《奇器图说》和《欧洲天文学》中的欧洲农业机械


张柏春
(中国科学院自然科学史研究所,北京,100010)

The European Agricultural Machinery in Collected Diagrams and Explanations of Wonderful Machines of the Far West and Astronomia Europaea
Zhang Baichun
(Institute for the History of Natural Sciences, CAS, Beijing, !00010)


     The European missionary introduced the western agricultural machinery into China in the 17th century. Johann Terrenz and Wang Zheng translated and compiled Collected Diagrams and Explanations of Wonderful Machines of the Far West in 1627, which depicted dozens of agricultural machines. Some of them are, for Chinese at that time, quite new. Ferdinand Verbiest wrote Astronomia Europaea, in which a donkey-driven water-lifting device was explained. Verbiest used to make this kind of machine in Beijing before 1680.

一、引言

    明朝末期,欧洲传教士进入中国内地。为了开拓宗教事业,他们将欧洲的科学、技术和艺术等介绍给中国人。

    中国技术专家的务实精神有助于他们接受来自欧洲的文明。陕西泾阳人王徵(1571-1644)怀着济世利民的思想,热衷于构思各种奇巧的机械。他较早地接触了欧洲传教士和天主教,并请瑞士人邓玉函(Johann Terrenz,1576-1630)帮助编译传教士带来的有关欧洲机械的书籍,于天启七年(1627年)正月完成《远西奇器图说录最》三卷。同年七月,《奇器图说》和《诸器图说》合刻于扬州。

    过去,有许多中外学者研究过《奇器图说》及其作者的生平,澄清了很多问题,尤其是考证出了它的资料来源。然而,大多数研究者一般并不深究技术细节。由于查不到欧洲原著,不少中国学者不易准确辨别王徵和邓玉函所描述的某些机械,或者回避了一些重要问题。本文试图在前人工作的基础上,逐一对《奇器图说》卷三里的农业机械做进一步的技术分析,尽量为读者提供欧洲原著的机械图,以便对照。

     比利时传教士南怀仁(Ferdinad Verbiest,1623-1688)于1658年来到澳门,1660到北京的钦天监供职,后来深得康熙帝的信任。当代学者熟悉南怀仁为清朝修历、造仪器、造炮等活动,但似乎未注意他在农业机械方面的作为。本文将述及南怀仁的水车。

二、《奇器图说》中的农业机械

    《奇器图说》卷三着重介绍那些"最切要、最简便、最精妙"的54种实用机械。惠泽霖(H. Verhaeren)发现,《奇器图说》第三卷多采自意大利人拉梅里(Agostino Ramelli)的《论各种工艺机械》(Le Diverse e Artificiose Machine del Capotano,1588)[1]。李约瑟(Joseph Needham)等学者又考证,《奇器图说》的部分内容还取自贝松(Jacques Besson)的《数学和机械工具博览》(Threatre de Instruments Mathematiques et Mecaniques,1578)、费冉提乌斯(Faustus Verantius)的《新机器》(Machinae Novae,1615)、宗卡(Vittorio Zonca)的《机器和建筑的新天地》(Novo Teatre di Machini e Edificii,1607&1621)等书[2]。查对拉梅里《论各种工艺机械》的英文译本(The Various and Ingenious Machines of Agostino Ramelli),我们发现,王徵根据邓玉函的口译,将原文意译成中文,抄绘了原图,并把图中的人物均改画成了中国人的样子。由于不熟悉欧洲的绘图法或理解有误,抄绘的图的质量较原作差,甚至出现了大的差错。

