平子讲堂丨机械制造之独木飞雕与土圭-南阳市张衡博物馆

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独飞木雕

1903年12月17日，美国人莱特兄弟驾驶着他们制造的飞行器“飞行者”1号，进行了人类历史上首次持续的、有动力的、可操纵的载人飞行。这是人类在飞机发展的历史中取得的巨大成功，从此，人类的航空事业揭开了崭新的一页。而在中国，我们的祖先很早就在飞行器的发展上进行着不懈的尝试和探索。春秋时期的墨子和鲁班已经造出能够翱翔空中的飞机模型——木鸢和竹鹊。

《韩非子·外储说左上》载：“墨子为木鸢，三年而成，蜚一日而败。”《韩《墨子·鲁问》载：“公输子削竹木以为鹊，成而飞之，三日不下。”西汉时，出现了被西方人称为“中国螺旋”的竹蜻蜓，为现代直升机的发明起到了巨大的启发作用，并有关于韩信制作风筝的传说。《事物纪原》第八卷风筝条目这样记载：“俗谓之风筝，古今相传云是韩信所作。高祖之征陈稀也，信谋从中起，故作纸鸢放之，以量未央宫远近，欲以穿地隧入宫中也。”这些都是我们的祖先对飞天梦想勇敢而有益的尝试。

张衡也曾在飞天的道路上做过有益的尝试，并制作了可见于文献记载的第一个具有动力装置的飞行器——独飞木雕。据《太平御览》引《文士传》云：“张衡尝作木鸟，假以羽翮，腹中施机，能飞数里”。

张衡本人在其文学作品《应间》中也说：“参（同叁）轮可使自转，木雕犹能独飞。”张衡的独飞木雕虽然没有留下可供参考的制作方法或图纸，其外形、结构、原理无从知晓，但从这短短的两句记载中，我们可以做出几个肯定的判断。首先，独飞木雕不同于风筝。风筝在空中时，空气流过风筝的上下面时因流速不同而导致了压力差异，这种压力的差异会产生一种向上的扬力，风筝正是靠这种扬力而飘浮在空中。但是，风筝必须由地面人员用绳索进行牵引，以达到受力的平衡，而一旦失去牵引，风筝就会失衡，产生倾斜、翻滚而跌落下来。而“木雕犹能独飞”则明显说明它不需要地面人员的牵引控制，是完全依靠自身在空中“独飞”。

其次，独飞木雕自身携带有动力装置。墨子、鲁班的“削竹木以为鹊”，是对鸟类外形上简单直接的模仿，是利用自然风的推力而升空或滑翔的。张衡在利用鸟类外形的基础上，并“腹内施机”，给木雕安装了一套机械动力装置，利用自身动力产生的升力而飞行的。这种动力装置，据专家研究，可能是利用了齿轮、轴承、弹性物体力学以及竹蜻蜓螺旋桨的原理。新中国成立后，考古界在陕西、安徽、河南等地发现了许多西汉中期以后的铜、铁齿轮和滚珠轴承、弩机等工具，在安徽亳州的曹操宗族墓中还发掘出了铜制鎏金的螺旋桨。这说明，东汉时候人们对于齿轮、滑轮、轴承、弹性物体等技术的使用已经相当普遍了。

那么，张衡利用齿轮系和弹性物体积蓄能量，并加以控制，使其能有规律地逐步释放，作用于类似螺旋桨推进器或扑翼飞行器上，从而产生空气动力来飞向高空，同时借用高空上升气流的作用，“能飞数里”是完全有可能实现的。这是投掷、弹射、无动力滑翔都不能达到的距离，只有依靠自身的动力才能够完成。另外，独飞木雕的材料、外形设计更适合于长时间远距离的飞行。它的外形如雕，增加了飞行器翼的受力面积，可以获得更大的升力，达到像雕一样强大的盘旋和滑翔能力。它的材料运用了羽翮，这是对“削竹为鹊”的进一步发展，可以达到减轻重量提高升力的双重作用。鸟的羽毛轻盈、光滑、弹性高、韧性强，还能够有效克服气体涡流阻滞现象，是当时最好的使用材料，这应该说也是我国古代对仿生学最早最为成功的实际应用。

