第一巧匠马钧

马钧是三国时期的著名机械制造专家，具有高超的制造技巧，发明和制造了织绫机、水车、指南车等多种机械，成为我国古代非常有名的机械发明和制造专家，为古代机械制造技术的发展作出了巨大贡献。 　　马钧，字德衡，扶风（今陕西兴平东南）人。生活在三国时代的曹魏时期，生卒年代不详。他从小不善言辞，说话不多，但是很喜欢读书、思考问题、善于动脑子，尤其喜欢钻研机械制造方面的问题；同时他又非常注重实践，勤于动手；这样就养成了善于吸收新知识的习惯，又有比较熟练的实际技能，为从事机械制造打下了一定的基础。他早年生活比较艰辛、贫困，长时间住在乡间，使他有更多的机会接触劳动人民，对他们的疾苦和繁重劳动有深切的了解和体会，因而他比较关心生产工具的变革，并决心用自己的知识和技术为老百姓服务，改善他们的生产和生活条件。 　　马钧对机械的研究制造始于改革织绫机，织绫机就是织造"绫"的提花机，"绫"是一种表面光洁的提花丝织品，这是在我国传统的丝织品基础上发展起来一种比较高级的产品。我国丝织技术有着悠久的历史，早在商代就已经运用平纹织法和丝织法织造几何图形图案的丝织品。春秋战国时期的丝织品已达几十种之多，品质也有很大提高，秦汉时期我国的丝织技术已经达到相当高的水平，现已出土这一时期大量的提花纹纱和以经丝显花的彩色织锦。丝织技术的发展得力于织造工具的进步，商朝已经出现平纹织机，周朝就出现了提花织机。在战国末期已经开始使用足踏织机。这是丝织技术划时代的成就，因为利用脚踏板作提综开口的装置，手就能腾出来投梭，手脚配合效率大增。到汉代，丝织机又有了重大改进，出现了一种新的提花机，即120蹑_120踪的织绫机，用这种织绫机60天才能完成一批散花绫，效率相当低，而且织机的构造和操作相当复杂。三国使用的织绫机已经比汉代有所简化，出现了"50综_50蹑"或"60综_60蹑"的织绫机。但是这种织绫机仍嫌复杂、笨重，操作不便，劳动强度高，生产效率低，织工辛辛苦苦织一匹绫子需要一个月的时间。马钧觉得有必要进一步改进，设计出一种更为简单、方便实用的织绫机，减轻工匠的劳动，织出更多的"绫"满足社会需要。为此，马钧对织绫机进行了深入细致的观察、研究，对影响织机操作的因素进行了全面分析，他发现"绫"的花色、图案有许多是对称重复的，利用这一点可大大简化绫机的结构和操作。为此，他进行了反复试验，最后把原有的织绫机一律改为12蹑，一下子使织绫机的结构简化很多，操作也更加方便，劳动生产率提高好几倍，而且织出的绫的色彩、图案、质量也有所提高。据说曹魏景初元年（公元237年），日本使者来访，魏明帝赠给日本大批丝织品，其中许多就是用马钧改进后的织绫机织成的。这种高效的织绫机很快就传播到其他地区，得到广泛应用，促进了中国纺织业的发展。 　　马钧的另一突出成就是制成了久已失传的指南车。指南车又名司南车，是古代帝王出行时的先驱车，车上站一木人，伸展手臂指向南方，不管车子怎样转动，手臂总是指向南方，因此利用此车可以指示方向。这是古代劳动人民的一项发明创造，最晚在西汉时就已经出现，东汉时著名科学家张衡曾经再次制造指南车，不幸的是，到三国时期指南车再次失传，许多人已不知道指南车的结构和原理。魏明帝青龙年间（公元233一236年），马钧曾在京城担任小官职。有一天，马钧和一部分官员在朝房里辩论时谈到了指南车，他们为此发生了争论。当时在场的散骑堂侍高堂隆和骁骑将军秦朗认为：古书上关于指南车的记载是虚构的，不能信以为真，古代并没有制造过什么指南车。马钧则坚信古代有指南车，不同意他们的看法，他说道："古代很有可能制造过指南车，只是我们没有进行深入的研究而已；其实制造指南车并不是人们想象的那么难，只要肯下功夫，认真钻研，是可以造出来的。"他这一番话遭到了高堂隆和秦朗的讥笑，他们讽刺道："先生名钧，字德衡，钧是器物的模型，衡是用来定物轻重的；可你说话连轻重都不分，难道可以作为模型吗？"（古代制陶器所用的转轮叫陶钧）马钧反驳道；"空口争论有什么用！莫如试制一下，自然就可以分清谁对谁错"，高堂隆和秦朗同意了马钧的要求，并把这件事报告了当时的魏明帝，魏明帝就命令马钧进行试制以明是非。