《新儀象法要》中的“鐵鶴膝”考釋

摘 要：作為水運儀象臺的關(guān)鍵部件，“鐵鶴膝”的結(jié)構(gòu)功能至今未獲定論。通過對既有說法的考據(jù)和對《新儀象法要》的解讀，可以認(rèn)定“鐵鶴膝”既不是李約瑟所設(shè)想的“鐵鏈”，也不是其他學(xué)者所推測的“彈簧-直桿”或“X-金屬條”。從“鶴膝”在軍事、植物、醫(yī)學(xué)、家具、書法、格律、農(nóng)業(yè)等諸多語境中的使用和水運儀象臺眾多部件出自農(nóng)業(yè)機(jī)械的情況來看，“鐵鶴膝”最有可能源于農(nóng)業(yè)機(jī)械——龍骨車的部件“鶴膝”。結(jié)構(gòu)上，“鐵鶴膝”是由單個鐵制“鶴膝”串接形成的鏈條，可根據(jù)需要調(diào)整長度。功能上，“鐵鶴膝”連接關(guān)舌與天衡，在關(guān)舌被擊開后拉動天衡、打開天關(guān)和左天鎖，使樞輪得以運轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：《新儀象法要》；鐵鶴膝；天條

中圖分類號： N09 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-8462（2023）03-0022-08

0 引言

水運儀象臺是北宋建造的一座大型天文儀器。樞輪是水運儀象臺的動力裝置。根據(jù)《新儀象法要》（以下簡稱《法要》）的記載，由于天衡等部件的作用，水流的連續(xù)運動被轉(zhuǎn)化為樞輪的間歇運動，實現(xiàn)了對其運行最重要的擒縱與動力輸出過程。在不同的復(fù)原方案中，對天衡等部件的結(jié)構(gòu)均有不同設(shè)想。就與天衡相連的“鐵鶴膝”而言：在主張受水壺可獨立于樞輪而擺動的“翻斗”方案中，“鐵鶴膝”僅被看作一條鐵鏈，不具有復(fù)雜功能；而在堅持受水壺必須固結(jié)于樞輪的“定斗”方案中，“鐵鶴膝”成了實現(xiàn)擒縱功能的關(guān)鍵部件，并先后形成了“彈簧-直桿說”和“X-金屬條說”兩種設(shè)計。目前學(xué)界對這些猜想的考據(jù)和對比尚在空白之中。

因此，考證清楚“鐵鶴膝”的構(gòu)造與功能，對評價不同復(fù)原方案的優(yōu)劣，特別是“定斗”方案的可行性有直接幫助。筆者首先窮舉《法要》中有關(guān)“鐵鶴膝”的記載作為討論的基本依據(jù)；繼而考察各“鐵鶴膝”構(gòu)想的合理性；最后在梳理古代“鶴膝”8 種用法的基礎(chǔ)上，對“鐵鶴膝”的來源、結(jié)構(gòu)與功能給出結(jié)論。

1 《新儀象法要》涉及“ 鐵鶴膝”的記載

在《法要》中，“鐵鶴膝”一詞的出現(xiàn)有且僅有一次，即“天衡”節(jié)中對“天條”的小字注：“即鐵鶴膝也。”［1］219 由此可知，“鐵鶴膝”與“天條”乃同一物。

“ 天條”在原書中共出現(xiàn)7 次，具體分述于后。

其一，“運動儀象制度”節(jié)2 次：

“ 天衡一，在樞輪上…… 天條一，在衡之前。天衡關(guān)舌一，以天條綴之，所以激發(fā)天衡關(guān)也。”［ 1］196

其二，“天衡”節(jié)3 次（含插圖1 次，見圖1）：

“天權(quán)一，掛于天衡尾。天關(guān)一，掛于腦。天條一，即鐵鶴膝也。綴于權(quán)里右垂。長短隨樞輪高下。天衡關(guān)舌一，末為鐵關(guān)軸，寄安于平水壺架南北桄上，常使轉(zhuǎn)動；首綴于天條，舌動則關(guān)起。”［ 1］218-219

