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第三章 数理化成就（第1页）

机械工程史上的壮举——水排的发明

杜诗（？～38），字君公，河内汲县人，东汉官员及发明家。杜诗青年时期就才能出众，在河内郡（今河南武陟西南）任吏员时，人们赞扬他处事公平。光武帝初年，为侍御史。当时将军萧广放纵士兵，在洛阳民间为非作歹，老百姓惶恐不安。杜诗通告萧广约束部下，萧广不予理睬。杜诗下令按法诛萧广，并将经过情形向上汇报，得到表扬。建武七年（公元31年），杜诗迁升为南阳郡太守。当时南阳是全国冶铁中心，冶铁业的发展促进了水利事业的兴盛，杜诗在这方面也作出了很大成绩，促进了当地农业生产的发展。杜诗最大的贡献就是创造了利用水力鼓风铸铁的机械水排。

最初的鼓风设备叫人排，用人力鼓动；继而用畜力鼓动，因多用马，所以也叫马排。直到杜诗时改用水力鼓动，称水排。所谓“水排”，就是应用水力机械轮轴带动鼓风囊，使皮囊不断伸缩、给冶金高炉加氧的一种器具，用于冶金。这种装置，用力少，见功多，是我国冶金史上的一大改革，也是中国对世界冶金技术的杰出贡献。用水排代替人排、马排，大大提高了劳动生产率。古代每一熟石合一百二十斤。马排用马一百匹冶铁一百二十斤；改用水排，在同样的时间内，可以冶铁三百六十斤，提高功效三倍。[1]水排的发明对于生铁冶业铸的发展有着极重要的意义，不但节省了人力、畜力，而且鼓风能力比较强，因此促进了冶铁业的发展。水排在我国沿用了很长一个时期，直到本世纪七十年代，一些地方还在使用。

杜诗发明水排，一改中国冶炼鼓风装置靠人力和畜力为动力的局面，不仅大大提高了劳动效率，而且比欧洲早了1100年，是东汉冶铁技术的重大创新，在中国古代冶炼工艺发展史上具有里程碑的意义。由于杜诗的倡导，水排至迟在公元1世纪上半叶于南阳地区已较多地使用。杜诗同时也重视农业生产，修治陂池，广拓土田，使郡内民户殷实富足。当时人们就将杜诗与西汉南阳太官运亨通召信君相提并论，民间盛传：“前有召父，后有杜母。”

由同一时期的水碓和翻车结构推测，水排应该是一种轮轴拉杆传动装置，我国古代水排构造的详细技术最早见于元代的《王祯农书》，依水轮放置方式的差别，分为立轮式和卧轮式两种，并绘有图形。都是通过轮轴、拉杆及绳索把圆周运动变成直线往复运动的，以此达到起闭风扇和鼓风的目的。因为水轮转动一次，风扇可以起闭多次，所以鼓风效能大大提高。

水排的发明是中国古代机械工程史上伟大创举，对我们冶铁业的发展起到了巨大的推动作用，杜诗作为水排的发明者名流千古。

2。人类文明的曙光——火的发明

在人类发明人工取火之前，火的现象在自然界早就有了，火山爆发，有火；打雷闪电的时候，树林里也会起火。可是原始人开始看到火，不会利用，反而怕得要命。后来偶尔捡到被火烧死的野兽，拿来一尝，觉得味道挺好，人类才开始对火的使用产生兴趣。

远古时代的猿人常常群居在洞穴中，在有植物果实的季节，它们以采摘来的植物果实作为主要食物，而在植物凋零的季节，则以狩猎获得的食物为生。由于长期定居在洞穴中，就需要将大量采摘来的植物和猎获的动物携带回洞穴中食用，同时还会携带回大量的用于铺窝的柴草。这样就会产生大量的生活垃圾，经过多年的积累，这些大量堆积在通风不畅环境中的各种杂物，就会开始氧化发热，使温度逐渐升高，最终导致了垃圾堆内可燃物的自燃。

面对垃圾堆里突如其来的火焰，猿人们倍感惊奇。基于好奇心，他们小心翼翼的走到燃烧着火苗的垃圾堆旁边去察看，开始反复接触燃烧着的火。通过长期的观察和实践，猿人们逐渐发现火具有温暖身体的作用，如果向火中添加树枝、树叶，火苗就会加大，如果向火中扔进石块、沙土，火苗就会变小甚至熄灭，如果垃圾堆仅仅处于冒烟状态，扒开覆盖的杂物，就会让火苗燃烧起来。从此，猿人开始了有目的的用火，人类也从此诞生了。