    在《奇器图说》卷三中,有26种图说属于农业机械:
    取水第一图(图1),是三个叠接的龙尾车,由一个立式水轮驱动。王徵复制了拉梅里的螺旋式水车图(图2)[3],但没有画全墙体部分。水轮(甲)如同中国的筒车,它的水戽(戽斗)将水提到高处,流入第一个水槽(乙)中。水轮轴的另一端装有齿轮(丙),该齿轮与小鼓轮(庚)的齿啮合,驱动龙尾车(丁),将第一个槽里的水提升到第二个水槽。龙尾车(丁)上端的齿轮(辛)与另一齿轮啮合,带动龙尾车(戊),将水从第二个水槽提升到第三个水槽里。龙尾车(戊)上端的齿轮与另一齿轮啮合,带动龙尾车(己),将水从第三个水槽提升到第四个水槽里。有关龙尾车和恒升车的构造,王徵请读者参考《泰西水法》[4]。
    取水第二图(图3),是拉梅里描绘的另一种螺旋式水车,由一个卧式水轮驱动的三级龙尾车[5]。水轮的立轴上装着三个齿轮,每个齿轮都驱动一个龙尾车,将水逐段提升到高处。在龙尾车穿过水槽的地方,加装空筒。空筒套在龙尾车外边,与水槽底板密接,以防漏水。与中国传统水轮不同,它的叶片外端弯曲,如杓状。
取水第三图(图4),为人力恒升车,即活塞式水泵。人摇飞轮上的手柄,飞轮上的曲柄带动连杆和摇杆机构,驱动恒升车的活塞杆做往复运动。王徵或邓玉函很可能误解了拉梅里描绘的传动机构(图5)[6],将铰接在井架上的摇杆错画为两根分别与井架铰接的连杆,以致于整个装置无法工作。
    取水第四图(图6),也就是荷兰塔式风车驱动的水车。将两根长筒竖立在井里,使其下端进入水中。以索连接诸皮球,成连珠状的环。球环穿过长筒,绕过筒底的轴和风车的卧轴。"盖以风轮转轴,轴转皮球之索,递从筒底轴递转而上,递塞其水直从筒中递涌而上,而后吐之井上池中也。"[7] 王徵对技术细节的描绘不及拉梅里的原作(图7)[8]。实际上,它是将水提到了塔顶的水槽里。
    取水第五图(图8),实际上是一组鹤引,原图是拉梅里的作品(图9)[9]。长水槽前宽后窄,前端安一木杓,后端用两根绳子吊一块木板。长槽中间的水平轴被架在水池边上。池外的人放开窄端,木杓沉入池中;木杓装满水后,人踏上木板,压下长槽的窄端,木杓里的水升高并沿长槽流出池外。王徵指出,这种引水工具与他设计的鹤引相合,但木杓的设置更妙[10]。
    取水第六图(图10),是一种比桔槔复杂得多的机械:
"先为四方立架,视天平杆两端水筒所至高处覆水为度,如甲。其下于架之中央水中用方石安铁窠,如乙。中为立柱,下有铁钻。立柱下端安立板大轮,如丙;少上安半规斜轮,一角渐次而下,一角渐次而上,如丁。于半规轮之上,另有枢轴在下半规轮中央,如戊;其枢轴少上,中间开长孔,横安转轴如已,以贯天平杆之中心,使之可上可下;枢轴上端则安架之上梁,勿令动也,如庚。再于天平杆两畔近半规轮上弦行处,护以圆木如辛,或护竹皮,使其滑泽无滞。其天平杆两尽头处各安戽筒如壬,但须于杆旁横安小杆,系筒如癸,始无碍于杆身而覆水槽中之为便耳。"[11]
它的工作过程是,卧式水轮(立板大轮)带动圆锥凸轮(半规斜轮)转动,凸轮工作面(上弦)交替地推升天平杆的左半段和右半段,带动两只水筒交替地提水至高处的水槽中。这完全是贝松的设计(图11)[12]。
    取水第七图(图12),类似于鹤引,只是传动机构有所不同。大木杓铰接在水中的支架上,杓柄为出水口。杠杆的一端吊住木杓的横杆,另一端吊着绳索。绳索的下边系着带一系列孔的木板。操作者将木棒穿入板孔,向下拉绳索,木杓舀起池中的水,再沿杓的柄槽将水倒至高处。它和鹤引一样,适用于低扬程的提水作业。宗卡的书中有此图[13]。
