北朝的机械制造技术优化方案

史籍中关于北朝机械制造的记载甚少，我们只能从零星的记载中作些考证或推测。

一、指南车的复制

指南车，是我国古代一种指示方向的机械，主要用于帝王仪仗队中。指南车的出现，证明我国古代齿轮传动技术、离合器技术已取得了很高的成就。近百年来，国内外学者对指南车的起始、外形、内部结构及历代制造者都有一定的研究成果，并制成实物样品，读者可参阅相关论著。这里，仅依据有关文献记载，对北朝复制指南车一事，做些讨论。

传说黄帝、周公时已出现了指南车，不可信。《三国志·杜夔传》裴松之注云[823]，魏明帝时，给事中马钧与常侍高堂隆、骁骑将军秦朗在朝议时，对指南车发生了争论。高、秦二人认为古代没有指南车。马钧认为曾有过，但已失传。后马钧奉诏作之，“而指南车成”。裴松之系南朝宋人，由其“注”可知，马钧制作了指南车是不会错的。稍后的《晋书》《宋书》《南齐书》中都有关于指南车的记载。《晋书·舆服志》曰[824]：

司南车，一名指南车，驾四马，其下制如楼，三级，四角金龙衔羽葆，刻木为仙人，衣羽衣，立车上。车虽回运，而手常南指。

记载了指南车的外形，这大概是马钧之作。马钧所作的指南车，因晋乱而“复亡”。以后，又有多人造指南车。对此，《宋书·礼志五》曰[825]：

明帝青龙中，令博士马钧更造之而车成。晋乱覆亡。石虎使解飞，姚兴使令狐生又造焉。安帝义熙十三年，宋武帝平长安，始得此车……范阳人祖冲之，有巧思，常谓宜更构造。宋顺帝升明末，齐王为相，命造之焉。车成……其制甚精，百屈千回，未尝移变……索虏拓跋焘使工人郭善明造指南车，弥年不就。扶风人马岳又造，垂成，善明鸩杀之。

《南齐书·祖冲之传》曰[826]：

姚兴指南车有外形而无机巧。每行，使人于内转之。昇明（477-479）中，太祖辅政，使冲之追修古法。冲之改造铜机，圆转不穷而司方如一。

据以上文献记载可知，马均在魏明帝青龙年间（233-237）制成指南车；解飞在后赵石虎在位期间（334-349）制成指南车；令狐生在后秦姚兴在位期间（394-417）制成指南车；马岳在北魏太武帝拓跋焘在位期间（424-452）制成指南车；祖冲之在南朝宋顺帝昇明年间（477-479）制成指南车。以往的研究者，多言马均、祖冲之造指南车，很少论及十六国时期解飞、令狐生造指南车。至于北魏马岳造指南车，几乎无人提及。

与马岳同造指南车的郭善明，是北魏皇家建筑师，活动在北魏太武帝和文成帝年间。文成帝期间，郭善明（郭善明详细情况请参看本书第七章第二节）升任给事中，曾劝文成帝“大起宫室”。是时，他在建筑方面确有建树，“北京宫殿，多其制作”。马岳，史籍无传，曾制成指南车。《宋书·礼志五》说马岳是扶风（今陕西省兴平县）人。扶风距后秦都城长安（今陕西省西安市）很近，实为京畿之地。马岳青少年时期，应为后秦的臣民，很可能参与，至少知道令狐生造指南车之事。随着后秦灭国，太武帝拓跋焘统一北方，马岳流落到北魏国都平城。因其有制造机械的特长，为太武帝知晓。因此，太武帝命马岳造指南车，“垂成”，后为“善明鸩杀之”。说明马岳当时地位低下，或为“杂户”，是郭善明的下属。这样，郭善明才有机会“鸩杀之”，且不受影响。因此，此事为蔑称太武帝是“索虏”的《宋书》披露。《宋书》作者萧子显（489-537）的活动年代，距北魏太武帝时期仅几十年，所以他的记载是不会错的，马岳确实制造了指南车。