其三，“儀象運水法”節(jié)2 次：

“水實，即格叉不能勝壺，故格叉落；格叉落，即壺側(cè)鐵撥牙擊開天衡關(guān)舌，掣動天條；天條動，則天衡起，發(fā)動天衡關(guān)；左天鎖開，即放樞輪一輻過。”［ 1］224

以上即原書關(guān)于“鐵鶴膝”的全部記載。任何對“鐵鶴膝”的構(gòu)想，都須以不與這7 處記述相悖為基本前提。下文將在此基礎(chǔ)上展開對各家猜想的考察。

2 各家“鐵鶴膝”方案評述

2.1 “翻斗”方案中的“鐵鏈說”

劉仙洲在1956 年第八屆國際科學(xué)史大會上首次提出“天條”是一條鐵鏈的說法。［2］364 年后，李約瑟在《天文鐘》①（Heavenly Clock）中給“鐵鶴膝”的腳注中詳細(xì)論證了“鐵鏈說”：

“ 作為工程中的一個技術(shù)術(shù)語，這個詞語如此之怪，引人溯源。該詞首見于公元三世紀(jì)的詩人左思[685]的文章中。在他關(guān)于吳國首都的賦中（《吳都賦》[826]）談到國家的防御時，他說‘家有鶴膝’（見《文選》②，第5 章，第10a[773]頁）。評注家劉淵林③說‘鶴膝，矛也。矛骹如鶴脛，上大下小，謂之鶴膝’，我們不清楚這一評注的確切日期，但它一定是在公元530 年之前（即《文選》的編纂時間）、公元270 年之后作出的。”[3]56

引文中的“骹”是“矛”的組成部分。矛頭由骹與矛體構(gòu)成。［4］34 骹體中空，下粗上細(xì)，以利裝柄。劉淵林意謂矛的骹像鶴腿而被叫作“鶴膝”。西漢揚雄《方言》中也有類似說法：“凡矛骹細(xì)如雁脛?wù)咧^之鶴?。”［5］108 可見至少在漢代，人們已出于形似的考慮而把矛叫作“ 鶴膝”④了。

把“鶴膝”追溯到“矛”，證據(jù)是充分的，但緊接著李約瑟卻寫了一段費解的話：

“‘ 矛’最常見的意思是長矛，但作為‘ 鎚矛’⑤ （ch′ui mao）[436]，其意為軍用棍棒（war?mace）或軍用連枷（war?flail），這里必須這樣理解…… 圖31（b）顯示的是公元1044 年的《武經(jīng)總要》[828]（卷十三，第十四頁），它被稱為‘鐵鏈夾棒’[438]。說明中說：‘ 鐵鏈夾棒，本出西戎，馬上用之，以敵漢人之步兵。其狀如農(nóng)家打麥之枷，以鐵飾之，利于自上擊下，故漢兵善用者巧于戎人。’有此背景，我們就不難看出，制作連桿和鏈條機(jī)械的工匠們使用‘鐵鶴膝’這一表述是一件多么自然的事情了。”[3]56

李約瑟的意思是“鐵鶴膝”所指的“矛”是“ 錘矛”，“ 錘矛”可指軍用連枷——“ 鐵鏈夾棒”，而“鐵鏈夾棒”上有鐵鏈，所以“鐵鶴膝”是鐵鏈。他還附圖（圖2）解釋道：

“11 世紀(jì)機(jī)械工程中一個技術(shù)術(shù)語的起源。1313 年《農(nóng)書》中的農(nóng)用連枷與1044 年《武經(jīng)總要》中的軍用連枷（‘鶴膝’）的對比。該詞后被用于指代桿和鏈的組合。”[3]56

在《中國科學(xué)技術(shù)史》中，李約瑟重復(fù)了上述論斷：“連枷……它的另一個名字‘鐵鶴膝’在11 世紀(jì)的機(jī)械工程中，成為鏈系里一切桿鏈組合的專門技術(shù)名詞”，［6］70 甚至稱“ 鐵鏈夾棒”早在3 世紀(jì)就出現(xiàn)了①。