    取水第八图(图13),即人力双缸活塞式水泵:
"先为行轮,人行其中,如甲。行轮中轴两端各安曲拐,一边曲在上,一边曲在下,如乙。曲拐方孔之中杆上安滑车,如丙。于滑车贯处为立圈,下端定在恒升车取水杆头,如丁。行轮转动,两旁自然一低一昂,水可递引而上矣。"[14]
人在轮内踏行,产生力矩,转动两个对置的曲柄(曲拐),曲柄驱动着恒升车的活塞作往复运动,两个恒升车交替提水。它的传动机构属于曲柄移动导杆机构。对照西方原图(图14),活塞泵的结构、曲拐和活塞的关系都被画错了[15]。
    取水第九图(图15),是一种水泵。先制作圆柱形星轮(甲),"齿间中与齿相等亦作圆孔,与大星光芒四射相似"[16]。在星轮之外套制鼓箱,务使星轮两旁与轮周齿端圆处紧靠鼓箱圈板。鼓箱底部开一小孔,以入水。鼓箱上面开一方孔(丁),中安一方屑,小滑车(戊)使方屑易上易下。于方屑方孔之前开孔,向上斜安孔筒(庚),以便出水。人摇曲柄(辛),带动星轮旋转,水从鼓箱下面的小孔进入箱内,被星轮的齿刮升,涌入斜筒流向高处。王徵的文字解说和图都不及拉梅里的原作清楚(图16)[17]。星轮的齿向上刮水。方屑的下端紧贴星轮的缘面,形成阻挡面,使刮上来的水沿斜筒向上流去(图17)[18]。
    转磨第一图(图18),就是拉梅里描绘的人力磨(图19)[19]。它的驱动原理与取水第八图相近。与人踏行轮类似,扶梁(乙)的人踏动斜置的带辐条的大轮(斜轮,甲),斜轮下的齿与轮下的鼓形齿轮啮合,再通过卧轴另一端的一对齿轮驱动磨盘,"用力少而人不大劳"。
    转磨第二图(图20),也是人力磨。人踏行轮,通过齿轮传动机构,带动一对磨。较大的行轮可容纳二人并行,产生较大的动力。王徵大概是参考了拉梅里的一幅图(图21)[20]。然而,两者的布置方向却不同。在王徵的图里,两个对称鼓形齿轮的轴横穿行轮,使得行轮不能连续转动。这显然是抄画者的错误。
    转磨第三图(图22),是选自拉梅里著作里的人力磨图[21]。磨盘的枢轴的中段是铁曲拐(曲轴,甲),曲拐上套着木杆的一个转环,木杆的另一转环(丁)套住摇杆,人推拉摇杆(戊),使枢轴和磨盘连续转动。如果磨重,则可再增加一节曲拐,再用一人推拉另一摇杆。枢轴下端安十字木杆,杆末装铅柁(乙),起到了飞轮的作用。
    转磨第四图(图23),属于拉梅里设计的人力磨[22]。二人推转立轴上的绞车,通过滑轮组将垂重升至一定高度,然后放开绞车;垂重在重力的作用下下降,拉动绳索,绳索又拉着立轴上的大辘轳转动;经过齿轮传动,辘轳带动磨盘旋转。在译《奇器图说》之前,王徵曾设计过用垂重驱动的"自转磨",但不知道利用滑轮组使垂重缓慢下降。
    转磨第五图(图24),宗卡的畜力磨图(图25)[23]。在四轮马车的前后各装一磨,每个磨盘的立轴上装一齿轮。在两磨之间安装一卧置的大齿轮,同时与两个磨盘轴上的齿轮啮合。大齿轮的立轴上端接横梁,梁端接立柱。当车停下后,两匹马各拉一立柱,绕车行走,驱动磨盘旋转。王徵认为,若设两根十字横梁,则可装四叶风扇,此磨就成了风磨。