另外，尚有一种推测：三国时著名机械制造家马均也是扶风人，马岳或为马均的后人。如是，马岳制成指南车就不奇怪了。因为马均“巧思绝世”，曾造指南车。

二、床弩的制造

床弩，是中国古代射程最远、威力最大的弩，同时也是很复杂的自动控制类机械。史载[827]，北魏文成帝时在军队中配置了床弩。床弩是在标准弩的基础上发展起来的。

弩为春秋时楚人发明，是一种利用机械弹力射箭，以打击远距离目标的弹射机械。床弩，是将一张弓或几张弓安装在弩床（发射架）上，绞动安装在弩床尾部的轮轴，产生强力以张弦发箭。多弓床弩以几张弓的合力发箭，其弹射力远远超过单人使用的各类弩。床弩在我国的发明至迟不会晚于东汉。《后汉书·陈球传》记载[828]，陈球为零陵太守时，遇叛军攻城，陈球“乃悉内吏人老弱，与共城守，弦大木为弓，羽矛为矢，引机发之，远射千余步，多所杀伤”。“引机发之”，说明陈球所置是一种弩，可把矛射出“千余步”。如此强力之弩，仅用手臂、足踏之力难以张开，故应是床弩。不过从“弦大木为弓”的记载看来，这时的床弩还处于单弓的阶段。明确使用床弩这个名称，据目前所见文献，应起自北朝。《北史·源贺传》记载[829]，北魏文成帝时，源贺都督三道诸军屯守漠南，“城置万人，给强弩十二床，武卫（一种军事用车）三百乘。弩一床给牛六头，武卫一乘，给牛二头”。这里，弩以床为单位，当为弩床。这种床弩式样如何，史载阙如。直到宋代，官方编修的《武经总要》中才对床弩作了较详细的说明，从中可推测北朝床弩的大体结构和弹射原理。《武经总要》所载床弩多种，这里仅简述三弓床弩。

据《武经总要·前集·器图》记载[830]，三弓床弩亦称“八牛弩”，表示要用八头牛的力量才能拉开它；如用人力，则需百人。这种床弩的弩箭巨大，以坚木为箭杆，状如长枪，三片铁翎就像三把剑一样，世称“一枪三剑箭”。稍小的三弓床弩开弓时，也需50-70人，其射程也可达300步，合当今约500米。明弘正本《武经总要》中载有三弓床弩图样（如图8-1所示），但缺乏详细说明，难以看清楚其发射原理。当今有关学者对宋代三弓床弩进行了细致深入的研究，并复制了模型，重新绘制了结构示意图（如图8-2所示）。据此，我们分析其弹射原理：

图8-1《武经总要》三弓床弩图

图8-2　三弓床弩结构示意图

将3张弓安装在弩床上，中者为主弓。在主弓和前弓的两端，用短绳相连。后弓安装的方向相反，其弦通过装在主弓两端处的小轮或小环，与主弓之弦并在一起，用牵引钩钩住。牵引绳分别与牵引钩、轮轴相连。当转动轮轴，收紧牵引绳，拉紧主弓的弓弦时，前弓随之开张，后弓之弦绕过小轮或小环也一同拉紧，后弓也随之张开。当主弦拉到机牙处，以牙扣住弓弦，解下牵引绳。这种床弩发射时，用人手是扳不动扳机（悬刀）的，要由专管发射的弩手在矢道中装好弩箭，并瞄准目标。然后，由另一名弩手用大锤击打扳机，三弓同时回弹，将巨大的弩箭强力射出。

北朝床弩，每台配备六头牛为绞轴的动力，当为多弓床弩。其结构应和《武经总要》所载床弩大同小异。重要的是，北朝六牛床弩实开宋代“八牛弩”之先河。

三、七宝镜台的制造

七宝镜台，为北齐胡太后时所作，是一种游艺性的自动机械，主要供皇宫内的嫔妃娱乐。《太平广记》卷二百二十五《伎巧一》引《皇览》曰：

胡太后使沙门灵昭造七宝镜台。合有三十六户，别有一妇人，手各执锁。才下一关，三十六户一时自闭；若抽此关，诸门咸启，妇人各出户前。

《太平御览》及明代俞安期《唐类函》等书中亦有相同的记载。该文献的原文出自唐玄宗时学者丘悦所撰的编年体史书《三国典略》，该书以关中、邺都、江南为三国区域，记录了南北朝中晚期的西魏及北周、东魏及北齐、梁及陈三方面的重要历史，涉及各政权的外交、军事、政治、经济、文化多方面内容。《太平御览》《太平广记》等大量唐宋时期的史书、类书都摘引了该书的内容，记录可信。但该书久已亡佚，当今有辑佚本出版。

胡太后（生卒年代及名字不详），本是北齐武成帝高湛（561至565年在位）的皇后。河清四年（565），高湛禅位给太子高纬，是为北齐后主，在位12年（565-576）。是时，胡氏当为胡太后。因此，造七宝镜台应在565至576年之间。上述文献的大意是：胡太后派沙门灵昭建造了七宝镜台。镜台共有三十六个室，另有一个妇人，两只手各拿着一把钥匙。只要用一把钥匙旋转一个机关，三十六个室的门同时关闭。如果将钥匙从这个机关里抽出来，各个门全都开启，妇人的影像就出现在各个室前的镜子里。