参见《张衡“木雕犹能独飞”新探──兼论飞机的发明》一文，曹景祥撰，《南都学坛》1996年02期张衡发明的独飞木雕虽然仅仅“能飞数里”，但它不仅是我国，也是世界上已知的第一个携带有自身动力装置的飞行器，它揭开了人类征服蓝天的序幕。这之后，人类在实现翱翔天空的道路上一直没有停止脚步：

三国时期，军事家、政治家诸葛亮利用空气受热膨胀产生升力的现象发明了孔明灯，这是世界上最早的热气球。

14世纪末期，明朝的士大夫万户把47个自制的火箭绑在椅子上，自己坐在椅子上，双手举着大风筝，设想利用火箭的推力飞上天空，然后利用风筝平稳着陆。不幸火箭爆炸了，万户为此献出了生命，他是世界公认的“真正的航天始祖”。

1783年6月5日，法国人蒙哥尔菲兄弟制成了第一只热空气自由气球。同年9月19日，比拉特尔德·罗奇坎乘坐这只热气球在凡尔赛宫上空飘行了25分钟，完成了人类历史上首例载人飞行。

1903年12月17日，美国人莱特兄弟进行了人类历史上首次在机器驱动下可操纵的载人飞行，他们也被认为是现代飞机的发明者。

1939年9月14日，美国工程师西科斯基研制成功世界上第一架实用型直升机，成为现代直升机的鼻祖。

1961年4月12日，苏联宇航员加加林乘“东方号”宇宙飞船进入太空，是世界上第一艘绕地球轨道飞行的载人飞船。

1969年7月20日，美国“阿波罗11号”飞船载3名宇航员在月球着陆，第一次在地球以外的星球上留下人类的足迹。

正是有了许多像张衡这样勇于探索、勤于实践的伟大先躯，人类才得以冲出地球走向太空，在航空航天领域取得了一个又一个的辉煌成就。

土圭

张衡在担任太史令期间，为了天文观测的需要，曾经制作过一种计时仪器——土圭。《太平御览》引《义熙起居注》云：“（东晋义熙）十四年（418年）相国表曰‘平陈，获张衡所制浑天仪、土圭’”。

张衡本人也在《东京赋》中提到“土圭测景（同影，下同），不缩不盈。”土圭又称圭表，是中国最古老的一种计时器。其形制据《辞海》描述：“包括圭和表两部分。表是直立的标竿，圭是平卧的尺，表放在圭的南、北两端，并且同圭垂直。”这是土圭发展后的比较成熟、完善的形制，远比原始形制要复杂和精确得多。《周礼·考工记》所载则较为简单：“土圭尺有五寸。”

东汉末郑玄认为“于所平之地中央树八尺之皋”即为土圭，“圭长一尺五寸，夏至之日，竖八尺表，日中而度之，圭景正等，天当中也。”

1965年，在江苏仪征石碑村1号东汉墓出土一铜制圭表。其圭长34.5厘米（合汉制1尺5寸），表高19.2厘米（合汉制8寸），恰恰是郑玄所描述的传统圭表高度8尺的十分之一，当是一只可移动便携式圭表。安徽阜阳西汉墓出土的圭表复制件江苏仪征东汉墓出土的铜制圭表当代气象学家竺可桢认为：“公历纪元前七世纪，已采用土圭来观测日影。”

古人们通过太阳光照射在圭表上留下影子的长短来确定一个太阳回归年的天数以及二十四节气日。《周礼·春官·典瑞》云：“土圭以致四时、日、月。”土圭测日的方法，据《周礼·考工记》云：“置槷以县（同悬），胝以景，为规识日出之景与日入之景，昼参诸日中之景，夜考之极星，以正朝夕。”

郑玄对此进一步解释说：“于所平之地中央树八尺之皋，以县正之，胝之以其景，将以正四方也。”即用土圭所测日影的情况来确定东西南北的方位。据此可见，土圭不但可以确定二十四节气和一个太阳回归年的长度，同时也具有正方位的功能。由此看来，张衡在《浑天仪注》中诸如“冬至……日最短，夜最长，景极长”、“夏至……日最长，夜最短，景极短”、“秋分……景居二至长短之中”等关于二十四节气日时日影长短的描述，当与其制作并使用土圭进行长期观测密不可分。

END

编辑 | 陈枳佑

校对 | 付会军

审核丨黄迎光

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