然而這些論證是站不住腳的。首先，被李約瑟反復(fù)引用的《武經(jīng)總要》通篇未提“ 鐵鶴膝”或“錘矛”，“鐵鏈夾棒”更是遲至北宋才出現(xiàn)，［7］后演變成禮器②。其次，從形制上看，“ 鐵鏈夾棒”屬于棒類③而不是矛類④。《武經(jīng)總要》也是把“鐵鏈夾棒”和鐵鞭、鐵锏并列，［8］216根本不存在“矛”或“錘矛”這一名目。

此外，中國古代的“矛”專為刺殺之用，與鐵鏈或連枷無涉：“矛為純粹刺兵……其來源出于角兵與石鏃。”［9］69 唐代以后，矛演變成槍⑤。及至宋代，《武經(jīng)總要》有蒺藜槍、拐槍、雙鉤槍等眾多名目，卻無“矛”的身影。

“錘矛”非中國本土武器，在西方則是古已有之——即《天文鐘》中的“war-mace”，特點是錘頭帶有豎棱、短刺或錐形尖端，又譯“ 釘頭錘”⑥。

若李約瑟所說的“錘矛”是這種西方武器，那中國倒有一種兵器與之稍似，即“殳”（圖3）。其中一類“將矛殳的刺殺功能和錘殳的砸擊功能合二為一”。［10］163 可即使是“殳”，它與“鐵鏈”或“鶴膝”還是毫無關(guān)系。

總之，“錘矛”不是中國兵器，“連枷”或“鐵鏈夾棒”也無“鐵鶴膝”之名。至于鐵鶴膝“成為鏈系里一切桿和鏈組合的專門技術(shù)名詞”，更是未知所據(jù)。

盡管“鐵鏈說”的文獻(xiàn)依據(jù)并不充分，但由于它結(jié)構(gòu)簡單，且“鐵鶴膝”在“翻斗”方案中并不需要承擔(dān)復(fù)雜的功能，故仍然廣為“翻斗”方案所采用。《中國水鐘史》則在堅持“定斗”的基礎(chǔ)上，給出了另一種觀點——“彈簧-直桿”說。

2.2 “定斗”方案中的“彈簧-直桿說”

“彈簧-直桿說”的“鐵鶴膝”由兩截直桿和套在上面的一串彈簧構(gòu)成。這一設(shè)計是由定斗方案的性質(zhì)所決定的：由于定斗方案中樞輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的沖力主要由樞衡承擔(dān)①，導(dǎo)致水斗與格叉的刮磨較嚴(yán)重。為減輕摩擦，設(shè)計者認(rèn)為需要在樞輪轉(zhuǎn)動時用另外的力壓住格叉，也就是需要“把握準(zhǔn)確時機(jī)的加力動作”，［11］226 進(jìn)而“ 一定要有觸發(fā)機(jī)關(guān)”，［11］226 而這個觸發(fā)機(jī)關(guān)“就是天條、兔頭和右天鎖”［11］240。如圖4 所示，“鐵鶴膝”平時彎曲，兔頭掛于其上；關(guān)舌被擊開后，“鐵鶴膝”被拉直，“兔頭”隨即脫鉤壓住格叉；待水斗與格叉脫離后，彈簧靠彈性復(fù)位，兔頭掛回，構(gòu)成一個運動周期。

這一設(shè)計十分巧妙，但存在兩個問題：一是僅憑“天衡”插圖②所繪的“天條”形似一串小弓形徑就說它是“彈簧”，證據(jù)稍顯單薄。二是“彈簧”“兔頭”等在《新儀象法要》中不存在任何記載。此外，還有人指出這一設(shè)計自相矛盾，根本不能實現(xiàn)設(shè)計者希望達(dá)到的“觸發(fā)”作用，故難以作為定論。③

設(shè)計者本人也承認(rèn)“鐵鶴膝/兔頭”在原書中并無說明，只是一種推測，又說：

“這推測應(yīng)看作現(xiàn)代復(fù)原工作中的一項發(fā)明，可以申請專利保護(hù)。但本書的描述不代表實際的專利實施。”[11]226

“實際的專利實施”見諸其專利書，［12］其中最重要的改動是“天條”和“鐵鶴膝”從同一物變成了兩個部件。

2.3 “定斗”方案中的“X-金屬條說”

