北魏机械制造成就初探

李 海

(山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009)

北魏机械制造成就初探

李 海

(山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009)

从复制指南车，创制多弓床弩，发明水磨、水碾，制造铁浑仪等方面，讨论了北魏机械制造的成就。结果表明,北魏的机械制造注重实用性，为我国古代机械制造业的发展作出了贡献。

北魏；机械制造；指南车；床弩；水磨；水碾；铁浑仪

在研究我国古代机械制造的论著中，鲜见研究北魏机械制造的专论。其实，北魏时期的机械制造水平相当高，例如：复制了指南车，创制了床弩，发明了水磨、水碾，制造了铁浑仪等，为我国古代机械制造的发展作出了一定贡献。对此，本文作初步探讨。

1 我国古代对机械概念的界定

机械，当今是指机器与机构的总称，就是能帮助人们降低工作难度，或省力的工具装置。我国古代，至迟在战国时期已经有了与此相近的认识。《庄子·外篇》记载，孔子弟子子贡南游楚国，过汉阴，见一老翁灌圃，抱瓮入井，操劳辛苦，就向老翁介绍桔槔[1]：“有械于此，一日浸百畦，用力甚寡而见功多……凿木为机，后重前轻，挈水若抽，数如汤，其名曰槔”。这里，子贡给出了我国古代机械的概念界定，即机械是能“用力甚寡而见功多”的器械。从文字学的角度上讲，“机械”一词由“机”与“械”两个汉字组成。机，在汉语中有不同的解释，就机械概念而言，是指某一整体器械装置中绕轴转动的部件。子贡说的“凿木”，是指做轴孔；“为机”，是指做成桔槔的主要部分——有轴支点可以转动的杠杆。其状“后重前轻，挈水若抽”。械，在我国古代原指某一整体器械或器具等实物。“有械于此”，是指桔槔。这两字连在一起，组成“机械”一词，便构成一般性的机械概念。

2 北魏的机械制造

史籍中关于北魏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。

2.1指南车的复制

指南车，是我国古代一种指示方向的机械，主要用在帝王的仪仗队中。相传，黄帝时周公已制造了指南车，不可信。据裴松之注《三国志·杜夔传》可知[2]，三国魏明帝青龙年间(233～237年)，马钧制作了指南车。《晋书·舆服志》曰[3]：

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。

这里记载的指南车外形，大概是马钧之作。马钧所制成指南车，因晋乱而“复亡”。之后，又有多人造指南车。据《宋书·礼志五》等文献记载[4]，后赵石虎在位时(334～349年)，解飞制成指南车。后秦姚兴在位期间(394～417年)，令狐生制成指南车。东晋安帝义熙十三年(417年)，大将刘裕(后来的宋武帝)率军北伐，平长安，灭后秦，将令狐生制的指南车运到东晋都城建康(今南京市)。北魏太武帝拓跋焘在位期间(424～452年)，马岳在制成指南车。南朝宋顺帝昇明年间(477～479年)，祖冲之制成指南车。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。关于马岳造指南车，《宋书·礼志五》曰[4]：

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。

索虏，是南朝刘宋对太武帝拓跋焘的蔑称。郭善明，北魏皇家御用工匠(“工人”)。文成帝期间，郭善明升任给事中，曾劝文成帝“大起宫室”[5]。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，但为郭善明所害。《宋志》说马岳是扶风(今陕西省兴平县)人。扶风距后秦都城长安(今西安市)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”，而且还不受影响。所以，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年)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：三国时制造指南车的马均也是扶风人，马岳或为马均的后人。如是，马岳制成指南车就不奇怪了。马岳复制的指南车是什么样子，史无记载，大概是《晋志·舆服志》所载指南车的形状。

2.2多弓床弩的创制

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。史籍记载[6]，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，为了解其弹射机构和作战性能，有必要先了解标准弩的结构和弹射原理。

弩，为春秋时楚人发明。这是一种利用机械弹力射箭，以打击远距离目标的弹射机械。标准弩由弩弓、弩臂和弩机三部分构成，如图1所示。其中，弩弓为复合弓，横装在弩臂前端；弩臂为坚木制作，用以承弓、撑弦，并供使用者托持；弩机安装于弩臂后端，是一种相当复杂而精巧的转轴连动式机械。《说文》曰：“机，主发者也”，意指弩机是弩上发箭的部件。