    转磨第六图第十二图均见于费冉提乌斯的著作[24]。第六图(图26)画的是人力磨。它的驱动装置是一个大轮,轮周安横桄(甲)。轮轴的两端各安齿轮,齿轮与磨盘的齿轮啮合。用三人手攀固定的横梁,足踏轮周横桄,则两磨转动。若只用一磨,则只须一人踏轮。
    转磨第七图(图27)为风力磨图。一架风车带动两个磨。风车的立轴上安两层十字横桄,横桄的端部用立档连接起来,四根立档上各挂一大方布框(叶片,丁)。"布框可展可收,向风吹处则自然展开,受风过则自收,递展而递相受风,故两磨可自转也。"[25] 风车上似乎漏画了控制叶片张合的结构或绳索,不及费冉提乌斯的原作精细[26]。叶片的张合功能在本质上与中国的立轴式风车相同。
    转磨第八图(图28)也是风力磨图。风车采用了四个硬板式叶片,即用薄木板拼出的强度较高的叶片,冉提乌斯描绘的结构更为详细[27]。它的齿轮转动装置"悉是常法",但较第七图复杂。鼓形齿轮在此又叫做"灯轮"。
    转磨第九图(图29),仅描绘了风车。在一个大平轮的下面吊挂着一系列的叶片(风扇)。叶片在迎风时张开,逆风时被风吹得折向平轮[28]。
    转磨第十图(图30),也是省去了磨的风车图。它基本上是将第九图的风车上下倒置了。费冉提乌斯的描绘使人更容易理解这种风车的工作过程(图31)[29]。
    转磨第十一图(图32),即风车图。磨在下层,风车在上层。在立轴上装十字相交的木板,构成硬叶片的风车。叶片周围有四面墙,"每面少开一方,以受风入"。受墙上开口位置的限制,这种风车难以利用好各个方向的风。
    转磨第十二图(图33),是较第十一图复杂的风车图。风车叶片增至8面,围墙改为圆形。
    转磨第十三图(图34),出自1430年欧洲工程师的设计[30]。它的曲拐、飞轮机构、驱动原理与转磨第三图类似:
"余俱如常。惟于转磨枢灯轮之立轴安长铁轴,于架外作曲拐方形如甲。于铁轴尽处定安十字木,两头悉是铅柁,使重而易转,以助人力,有如飞轮。于曲拐方形转处贯以铁环,两端各系以索,其索一端系木杆中环上如乙,其杆下端则定在地上有环可转如丙。两人对曳其杆,一来一往,则飞轮助力,磨之转甚便且省力也。视人周行磨外,节劳不啻数倍矣。"[31]
    转磨第十四图(图35)、转磨第十五图(图36),都未配解说文字,图上标注:"览图自明,不更立说。"后者的动力来自下部的水轮。前者是贝松和费冉提乌斯描述过的风力磨[32],风车的多面导风斜板的布置如图所示(图37)[33]。
    转碓之图(图38),描绘了欧洲式的人力碓[34]:
"先为架,安碓或一或二或三或四如甲,下各以臼承之如乙。次为飞轮,中大外小,共三轮如丙。飞轮长轴两旁各出架,外安曲柄如丁。轴之两旁安小铁椿,相错上下如戊。其铁椿相对每碓各有擒碓枝之桔槔小杆如已。一碓两碓,一人从一旁转轮,则碓自然上下。如碓多则两旁两人转之自足也。"[35]
这种碓的工作原理与中国传统碓基本相同,但它的碓(杵)装在立杆上,杠杆(碓枝)的一端拨动立杆,杠杆的另一端被卧轴的凸耳(桔槔之小杆)拨动。它的用途不限于农业。
    代耕之图(图39),以绞车为主要传动装置的人力犁:
"先为两辘轳架如甲。两辘轳系两长索,贯犁其中如乙。两人递转辘轳之索,一人扶犁,往来自可耕也。"[36]
绳架是固定的,犁架上装着绞车(辘轳),人扳转绞车,绳索拉动犁。与中国传统的犁不同,它的犁架上装两个轮子,贝松曾描绘过这种犁[37]。王徵"曾以臆想作此,不期与此图甚相合"[38]。