圖5 是改進(jìn)后的“鐵鶴膝/兔頭”，其中“鐵鶴膝”為兩根金屬條構(gòu)成的“X”形結(jié)構(gòu)（圖6）。兩根金屬條可繞中間的軸轉(zhuǎn)動，上部通過短桿與“天條”連接。長金屬條頂部有一根橫桿。樞輪靜止時，兔頭掛在這根橫桿上。樞輪轉(zhuǎn)過一定角度后，鐵撥牙壓動關(guān)舌，“鐵鶴膝”向中間彎曲，使得兔頭脫開橫桿下落壓在樞衡上，減輕了格叉與水斗之間的作用力，樞輪得以加速轉(zhuǎn)動。等到一個水斗通過后，樞衡的格叉端在樞權(quán)的重力作用下，托起兔頭上翹，使兔頭重新掛在橫桿上。此時，由于沒有了兔頭的作用，樞衡對樞輪的阻力增大，進(jìn)而使樞輪減速，直至樞輪重新靜止。

這一改進(jìn)設(shè)計很好地實現(xiàn)了“彈簧-直桿說”沒能實現(xiàn)的“觸發(fā)”功能——即瞬時加力讓樞輪加速通過，又迅速復(fù)位使樞輪減速停止。其形狀也與設(shè)計者所強(qiáng)調(diào)過的“弩機(jī)”①有頗多相似。

然而，該設(shè)計也制造了對《法要》更大程度的違背。其一，《法要》明確說過天條“即鐵鶴膝也”，但該設(shè)計卻將天條和鐵鶴膝分為兩個部件。其二，原書提到關(guān)舌“首綴于天條”，鐵撥牙擊開關(guān)舌后所“掣動”的也是“天條”。但在該設(shè)計中，“天條”和關(guān)舌沒有聯(lián)系，關(guān)舌所綴成了于文無據(jù)的“軟繩”②。

總之，圍繞定斗方案形成的“ 彈簧-直桿說”和“X-金屬條說”都是沒有文獻(xiàn)根據(jù)的猜測，后者更是與原文直接相悖，俱不可信。

3 古代“鶴膝”含義梳理與分析

由上文可知，無論是“翻斗”方案中的“鐵鏈說”，還是“定斗”方案中的“彈簧-直桿說”或“X-金屬條說”，都沒能給出關(guān)于“ 鐵鶴膝”形制的可靠論證。要弄清“鐵鶴膝”究竟是什么，終究需要回到古人使用它的語境之中：既然《新儀象法要》是用“鐵鶴膝”來解釋“天條”，那就說明“鶴膝”對古人來說是一個較為熟悉的事物—— 否則就不會用它來作解釋項了。為此，筆者搜集了古代涉及“鶴膝”的常見用法，以資從中求得規(guī)律，探得“鐵鶴膝”之名的可能來源。

3.1 “鶴膝”含義匯編

（1）植物名。

北宋《筍譜》載“鶴膝竹”之名：

“鶴膝竹筍，竹狀節(jié)下大小似苦竹，而閩中土人呼為槌竹，亦堪作拄杖，詳此同笻竹也，筍可食。”[13]17

又按《竹譜》：

“鶴膝竹，又名木槵竹，生杭州西湖靈隱山中…… 間有突起如鶴膝，人亦取為拄杖。”[14]88-89

由此可知，“鶴膝竹”的名稱由來，在于其竹節(jié)形似鶴膝。

（2）竹杖。

劉克莊《鵲橋仙·足痛》載：“但乞取、一枝鶴膝。”［15］2641按《漢語大詞典》，此處“鶴膝”釋為“竹杖、竹枝”③。此名由來可能源于“鶴膝竹”。

（3）中醫(yī)病癥名。

據(jù)考證④，“鶴膝風(fēng)”這一病名首見于金代：“伊祁丸，治腰腳拳彎，鶴膝風(fēng)，筋縮。”［16］26明代《景岳全書》首次定義此病，并指出該名稱源于患病部位與鶴膝形似：“ 凡肘膝腫痛，臂細(xì)小者，名為鶴膝風(fēng)，以其象鶴膝之形而名之也。”［17］1128