马钧仔细研究了古书的简略记载，经过刻苦钻研，提出了初步设想，然后在许多工匠帮助下，进行了反复试验，在不太长的时间内终于制成了指南车。高堂隆和秦朗在事实面前哑口无言，只好认输。马钧以自己的实际成果结束了人们的争论，赢得了众人信服，自此以后，全国都佩服他的才能和技巧。 　　在马钧之后，又有很多人制造过指南车，如南北朝时的大科学家祖冲之曾将一辆只有外壳的指南车予以修补，增添了内部结构。但历代史书关于指南车的记载都相当简略，缺乏具体的机械结构和原理，使后人难以进行仿制。指南车失传后，后人的制造等于再度发明。宋朝时，著名仪器专家燕肃于公元1027年，吴德仁于公元11O7年又先后重新制造了指南车。《宋史》对他们的制造方法和指南车的内部结构作了比较详细、明确的记载，根据此书人们知道了历代指南车的大致结构。解放后，中国历史博物馆根据历史文献复制了指南车的模型，陈列在中国通史展览厅，在参观历史博物馆时就可以看到。根据文献记载和今人的研究，指南车的结构和原理大致如下：指南车有两个直径为6尺的轮子，两轮之间的间距也是6尺，每一车轮的内侧都有一个带24个齿的小齿轮；车中有一个带48个齿的大平轮，轮中坚一立轴，轴上有一本人；在大平轮和车轮边的小齿轮的上端有一小平轮，小平轮由一根绳索通过滑轮和车辕的后端相连。当车直行时，车辕的前端和后端方向没有变化，两边的小平轮悬在大平轮和小齿轮的上端，大平轮不转动，竖轴上面的小木人手指正南方不变。当车向左转弯时，车辕前端向左，后端则向右偏，这样系在车辕后端的绳索就会左紧而右松，右边的小平轮就在铁坠子的重力作用下沉，嵌人车上的大平轮和轮内侧的小齿轮中间，与二者的齿轮互相咬合；如果转子向左转了90度，车子的右轮就会向左转90度，同时向前转动半周，轮侧的小齿轮则向前转动12齿（半周），小齿轮带动小平轮相应向左转12齿，小平轮则带动大平轮向右（相反方向）同样转动12齿，转动的角度恰好为90度，大平轮竖轴上的木人同样向右转动90度，抵消车子的左转，使木人始终保持指向南方，指南车设计的关键是大平轮和小平轮的自动离合。这种巧妙的设计代表了我国古代机械设计和制造的高超技艺。 　　马钧制造的另一种有名机械是用于农业灌溉用的翻车，这是我国古代灌溉工具的重大革新。我国在东汉以前的主要提水工具有两种，一是桔槔，一种是辘轳。桔槔早在春秋战国时代就已经应用，它的结构为：在井旁的树上或木架上用绳子固定一根横木，横木的一端系桶，另一端坠个石块。当桶向上提水的时候，由于运用了杠杆和坠石的作用，比较省力和方便。辘轳比桔槔又前进了一步，它主要是利用轮转原理进行提水，特别适用于深水井。但这两种灌溉工具都有一个共同的缺陷，就是只能间隔地由低处向高处提水，不能连续运动，因此效率比较低，也比较费力。马钧住在京城洛阳的时候，看到城里有一片地可以种菜，但是因为地势比较高，难以解决引水灌溉问题，为此马钧经过查阅古书，深入研究古代的灌溉工具，经过不断试验、探索，设计制造了一种新的灌溉机械——翻车。 　　据史书记载，在马钧以前的大半个世纪，东汉的毕岚曾经制造过一种翻车，但这种翻车是用来取河水喷洒道路的，能否用于灌溉，史书没有记载。而马钧所造的翻车则是可以直接用于农业排灌，它结构精巧方便，可连续不断地提水，轻快省力，连儿童都能转动，效率比其它提水工具高出许多。因此，翻车出现以后，受到社会的普遍欢迎，迅速得到推广，并沿用了1000多年，直到今天在我国一些地区仍然可以见到。在近代水泵发明之前，翻车是当时世界最先进的提水工具。后来经过历代劳动人民的不断改造、更新，又出现了以畜力、水力、风力等作为动力的牛转翻车、风转翻车和水转翻车，它对于灌溉农田、发展农业生产发挥了巨大作用。 　　马钧制造的翻车，因为当时缺乏详细记载，具体构造已经不得而知。元朝王祯《农书》中有关于翻车的明确记述，并绘有翻车图；清代麟庆所著《河工器具图说》记载了翻车的结构。由以上两书我们可知翻车大致结构为：车身用三块木板拼成矩形长槽，长槽长约2丈，宽约4到7寸，高约1尺；在长槽一端安装一个比较大的齿轮轴作主动轴，主动轴较长，两端各安四个拥木作为踏板；在木槽的另一端安装一个比较小的齿轮轴，两个齿轮轴之间装上龙骨叶板作的木链条，木链条上拴上串板，穿过长槽。