研究者对七宝镜台的记载尚有不同的理解，七宝镜台的结构还不清楚。对此，应作深入研究。(www.xing528.com)

四、水磨、水碾的制造

水磨、水碾，是继水碓之后发明的水力推动粮食加工机械。在魏晋时期的文献中，仅见用水碓进行谷物加工的记载，尚未见到关于水碾和水磨于记载。据此推断，水磨、水碾应发明于南北朝时期。

《南齐书·祖冲之传》记载[831]，祖冲之“于乐游苑造水碓磨，世祖亲自临视”。世祖，指齐武帝萧颐（483至493年在位）。祖冲之在建康城（今南京市）乐游苑造水碓磨，齐武帝亲自观看。可见，此水碓磨是以水轮同时驱动碓与磨的机械，颇有观赏性，是否有实用价值，不得而知。在有关南朝的文献中，记载水碓磨者仅此一例。足见，水碓磨并没有在南朝推广。而北朝则是另一番景象。《魏书·崔亮传》记载[832]：

亮在雍州，读《杜预传》，见为八磨，嘉其有济时用，遂教民为碾。及为仆射，奏于张方桥东堰谷水造水碾、磨数十区，其利十倍，国用便之。

崔亮（460-521），字敬儒，北魏政治家，清河东武城（今山东武城西北）人。史称其“韶居雅仗正，有国士之风”。崔亮少年时，因家乡为北魏攻占，遂迁至平城，为平齐民。成年后曾仕北魏孝文、宣武、孝明三帝，多次参与军政大事，先后担任中书博士、吏部郎、太子中舍人、中书侍郎、给事黄门侍郎、青州大中正、度支尚书、御史中尉、都官尚书、廷尉卿、安西将军、雍州刺史、太常卿、抚军将军、定州刺史、殿中尚书，吏部尚书、侍中、左光禄大夫、尚书右仆射等职。正光二年（521），崔亮去世，孝明帝诏赠使持节、散骑常侍、车骑大将军、仪同三司、冀州刺史，谥曰贞烈。杜预（222-285），《晋书》有传，西晋著名的政治家、军事家和学者，灭吴统一战争的统帅之一。历任曹魏尚书郎、西晋河南尹、安西军司、秦州刺史、度支尚书、镇南大将军，官至司隶校尉。太康五年（285），杜预逝世，追赠征南大将军、开府仪同三司，谥号成侯。杜预耽思经籍，博学多通，多有建树，著有《春秋左氏经传集解》及《春秋释例》等。杜预文武全才，在明朝之前他是唯一同时进入文庙和武庙之人。杜预在担任地方官时，关心民生，积极发展生产，曾发明以一牛之力运转八座磨盘的“八磨”。

上述文献表明，崔亮担任雍州刺史期间，读《杜预传》，受杜预制造“八磨”的启发，“遂教民为碾”；担任尚书右仆射期间，又上奏“于（洛阳）张方桥东堰谷水造水碾、磨数十区，其利十倍，国用便之”。可见，崔亮既造了水碾，又造了水磨，而且积极推广。杨街之《洛阳伽蓝记·城南》记载[833]：景明寺内，“石辇硙舂簸，皆用水功”。这至少说明当时在洛阳地区广泛地使用了水碾、水磨。

比较南朝、北朝的情况，崔亮至少独自创制了水磨。至于水碾，王祯《农书》中引《魏书·崔亮传》“奏于张方桥东堰谷水造水碾、磨数十区”，下一句是“水碾之制自此始”[834]。而崔亮之前文献并无水碾记录。之后，水碾水磨得到广泛利用。例如：东魏灭亡后，北齐文宣帝高洋封孝静帝元善见为中山王，封赐之物中就有“水碾一具”[835]。北齐时，高隆之“又凿渠引漳水，周流城郭，造治水碾硙，并有利于时”[836]。

关于当时水碾、水磨的具体传动机构，今已很难了解。但元代王祯《农书》中有所介绍，据此，我们先叙述水磨的传动机构。为了说明问题，先了解磨的结构。

磨，最初叫硙，汉代才叫做磨，是把米、麦、豆等加工成面的机械。磨用两块有一定厚度的扁圆柱形的石头制成，这两块石头叫做磨扇。下扇中间装有一个短的立轴，用铁制成，上扇中间有一个相应的空套，两扇相合以后，下扇固定，上扇可以绕轴转动。两扇相对的一面，留有一个空膛，叫磨膛，膛的外周制成一起一伏的磨齿。上扇有磨眼。磨面的时候，谷物通过磨眼流入磨膛，均匀地分布在四周，被磨成粉末，从夹缝中流到磨盘上，过罗筛去麸皮等就得到面粉。磨有用人力的、畜力的和水力的。用水力者就是水磨，它有两种类型：卧轮式和立轮式。