（4）桌名。

家具“鶴膝桌”①的出現(xiàn)不晚于五代（圖7），特點是“桌腿中部突出，如鶴腿之關(guān)節(jié)” ，［18］120其得名也在于形似。

（5）書法病癥名。

王羲之批評“鶴膝”筆法：“終始轉(zhuǎn)折，悉令和韻，勿使蜂腰鶴膝。”［19］3559后世將“鶴膝”列入書法“八病”之中，其特點是“橫、豎畫之兩端較中截尤為肥大突出，缺少自然的過渡”。［20］151 故知此“鶴膝”也因形似而得名。

（6）律詩病癥之一。

《文鏡秘府論》列出了作詩的“ 二十八種病”，其中：“第四，鶴膝：詩者，五言詩第五字不得與第十五字同聲，言兩頭細(xì)，中央粗，似鶴膝也。”［21］律詩中的“鶴膝”也是因形似而得名。

（7）龍骨車部件。

熊三拔、徐光啟在《泰西水法》中介紹了一種提水工具“龍尾車”，并指出它之所以比中國的龍骨車要好，在于它不需要“ 鶴膝”②和“ 斗板”。薩日娜等人繪圖（圖8）并注解道：

“鶴膝：一個長條式零件，頭上叉開，夾住另一個長條式零件的頭，使之在一個平面內(nèi)移動。這種結(jié)構(gòu)稱為鶴膝。龍骨車各片，用這種關(guān)節(jié)聯(lián)接。斗板：龍骨車的活動刮水木片。”[22]246

以上7 項加上“矛”，共計8 種得“鶴膝”之名的事物，涉及軍事、植物、醫(yī)學(xué)、家具、書法、格律、農(nóng)業(yè)諸領(lǐng)域，且得名之由均在形似③。

3.2 “鐵鶴膝”與龍骨車“鶴膝”

通過上節(jié)對“ 鶴膝”含義的考察，筆者認(rèn)為，龍骨車“鶴膝”最可能是“鐵鶴膝”的來源。理由有三：

一是水運儀象臺中不少部件正是源自農(nóng)業(yè)機(jī)械，如“升水上下輪”與“筒車”④、“天衡”與“桔槔”⑤和“河車”上的“戽斗”⑥等。

二是龍骨車“鶴膝”可以懸掛，可以單個組裝或拆卸，便于調(diào)整位置和長度，同時滿足原書“綴于權(quán)里右垂”和“長短隨樞輪高下”的要求。這是“鐵鏈”“彈簧-直桿”和“X-金屬條”都做不到的。

三是龍骨車創(chuàng)自東漢，是常見的農(nóng)業(yè)機(jī)械。而在宋代，農(nóng)業(yè)水力機(jī)械得到了空前發(fā)展和普及，并頻繁地出現(xiàn)在文獻(xiàn)和詩作中。蘇頌也有在江寧、杭州等地任地方官的經(jīng)歷。因此，蘇頌從龍骨車“鶴膝”中得到啟發(fā)，并用之解釋“天條”，可能性還是比較大的。

在“鐵鶴膝”是什么的問題上，既有的“鐵鏈說”“彈簧-直桿說”“X-金屬桿說”均缺乏文獻(xiàn)依據(jù)，尤以“X-金屬條說”與原書所述相差甚遠(yuǎn)。古代得“鶴膝”之名的事物眾多，其由均在形似。從《新儀象法要》中對“天條”“鐵鶴膝”的描述，以及水運儀象臺中多處借鑒農(nóng)業(yè)機(jī)械的情況來看，“鐵鶴膝”之名源于龍骨車“鶴膝”的可能性較大。進(jìn)一步推測，“鐵鶴膝”可能就是由鐵制的龍骨車“鶴膝”串接為鏈而成。“鐵鶴膝”連接關(guān)舌與天衡，在關(guān)舌被擊開后拉動天衡、打開天關(guān)和左天鎖，使樞輪得以運轉(zhuǎn)。由此可見，在中國古代，不僅天文學(xué)與農(nóng)業(yè)存在緊密聯(lián)系，在天文儀器和農(nóng)業(yè)機(jī)械之間也有著深刻關(guān)聯(lián)，水運儀象臺或僅即其中一例罷了。

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［責(zé)任編輯 黃祖賓 楊小平］