经过多少次的试验，人们渐渐学会用火烧东西吃，并且想法子把火种保存下来，使它常年不灭，但这却是一件艰难的工作。遇上连绵阴雨天气，火不是淋湿熄灭，就是因没有干燥的柴草接续不上而熄火。火种一旦熄灭，人们就开始犯愁了，向邻近的原始群落去借火，但那时人烟稀少，谈何容易。要重新找到野火，不知又要等到何时。

后来，又经过一段漫长的岁月，人类的祖先在整修洞穴或制造石器的过程中，看到岩石碰撞有火星飞溅，又发现用黄铁矿石或赤铁矿石作锤子，敲击石英石或燧石时能产生较大的火花，这些火星、火花有时落到干枯的枝叶、乱草上会燃烧起来。人们还把坚硬而尖锐的木头，在另一块硬木头上使劲地钻，能钻出火星来，这就是钻木取火的来源。先民们从这些重复无数次的劳动实践中得到启发，明白了其中的因果关系，从而发明了撞击和摩擦取火的方法，这就是人工取火的发明。

关于钻木取火，还有一个很生动的神话故事：在人类发现自然火之后，很长一段时间都面临着保存火种的难题。人类开始思考：怎样才能不依靠天火自己制造出火来呢？有一天，远古人类的首领燧人氏到南边巡视，看见一只鸟正在啄大树的枝叉，啄着啄着，突然有磷磷的火光闪现。燧人氏立刻省悟，于是用锋利的石块往木头上钻孔，从而得到火种，他又教会人们烹饪，把食物放在烧热的石头上，烤熟了再吃，不要吃又腥又臊的生肉，百姓大获其利。

从利用自然火并保存火种不灭，到学会人工取火，人类第一次学会了控制这种具有变革物质的力量的自然力，是人类文明的一次大飞跃。恩格斯在评价这一伟大发明时指出：“就世界性的解放作用而言，摩擦生火还是超过了蒸汽机。因为摩擦生火，第一次使人支配了一种自然力，从而最终把人同动物界分开。”

3。书写史上的革命——造纸术

蔡伦（公元61～121），字敬仲，东汉桂阳郡（今湖南耒阳市）人。蔡伦从小到皇官里做太监，担任职位较低的职务——小黄门，后来得到汉和帝信任，被提升为中常侍，参与国家的机密大事。他还做过管理宫廷用品的官——尚方令，监督工匠为皇室制造宝剑和其他各种器械，得以经常和工匠们接触。劳动人民的精湛技术和创造精神，给了他很大的影响。

中国是世界上最早养蚕织丝的国家，古人以上等蚕茧抽丝织绸，剩下的恶茧、病茧等则用漂絮法制成丝绵。漂絮完毕，篾席上会遗留一些残絮。当漂絮的次数多了，篾席上的残絮便积成一层纤维薄片，经晾干之后剥离下来，可用于书写。但这种漂絮的副产物数量不多，在古书上称它为赫蹏或方絮。

蔡伦总结了前人造纸的经验，开始潜心研究造纸的方法。他认为扩大造纸原料的来源，改进造纸技术，提高纸张质量，就可以使纸张为人们所接受。蔡伦首先使用树皮造纸，树皮是比麻类丰富得多的原料，这样就使纸的产量有了大幅度的提高。但树皮中所含的木素、果胶、蛋白质麻类高很多，脱胶、制浆都比较苦难，这也促使蔡伦不断改进造纸的技术。毕昇发现，草木灰水有较大的碱性，用草木灰水制造纸浆造出来的纸张光滑、平实、易书写。

