔助分析可以得知立軸式風車的力矩與功率變化符合正弦規律，且運行平穩[6]。現在的路燈也常用立軸式風車發電供能。

在翻車設計中，體現出了轉軸、心軸、鏈輪與鏈等現代機械元素。而且風車是通過齒輪和傳動軸與翻車相連以傳遞扭矩。其中風車是原動件，齒輪與傳動軸構成傳動件，翻車是執行件。這已經與現代機械的構成一致了。窺一斑可見全豹，中國古代機械的發達程度可想而知。

3.3 古代農業機械設計思想

（1）循序漸進、勇于創新。中國古代的農業機械經過長期積累后逐步成熟，曾經領先世界數千年，主要是中國勞動人民遵守量變與質變規律，不但循序漸進，當積累到臨界狀態時還能發揮人的主觀能動性勇于創新。牛耕的演化便是這一論題很好的論據。

（2）合理利用自然資源，道法自然。天人合一是中過古人的最高精神追求，古代的農業文明依靠自然、敬畏自然，古代中國人是改造自然與保護自然的典范。中國古代機械以人力、畜力、水力與風力等為能源，清潔環保，“取之不盡，用之不竭”。

（3）剛柔并濟，陰陽相合。上文中所提到的立軸式風車就是典型的例子，所用木材質地堅硬剛度較大，繩子與帆面則剛度較小。運轉過程中，順風的帆面與風向垂直，直面沖擊，逆風的帆面隨風而轉，順勢而為，這些都體現了中國道家的經典思想——道法自然。

（4）循環往復，生生不息。水車與桶車等灌溉機械，利用水的沖擊力運轉而實現提水的目的，設計巧妙，不假外力，水流不舍，灌溉不停。

（5）累加并聯。趙過改進的耬車有3只耬腳，一次并聯3個便使得效率提高3倍，簡單但是實用。牛轉連磨，由牛轉動中心齒輪，齒輪驅動與之嚙合的8個小齒輪從而驅動8個石磨同時工作，也是對這一思想的正確運用。

中國是文明古國，工藝也許會落后，但是思想不會。從青蒿素的提取到一帶一路的提出都證明了古代遺寶在今天的驚人價值。機械領域也同樣可以進行研究與發掘，達到古為今用的目的。

參考文獻

[1] 陸敬嚴，華覺明.中國科學技術史（機械卷）[M].北京：科學出版社，2000.

[2] 劉仙洲.中國古代在農業機械方面的發明[J].農業機械學報，1962（1）：1-36.

[3] 馮立升.中國機械史的分期問題[J].科學、技術與辯證法，1986（3）：57-63.

[4] 陸敬嚴.中國古代機械發展概況[J].機械工程，1989（2）：41-44.

[5] 周昕.耬車初考[J].中國農史，2001（3）：76-82.

[6] 易穎琦，陸敬嚴.立軸式大風車及其受力分析[J].同濟大學學報：自然科學版：1996（3）.endprint