图1 标准弩结构示意图

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。多弓床弩是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[7]，陈球为零陵太守时，遇叛军攻城，陈球和守城将士“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。从“弦大木为弓”的记载来看，这时的床弩还处于单弓的阶段。明确使用“床弩”一词，据目前所见文献，应起自北魏。《北史·源贺传》记载[6]，北魏文成帝(452～466年在位)时，源贺都督三道诸军屯守漠南，其方法是：

城置万人，给强弩十二床，武卫(一种军用车)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。这种床弩是什么样子，史载阙如。直到宋代，在官修的兵书《武经总要》中，才对床弩作了较详细的说明，从中可推测北魏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[8]，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 m。当今有关学者对宋代三弓床弩进行了细致深入地研究，并复制了模型，重新绘制了结构示意图，如图2所示。据此，我们分析其弹射原理：将3张弓装在弩床上，中者为主弓，其两端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。转动轮轴，收紧牵引绳，拉紧主弓的弓弦，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的，要由专管发射的弩手在矢道中装好弩箭，瞄准目标。然后由另一名弩手用大锤击打板机，三弓同时回弹，将巨大的弩箭射出。北魏床弩每台配备牛六头为绞轴的动力，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，北魏六牛床弩实开宋代“八牛弩”之先河。

图2 三弓床弩结构示意图

2.3水磨、水碾的发明

水磨、水碾，是继水碓之后发明的水力粮食加工机械。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[9]，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(483～493年在位)。祖冲之在建康城乐游苑造水碓磨，齐武帝亲自观看。可见，此水碓磨实际是一种娱乐设施。可能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》曰[10]：

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年)，北魏政治家，字敬儒，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，多次参与当时的军政大事。先后担任中书博士、度支尚书、御史中尉、雍州刺史、太常卿、吏部尚书、尚书右仆射等职。正光二年(521年)，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。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”(以一牛之力运转八座磨盘)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[11]：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”[12]。查阅文献，崔亮之前并无水碾记录。可见，水碾完全为崔亮首创。之后，水碾、水磨得到广泛地利用。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”[13]。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”[14]。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、豆等加工成面粉的机械。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。磨的动力有人力、畜力和水力。用水力者就是水磨，它有两种类型：卧轮式和立轮式。

卧轮式水磨，其动力部分是一个卧式水轮。在轮的主轴上端安装磨的上扇。流水冲动卧轮，通过立轴带动磨转动，如图3所示。这种水磨适宜安装在水的冲力较大的地方。

图3《王祯农书》卧轮式水磨图

立轮式水磨，其动力部分是一个立式水轮。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，如图4所示。这种水磨适宜安装在水量较大，但水的冲力较小的地方。

图4《天工开物》立轮式水磨图

水碾的传动机构与水磨大体一致，其水轮亦有卧式和立式两种，这里不再赘述。

2.4铁浑仪的制造[15]

北魏明元帝永兴四年(412年)，制造了我国历史上唯一的一台铁制浑仪。对此，《隋书·天文志》曰[16]：

史臣于观台访浑仪，见元魏太史令所造者，以铁为之。其规有六：其外四规常定，一象地形，二象赤道，其余象二极；其内二规，可以运转，用合八尺之管，以窥星度。周武帝平齐所得。隋开皇三年，新都初成，以置诸观台之上。大唐因而用焉。

《旧唐书·天文志上》曰[17]：

今灵台铁仪，后魏明元时都匠斛兰所造，规制朴略，度刻不均，赤道不动，乃如胶柱，不置黄道，进退无准。

有关北魏铁浑仪的资料在《唐会要》、《宋史·天文志》、《图书集成·历法典》等史籍中尚有记载。综合这些文献可知：明元帝永兴四年诏造的铁浑仪，由天文学家斛兰制成。斛兰，史不见传。从他的姓名，推断他可能是鲜卑族人，《旧唐书》称他为“都匠”。都是“总”的意思，匠是指有某一技术特长的人。都匠，可能相当于当今的总工程师。铁浑仪是重要的天文仪器，其内的机械部分也颇为复杂。从《隋志》可知，北魏铁仪的构造如图5所示，是一种双重环组。外层环组为一固定的坐标框架，由4个圆环组成：与地平面平行的地平环NFSF′，即“一象地形”；与天赤道面平行的赤道环ErRE′R′，即“二象赤道”；南北方向的子午双环NPE′SP′E，即“其余象二极”。这样，共有四个固定的环，故曰“四规常定”。内层是一个连体双环PMRP′M′R′，叫四游环，又称赤径环，可绕极轴POP′转动，P为北天极点，此即“其内二规，可以运转”。赤径环附有窥管M′OM，窥管长8尺，可绕赤径环的中心O旋转。在赤道环和赤径环上均刻有周天度数，且在刻度上镀银，“唯志星以银错之”，这是该仪的测量部分。观测某一天体M时，先按东西方向旋转赤径环，使它对准M。再旋转窥管，使人目可以从窥管中看见M。再由M所对应的赤道环和赤径环上的刻度，即可确定M在天空的位置。