图8-3　王祯《农书》卧轮式水磨图

卧轮式水磨。其动力部分和水排一样，是一个卧式水轮。对水排而言，在轮的主轴上端安装上卧轮；对卧轮式水磨而言，则要安装磨的上扇。流水冲动卧轮，通过立轴带动磨转动，如图8-3所示。这种水磨适宜安装在水的冲力较大的地方。

图8-4　王祯《农书》中的水碾

立轮式水磨。其动力部分和水碓一样，是一个立式水轮。对水碓而言，在立轮的横轴上安装拨板，以拨动碓杆的梢，使碓头一起一落地进行舂米；对立轮式水磨而言，在立轮的横轴上装一齿轮，使之与磨的上扇边缘所安装的齿轮相衔接（两轮的作用相当于一对斜齿轮）。

流水冲动立轮，通过横轴、齿轮带动磨转动，这种水磨适宜安装在水的冲力较小，但水量较大的地方。

水碾的传动机构（见图8-4）与水磨大体一致，其水轮亦有卧式和立式两种。

五、欹器的制造

欹器是通过器物重心的自动调节，来实现平衡的一种物器。《荀子·宥坐》记载，孔子带领弟子参观鲁桓公庙，见到一种称为“宥坐之器”的“欹器”（倾斜的容器），并作了注水实验，发现此欹器“虚则欹，中则正，满则覆”。孔子不明白其中的原理，于是借题发挥，感慨道：“吁，恶有满而不覆者哉！”即告诉弟子，恶贯满盈者岂有不倾覆之理。同时，也告诫弟子们要求上进，不自满，为人中正。孔子所见到的欹器是什么样子，不得而知。

20世纪50年代，在西安半坡遗址和其他一些遗址中出土了一种小口尖底双耳红陶瓶。实验表明，用绳子系这种陶瓶的双耳，将其放入水中，不仅能自动汲水，而且具有“虚则欹，中则正，满则覆”的特征。其原理大体是，空瓶的重心高于耳部，因此用绳子系瓶的双耳，将其放入水中后，由于浮力和瓶的轴线的交点，即定倾中心总是低于空瓶的重心，陶瓶必然从铅垂状态倾倒至水平状态（虚则欹）；水流入瓶中，然后将瓶提起，瓶和水的总重心下移到耳的上边沿之下时，瓶不翻倒。当瓶中水量适中，使盛水瓶的重心低于耳部时，瓶身自动扶正（中则正）；往瓶中继续注水，使盛水瓶的重心又上移，当重心高于耳部时，瓶身倾倒（满则覆）。这种自动汲水用具，是先民们对重心的一种利用。但当时是否带有告诫性质今已难考，具有告诫意义的欹器至迟见于春秋时期，君主可置于座右以为戒。之后，对其具体形态常有改进和创新。南北朝时期，南齐祖冲之和西魏文帝元宝炬都曾制作过欹器。

《南史·祖冲之传》曰[837]：

永明中，竟陵王子良好古，冲之造欹器献之，与周庙不异。

据此，祖冲之（429-500）在南齐武帝永明年间（483-493），曾制作欹器，献给竟陵王萧子良，这是没有问题的。东汉末年，天下大乱，周庙欹器在战乱中失踪，其形制和制作方法也失传了。因此，祖冲之欹器“与周庙不异”，恐言过其实。

《周书·薛憕传》记载[838]，西魏文帝元宝炬（535至551年在位）大统四年（538），曾制作过二件欹器：

一为二仙人共持一钵，同处一盘，钵盖有山，山有香气。一仙人又持金瓶以临器上。以水灌山，则出于瓶而注乎器，烟气通发山中，谓之仙人欹器。一为二荷，同处一盘，相去盈尺，中有莲下垂器上，以水注荷，则出于莲而盈乎器，为凫雁、蟾蜍以饰之，谓之水芝欹器。二盘各处一床，钵圆而床方，中有人，言三才之象也。皆置清徽殿前。器形似觥（读gōng，中国古代盛酒器）而方，满则平，溢则倾。

上述“仙人”“水芝”二欹器“满则平，溢则倾”，与以前欹器的基本特征“虚则欹，中则正，满则覆”，是不相符的。有学者认为可能是《周书》的作者未加考察等原因所致。但总的说来，“仙人”“水芝”二欹确实器精巧绝伦，令人叹为观止，这反映了北朝时期具有相当高的制造工艺水平。

此外，前已述及的铁质浑仪[839]，也当为北朝制造技术的典型代表。