东汉元兴元年（公元105年）蔡伦把他制造出来的一批优质纸张献给汉和帝，汉和帝很称赞他的才能，马上通令天下采用。从此，蔡伦改进的造纸方法得以广泛推广。

造纸术的发明，是中国在人类文化传播和发展史上做出的一项十分宝贵的贡献，是中国史上的一项重大成就，对中国历史产生了重要的影响，也是人类文明史上的一项重大突破。

随着人们对造纸术研究的逐步深入，对造纸术的发明者产生了很多争议。

持否定造纸术是蔡伦发明的专家们认为，在史籍里，早在蔡伦以前，就有了关于纸的记载。《三辅旧事》上曾说：卫太子刘据鼻子很大，汉武帝不喜欢他。江充给他出了个主意，教他再去见武帝时“当持纸蔽其鼻”。太子听从了江充的话，用纸将鼻子掩盖住，进宫去见武帝，汉武帝大怒。此事发生在公元前91年。又如《汉书·赵皇后传》记载：汉成帝的宠妃赵飞燕的妹妹赵昭仪要害死后宫女官曹伟能，就派人送去毒药和一封“赫蹄书”，逼曹伟能自杀。据东汉人应劭解释，“赫蹄”即“薄小纸也”。

一种意见坚持认为，蔡伦是我国造纸术的发明者。理由是“根据汉代许慎《说文解字》中有关纸的解释，在蔡伦之前古代文献中所提到的纸，都是丝质纤维所造的，实际上不是纸，只是漂丝的副产品，自古至今要造成一张中国式的植物纤维纸，一般都要经过剪切、沤煮、打浆、悬浮、抄造、定型干燥等基本操作。所谓西汉古纸，充其量不过是纸的雏形。蔡伦及其工匠们在前人漂絮和制造雏形纸的基础上总结提高，从原料和工艺上把纸的生产抽调到一个独立行业的阶段，用于书写，这才是真正的纸。”

4。印刷术的革命——活字印刷术

活字印刷术是北宋平民发明家毕昇发明的，毕昇是北宋中期的一个普通平民知识分子，当时人称布衣。他总结了历代雕版印刷的丰富实践经验，经过反复试验，在宋仁宗庆历年间（公元１０４１～１０４８）制成了胶泥活字，实行排版印刷，完成了印刷史上的一项重大革命。

毕昇发明活字印刷术的灵感来自于两个儿子玩的“过家家”游戏。有一年清明节，毕昇带着妻儿回到家乡祭拜祖先。在乡下，两个儿子玩得不亦乐乎，他们从田间挖来泥巴，做成了锅、碗、桌、椅、猪、人等泥雕，随心所欲地摆来摆去。当时，毕昇正为了改良印刷术而发愁，眼前儿子们捏的泥雕让毕昇眼前一亮。当时他就想，我何不也来玩过家家：用泥刻成单字印章，不就可以随意排列，排成文章了吗？这个发现让毕昇兴奋不已。回到家中，毕昇就开始了活字印刷术的第一场实验。

毕昇的方法是这样的：他先用胶泥做成一个个规格一致的毛坯，在一端刻上反体单字，字划突起的高度象铜钱边缘的厚度一样，用火烧硬，做成单个的胶泥活字。为了适应排版的需要，一般常用字都备有几个甚至几十个，以备同一版内重复的时候使用。遇到不常用的冷僻字，如果事前没有准备，可以随制随用。为便于拣字，把胶泥活字按韵分类放在木格子里，贴上纸条标明。排字的时候，用一块带框的铁板作底托，上面敷一层用松脂、蜡和纸灰混合制成的药剂，然后把需要的胶泥活字拣出来一个个排进框内。排满一框就成为一版，再用火烘烤，等药剂稍微熔化，用一块平板把字面压平，药剂冷却凝固后，就成为版型。印刷的时候，只要在版型上刷上墨，覆上纸，加一定的压力就行了。为了可以连续印刷，就用两块铁板，一版加刷，另一版排字，两版交替使用。印完以后，用火把药剂烤化，用手轻轻一抖，活字就可以从铁板上脱落下来，再按韵放回原来木格里，以备下次再用。

在毕昇发明活字印刷术之前，人们普遍使用的印刷方法是雕版印刷。即在一定厚度的平滑木板上，粘贴上抄写工整的书稿，稿纸正面和木板相贴。雕刻工人用刻刀把版面没有字迹的部分削去，就成了字体凸出的阳文，和字体凹入的碑石阴文截然不同。印刷的时候，在凸起的字体上涂上墨汁，然后把纸覆在上面，轻轻拂拭纸背，字迹就留在纸上了。雕版印刷对文化的传播起到了重大作用，但是它也存在明显缺点∶第一，刻版费时费工费料；第二，大批书版存放不便；第三，有错字不容易更正。