使用时，使木槽斜置在水边，小轮轴一端浸入水中，人站在架子上，踏动拐木，带动大轮轴，串板就会在槽中刮水而上，到槽端将水排出，再沿长槽上端返回水中。这样就可以把水从低处送到高处，实现连续灌溉。 　　马钧制造翻车不久，有人给魏明帝进献了一种叫"百戏"的木制模型（相当于现在的木偶）。这个模型造型精美、设计巧妙，可惜已经不能活动。魏明帝就问马钧，能不能想法让他活动起来，并且要比以前更加巧妙，马钧很有信心地答道："可以"。于是魏明帝就让马钧对"百戏"进行改进。为此马钧对"百戏"的结构进行了认真的研究，并进行分解以了解了其中的每一个零件，同时参阅了历史上的有关文献，在此基础上确定了基本设想。马钧首先用一块木料做了一个大轮子，平放在地面上，用水力驱动旋转；然后在轮子上放置许多木人，设计一套传输装置使木人活动起来，表演各式各样的节目，如乐工们击鼓的击鼓，吹策的吹萧；歌女们或放声歌唱，或翩翩起舞等。马钧还设计出不同的模型，可以表演不同的节目。如山岳模型，只见有的木人在山间跳丸《古代一种杂技，以手搓丸，双手交替进行）、掷剑，有的则爬绳倒立，木人进进出出，一派山村娱乐形象，又有百官行暑模型，有的木人在春米磨面，有的则在斗鸡杂耍，动作复杂、灵活多变、栩栩如生。这就是古代有名的"水转百戏"。可惜这种机械已经失传，古代记载也比较简略，我们已无法知道它的具体结构和设计，但是可以设想，要使那么多的木人不断活动、变化，其中的机械结构一定相当复杂和巧妙，展示了马钧高超的设计思想和卓越的制造技巧。 　　马钧还善于制作兵器，有许多独到的设想，只可惜当时的统治者不重视，有不少设计未能付诸实施。当时，魏、蜀、吴三国之间经常打仗，有一次，诸葛亮率兵攻打魏国，使用了一种新式连弩，可以连续发射几十支弩箭，威力比旧式大许多倍，魏军感到颇为惊奇。后来魏军捡到一支，让马钧观看，马钧看了之后认为：虽然连弩很精巧，但不是最好的，还有改进余地，如果他来进行改革，效率还能提高5倍，只是马钧因故未能实施制作。三国时官渡之战，曹操曾使用一种发石车攻击袁绍的阵地，这种发石车可以抛出大石块攻击敌人，有一定威力。但是这种发石车也存在某些缺陷，如速度较低，只能单发，不能连续射出等，因此如果敌方在城楼上挂起湿牛皮，就能拦住发石车抛出的石块。因此马钧对此进行了改进，设计了一种新的攻城机械——轮转式连续抛石机。他打算制造一个竖直绕轴转动的大木轮，在轮子的边缘用绳子拴上几十块大石头，然后用机械带动大轮迅速旋转，轮边的悬石也跟着一起旋转，等到旋转速度很大时，切断系石的绳索，石块就会连续不断发射出去，攻击敌人的城楼，使敌方来不及防御。马钧曾经用车轮和几十块砖瓦做试验，在车轮边拴上石块，结果砖瓦连续飞射几百步远（1步合1.45米左右），威力很大，这证明他的设计是可行的。但是这种设计却遭到地图学家裴秀的讥讽和发难。马钧的朋友、文学家傅玄很赏识他的才华，支持和理解他的设想，并为他多方活动，希望能找到一个支持马钧进行试制的机会。傅玄向安乡侯曹羲推荐了这一发明，但是曹羲以马钧不善言辞，讲不出其中的道理而加以拒绝；傅玄又进行了耐心的劝说，说道："马钧先生制造的是国家需要的精利兵器，官兵正等着急需，只要费一点木材，找两个人就能制造出来，何不试验一下，以免埋没了有用的东西。"在傅玄苦口婆心的劝导下，曹羲才接受了这个建议，并把情况转告给主持军事的武安侯曹爽，但是曹爽却没有理睬这件事。所以马钧的设想始终未能变成现实，这是令人遗憾的。为此马钧的好友傅玄感叹道："试验一下，本来是极容易的事，可是象马先生这样有名的巧人尚且不被重视，更何况那些怀才的无名之辈呢！后人一定要记住这个经验教训啊。"马钧在机械设计和制造方面的才能当时就已闻名于天下，受到人民的钦佩。他的好友、文学家傅玄称赞他是"天下之名巧"，史学家裴松之为《三国志》做注时写道："时有扶风马钧，巧思绝世"。这是对马钧的恰当评价，在中国古代科学技术史上马钩是古代机械制造专家的杰出代表，他的功绩和名字将永载史册，为后人所铭记。