     《奇器图说》中的图与欧洲书籍里的原图的差距表明,当时中国在绘制机械图方面逊色于欧洲。对中国人来说,螺旋机构、塔式风车、圆锥凸轮机构、行轮、斜轮、曲柄移动导杆机构、离心式水泵、硬叶片风车、带轮子的犁等均属于新知识。这类技术是后世欧洲工业革命中的机械发明的基础。然而,文献很少记述中国人仿造欧洲式农业机械。

三、《欧洲天文学》中的农业机械

    1678-1680年间,南怀仁在《欧洲天文学》(Astronomia Europaea,1687)中描述了他按照皇帝的意思制造过一种欧洲式畜力提水机械[39]。它是一种带戽斗的水车,以一个直径超过12尺的大轮子为驱动装置。轮子的水平轴架在固定的支架上,轮子内有宽敞的空间,可容一头骡子或牛在它的内圆柱面(凹面)上攀行。牲畜向上行走的一小段距离与牲畜的自重产生了力矩,使轮子绕其固定的轴转动。它的工作原理与《奇器图说》里的取水第八图相同,只是牲畜取代了人。

     为了把握起见,南怀仁先让人制作了一个模型。接着,先后制造了两架轮径12尺的实用装置。一架安装在传教士住处的花园里,另一架则归皇家掌握。传教士花园的机械用于从井中提水,轮子里行走的是一头驴。在轮轴上套着一个铁环,环下吊挂着一根木衡,恰似一个天平。驴的笼头系在木衡的前臂,挽具系到后臂。在木衡的后臂暗装着配重。在配重的作用下,木衡的后臂向驴的后部下压;前臂升起,向上拉动驴头。驴在行走时,它的挽具也向下拉着木衡。这样,驴就像跟着牵驴人那样,不断沿着内轮面攀形。康熙帝来到传教士花园,很有兴致地参观了南怀仁装在那里的提水机械。一些官员看到了它,也想拥有这样的既实用又可用作消遣的机械。然而,我们至今未发现任何能够说明中国人仿造过这种机械的记载和其它证据。

四、结语

    为什么传教士介绍的一些技术在中国仅得到很有限的传播,没有发挥其应有的作用呢?这是非常复杂的问题。

     王徵、邓玉函、南怀仁所介绍的机械大多是中国人所不了解的设计。王徵等人的描述基本上是忠实于原作。但是,对于不熟悉欧洲技术的中国读者来说,有些描述是很不充分的。比如,取水第四图说对风车的描画和解释过于简单。实际上,塔式风车比较庞大,其构造、操作是比较复杂的。仅凭《奇器图说》的描述,中国工匠未必能轻而易举地仿造出较复杂的欧式机械。他们必须独立地摸索出解决具体技术问题的办法。相比之下,熊三拔(Sabbathin de Ursis,1575-1620)、徐光启(1562-1633)在《泰西水法》(1612年)中对龙尾车、玉衡车和恒升车的构造的描画和解释要详细得多。

     明清两朝的中国传统农业机械以人力、畜力、水力和风力为动力,基本上具备了《奇器图说》卷所描绘的那些欧洲机械的功能,差异在于具体的技术措施和功效。比如,中国普遍使用畜力磨和水磨,就不一定非要发展风力磨。中国风车主要用于驱动龙骨车。《奇器图说》卷三里的人力机械大多包括齿轮、连杆之类的传动机构,操作时省力但不省功。在对机械功率要求不高的情况下,中国人可能更愿意使用自己那些结构简便的人力机械,如辘轳、人力龙骨车等。

     能够看到南怀仁水车的中国人是很少的。我们不知道,究竟印刷了多少部《奇器图说》,有多少工匠能看懂此书又想效仿其中的设计?类似的问题有待再做专门的研究。


参 考 文 献:

1. 惠泽霖著,景明译,王徵与所译《奇器图说》,上智编译馆馆刊,第二卷(1947年)第一期。
2. Joseph Needham, Science and Civilisation in China, Vol.4, Part 2, Mechanical Engineering, Cambridge University Press, 1965, pp.211-225
3. Ramelli, The Various and Ingenious Machines of Agostino Ramelli, translated by Martha Teach Gnudi, Dover Publication, Inc. New York,1987. Plate 45.
4. 张柏春,明末《泰西水法》所介绍的三种西方提水机械,农业考古,1995年第3期。
5. Ramelli, The Various and Ingenious Machines of Agostino Ramelli, translated by Martha Teach Gnudi, Dover Publication, Inc. New York,1987. Plate 47.
6. Ramelli, The Various and Ingenious Machines of Agostino Ramelli, translated by Martha Teach Gnudi, Dover Publication, Inc. New York,1987. Plate 61.
7. 王徵、邓玉函,远西奇器图说录最,卷三,1627年,见:中国科学技术典籍通汇,技术卷(一),郑州:大象出版社,1996年。
8. Ramelli, The Various and Ingenious Machines of Agostino Ramelli, translated by Martha Teach Gnudi, Dover Publication, Inc. New York,1987. Plate 73.
9. Ramelli, The Various and Ingenious Machines of Agostino Ramelli, translated by Martha Teach Gnudi, Dover Publication, Inc. New York,1987. Plate 112.
10. 王徵、邓玉函,远西奇器图说录最,卷三,1627年。
11. 王徵、邓玉函,远西奇器图说录最,卷三,1627年。
12. Theodor Beck, Beitraege zur Gechichite des Maschinenbaues, Julius Springer in Berlin, 1899. p.201.
13. Joseph Needham, Science and Civilisation in China, Vol.4, Part 2, Mechanical Engineering, Cambridge University Press, 1965, pp.211-225.
14. 王徵、邓玉函,远西奇器图说录最,卷三,1627年。
15. Joseph Needham, Science and Civilisation in China, Vol.4, Part 2, Mechanical Engineering, Cambridge University Press,1965, fig.468.
16. 王徵、邓玉函,远西奇器图说录最,卷三,1627年。
17. Ramelli, The Various and Ingenious Machines of Agostino Ramelli, translated by Martha Teach Gnudi, Dover Publication, Inc. New York,1987. Plate 109.
18. Theodor Beck, Beitraege zur Gechichite des Maschinenbaues, Julius Springer in Berlin, 1899. p.226.
19. Ramelli, The Various and Ingenious Machines of Agostino Ramelli, translated by Martha Teach Gnudi, Dover Publication, Inc. New York,1987. Plate 123.
20. Ramelli, The Various and Ingenious Machines of Agostino Ramelli, translated by Martha Teach Gnudi, Dover Publication, Inc. New York,1987. Plate 124.
21. Ramelli, The Various and Ingenious Machines of Agostino Ramelli, translated by Martha Teach Gnudi, Dover Publication, Inc. New York,1987. Plate 128.
22. Ramelli, The Various and Ingenious Machines of Agostino Ramelli, translated by Martha Teach Gnudi, Dover Publication, Inc. New York,1987. Plate 130.
23. Theodor Beck, Beitraege zur Gechichite des Maschinenbaues, Julius Springer in Berlin, 1899. p.310.
24. Joseph Needham, Science and Civilisation in China, Vol.4, Part 2, Mechanical Engineering, Cambridge University Press, 1965, pp.211-225.
25. 王徵、邓玉函,远西奇器图说录最,卷三,1627年。
26. Theodor Beck, Beitraege zur Gechichite des Maschinenbaues, Julius Springer in Berlin, 1899. p.515.
27. Theodor Beck, Beitraege zur Gechichite des Maschinenbaues, Julius Springer in Berlin, 1899. p.516.
28. Theodor Beck, Beitraege zur Gechichite des Maschinenbaues, Julius Springer in Berlin, 1899. p.516.
29. Theodor Beck, Beitraege zur Gechichite des Maschinenbaues, Julius Springer in Berlin, 1899. p.517.
30. Joseph Needham, Science and Civilisation in China, Vol.4, Part 2, Mechanical Engineering, Cambridge University Press, 1965, pp.211-225.
31. 王徵、邓玉函,远西奇器图说录最,卷三,1627年。
32. Joseph Needham, Science and Civilisation in China, Vol.4, Part 2, Mechanical Engineering, Cambridge University Press, 1965, pp.211-225.
33. Theodor Beck, Beitraege zur Gechichite des Maschinenbaues, Julius Springer in Berlin, 1899. p.517.
34. Theodor Beck, Beitraege zur Gechichite des Maschinenbaues, Julius Springer in Berlin, 1899. p.280.
35. 王徵、邓玉函,远西奇器图说录最,卷三,1627年。
36. 王徵、邓玉函,远西奇器图说录最,卷三,1627年。
37. Joseph Needham, Science and Civilisation in China, Vol.4, Part 2, Mechanical Engineering, Cambridge University Press, 1965, pp.211-225.
38. 王徵、邓玉函,远西奇器图说录最,卷三,1627年。
39. Noel Golvers, The Astronomia Europaea of Ferdinad Verbiest, S. J. (Dillingen, 1687); Test, Translation, Notes and Commentaries, Sankt Augustin & Leuven, Steyler Verlag · Nettetal, 1993. 118-119.

"《远西奇器图说录最》中的欧洲农业机械"的插图说明:











《农业考古》, No.1, 2000年, pp.179-196。