而毕昇发明的活字制版正好避免了雕版的不足。只要事先准备好足够的单个活字，就可随时拼版，大大地加快了制版的速度。活字版印完后，可以拆版，活字可重复使用，且活字比雕版占有的空间小，容易存储和保管，有错字也很容易改正。这样活字印刷术的优越性就表现出来了。

活字印刷术不仅能够节约大量的人力物力，还能够大大提高印刷的速度和质量。现代的凸版铅印，虽然在设备和技术条件上是宋朝毕升的活字印刷术所无法比拟的，但是基本原理和方法是完全相同的。活字印刷术的发明，为人类文化做出了重大贡献。这中间，我国平民发明家毕昇的功绩是不可磨灭的。

5。人类最早发明的计算器——算盘

传说，算盘和算数是黄帝手下一名叫隶首的人发明创造的。在黄帝时代有没有算账先生，先民们整天打鱼狩猎，制衣冠，造舟车，生产蒸蒸日上。物质越来越多，算帐、管帐成为每家每户每个人经常碰到的事。但随着物质的不断增多，结绳记事、刻木为号的办法已经无法处理越来越繁杂的账目问题。黄帝为此很伤神。

有一天，黄帝宫里的“会计”隶首上山采野果，突然发现扔在地上的山桃核非常好看。他拣起来一数，正好20个。他想：这十个桃核好比10张虎皮，另十个好比10只山羊皮。今后，谁交回多少猎物，就发给他们多少山桃核。谁领走多少猎物，就给谁记几个山桃核。这样谁也别想赖帐。他命人采集了各种野果，分开类别。比如，山渣果代表山羊；栗子果代表野猪；山桃果代表飞禽；木瓜果代表老虎、豹子……不论哪个狩猎队捕回什么猎物，隶首都按不同野果记下帐。谁知道各种野果存放时间一长，全都变色腐烂了，哪里还能分得出是山楂果还是栗子果呢？这下子，账目全混乱了，隶首气得直跺脚。

最后，他终于想出一种办法。他到河滩拣回很多不同颜色的石头片，给每块石片都打上眼，用细绳逐个穿起来。每穿够十个数或100个数，中间穿一个不同颜色的石片。这样清算起来就省事多了。但是，随着生产不断向前发展，获得的各种猎物、皮张数字越来越大，品种越来越多，不能老用穿石片来记账目。但隶首再也想不出什么好办法了。为此，他经常愁得睡不着觉。

有一次，隶首上山寻孩子，迎面碰上了岐伯、风后、力牧三位大臣上山采草药。看到隶首愁苦的样子，三位大臣就问他发生了什么事情，隶首如实相告。风后听明白之后，哈哈大笑，接着说：“你多准备几根绳子，一根记一个到十个，一根记十个到百个，再用一根记百个到千个，以此类推，有多少物品都记得下啦。你自己再慢慢琢磨琢磨。”随后三位大臣就下山了。隶首听后，刚开始还不大明白风后的意思。但他仔细一想，很快就明白了。

回到家中，他连忙作了一个大泥盘子，把石片每10颗一穿，穿成100个数的“算盘”。然后在上边写清位数；如十位、百位、千位、万位。从此，记数、算帐再也用不着那么多的石片了。算盘，中华民族当代“计算机”前身，5000年前就这样诞生了。

算盘是我国古代的一项重要发明，它的出现，被称为人类历史上计算器的重大改革，就是在电子计算器盛行的今天，它依然发挥着它特有的作用。算盘是长方形的，四周是木框，里面固定着一根根小木棍，小木棍上穿着木珠，中间一根横梁把算盘分成两部分，每根木棍的上半部有两个珠子，每个珠子当五，下半部有5个珠子，每个珠子代表一。随着算盘的使用，人们总结出许多计算口诀，使计算的速度更快了。这种用算盘计算的方法，叫珠算。珠算计算简便迅捷，为我国商店普遍使用的计算工具。到了明代，珠算不但能进行加减乘除的运算，还能计算土地面积和各种形状东西的大小。

由于算盘制作简单，价格便宜，珠算口诀便于记忆，运算又简便，所以在中国被普遍使用，并且陆续流传到了日本、朝鲜、美国和东南亚等国家和地区。

6。古代数学发展的基础——《九章算术》