铁仪的底座部分为：“南北柱曲抱双规，东西柱直立，下有十字水平，以植四柱。十字之上，以龟负双规”。从这段记载可知：底座的着地部分是一个十字架，架上设有十字水槽，以校准仪器水平，这是我国历史上利用水准仪的开端。

图5 北魏铁浑仪测量原理示意图

从永兴四年(412年)起始，北魏铁浑仪在平城使用了92年。孝文帝于494年迁都洛阳，该铁仪亦移致洛阳。534年，北魏分裂为东魏和西魏。东魏迁都邺城，铁仪亦由洛阳移到邺城。北齐取代东魏，仍在邺城用此仪观象测天。北周取代西魏，周武帝于577年灭掉北齐，把铁仪转到北周都城长安。隋取代北周后，隋文帝杨坚于开皇二年(582年)在龙首原以南营建新都，一年后建成，取名大兴城。铁仪便移致大兴城，“置诸观台之上”，用之观测天象。唐朝建立后，大兴城改名为长安城，仍为唐朝都城，继续使用北魏铁仪，即“大唐因而用焉”。唐睿宗景云二年(711年)，天文学家瞿昙悉达曾奉敕修葺此仪。直到725年，著名天文学家僧一行和梁令瓒另造新浑仪后，才停止使用。前后经历六个封建王朝和割据政权，历时300余年，这在中国历史上是极少见的，为中国古代天文学的发展作出了重要贡献。另外，北魏铁浑仪由铁为之，反映了北魏具有相当高的冶铁水平。

综上所述，北魏时创制的床弩、水磨、水碾及铁浑仪等机械，注重实用性。同时，表明北魏具有相当高的机械制造技术，为我国古代机械制造的发展作出了贡献。

[1](春秋)庄子.《庄子·外篇》第十二《天地》[M].

[2](西晋)陈寿.《三国志·魏书》卷二十九《列传第二十九·方技传·杜夔传》[M].

[3](唐)房玄龄.《晋书》卷二十五《志第十五·舆服志》[M].

[4](南朝梁)沈约.《宋书》卷十八《志第八·礼志五》[M].

[5](北齐)魏收.《魏书》卷四十八《列传三十六·高允传》[M].

[6](唐)李延寿.《北史》卷四十一《列传第二十九·源贺传》[M].

[7](南朝宋)范晔.《后汉书》卷五十六《列传第四十六·陈球传》[M].

[8](宋)曾公亮，丁度.《武经总要前集》卷十三《器图》[M].

[9](南朝齐)萧子显.《南齐书》卷五十二《列传第三十三·祖冲之传》[M].

[10](北齐)魏收.《魏书》卷六十六《列传第五十四·崔亮传》[M].

[11](东魏)杨衒之.《洛阳伽蓝记》卷三《城南》[M].

[12](元)王祯.《农书》卷十九《农器图谱十二》[M].

[13](北齐)魏收.《魏书》卷十二《本纪第十二·孝静帝纪》[M].

[14](唐)李百药.《北齐书》卷十八《列传第十·高隆之传》[M].

[15]李海.北魏铁浑仪考[J].自然辩证法通讯，1988，20(3)：62-64.

[16](唐)李淳风.《隋书》卷十九《志第十四·天文志上》[M].

[17](后晋)刘昫.《旧唐书》卷三十五《志第十五·天文志上》[M].

Discussion on Mechanical Manufacturing Achievement of North Wei Dynasty

LI Hai
（School of Physics and Electronic Science，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009）

This paper studies on Mechanical manufacturing achievement of North Wei Dynasty，based on copied guide car，creation of ballista，invention of grind of with water as power and roller of with water as power，and Iron armillary sphere.The result shows mechanical manufacturing of North Wei Dynasty was focused on practicality,and a contribution to the development of ancient machinery manufacturing in China.

North Wei Dynasty；mechanical manufacturing；guide car；ballista；grind of with water as power；roller of with water as power；iron armillary sphere

N09

A

〔责任编辑 高海〕

1674-0874(2017)01-0092-05

2016-06-16

李海(1948-),男，山西左云县人，教授，研究方向：科技史。