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程碧波:从《奇器图说》看现代力学与机械技术的中国起源,暨来华七千部西方著作真相探寻

已有 5692 次阅读 2020-9-3 08:47 |个人分类:纹明|系统分类:科研笔记| 奇器图说

明朝天启7年,也即耶元1627年,我国出版了《奇器图说》。《奇器图说》是一部将力学原理与机械技术合而为一的著作,是现代力学和机械技术的基础。全书共分四卷。第一卷为绪论,介绍力学的基本知识和原理,并分别讨论了地心引力、各种几何图形的重心、各种物体的比重等,浮力原理;第二卷为器解,讲述了各种简单机械的原理,如天平、杠杆、滑轮、轮盘、螺旋和斜面等;第三卷为机械原理应用,共绘有54幅图,包括起重、引重、转重、取水、转磨等,每幅图后均有说明;最后一卷为“新制诸器图说”,共载九器,包括虹吸、自行磨、自行车、代耕、连弩等。

《奇器图说》卷端题:“西海耶稣会士邓玉函口授,西景教后学王徵译绘”。《奇器图说》序中述及:“奇器图说乃远西诸儒携来彼中图书,此其七千余部中之一支。就一支中此特其千百之什一耳。”在《奇器图说》出版说明中说:“经过学术界几十年的研究,目前对于《奇器图说》的知识来源问题有了一个大致的结论,即:原书的第一卷和第二卷,主要出自斯蒂文的《数学札记》和圭多巴的《论力学》二书。此外,还可能参考了康漫迪诺、塔尔塔利亚和贝尼德蒂等人的作品。而原书第三卷的来源则更为复杂,其中‘文’的部分包含了贝松的《数学仪器与机器博览》、拉梅利的《奇异精巧的机器》、微冉提乌斯的《新机器》、蔡辛的《机器博览》以及宗卡的《机器新舞台和启发》诸书中的内容。‘图’的部分中,有二十幅来自拉梅利、十三幅出自微冉提乌斯、七幅出自贝松、十一幅出自蔡辛的作品。至于‘说’的部分,则同样来自于以上几位学者的著作。”

根据目前掌握的资料,《奇器图说》出版于耶元1627年,而《奇器图说》的资料重要来源《数学仪器与机器博览》(Threatre de Instruments Mathematiques et Mecaniques)出版于耶元1578年,《奇异精巧的机器》(Le Diverse e Artificiose Machinedel Capotano)出版于耶元1588年。从出版年代上看,如果《奇器图说》与这些西方著作有相似乃至相同的地方,的确应是《奇器图说》抄自后者。但是经过本文仔细研判,结论正好相反,事实上正是所谓出版于耶元1578年的《数学仪器与机器博览》、出版于耶元1588年的《奇异精巧的机器》抄袭了出版于耶元1627年的中国著作《奇器图说》。网友“长安今何在”提出了这个猜测,并进行了相关论证。本文对此猜测进一步深入论证以确定。

首先看耶元1627年《奇器图说》中的图1 

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《奇器图说》与《奇异精巧的机器》对比图1

1左边是中国《奇器图说》的图片,右边是拉梅利的《奇异精巧的机器》的图片。红色部分为本文作者添加。显然必有一者抄另一者。那么到底是谁抄谁呢?

从绘制水平来看,右边图形的绘制质量好于左边。从机械动力的布局流畅来看,右边图形也似乎比左边流畅。右边图中,动力从人手传到轮B,再传到轮C,轮C上缠着绳子,绳子经过轮J转向朝上,将动力传给轮E,轮E的旋转使得水桶H被提升。这个动力传导过程十分清晰。而左边《奇器图说》的图中,红色标注3处的绳子,与红色标注4处的绳子并不相连,动力无法传输。似乎左边的图形是错误的。

但是,有两个问题右边的图形无法解释:1、提水桶上的动力传送系统没有问题,但怎么把水桶放下去?2、轮K是做什么用的?在第一个问题中,如果操作者要把水桶放下井,就只能反向转动曲柄,使得通过轮B的反向旋转,使得轮C亦反向旋转。但轮C的反向旋转只能让绳子松弛,无法让绳子传递动力。而松弛的绳子距离水桶还要经过轮J和大轮E,只要这两个轮子稍微有点摩檫力,水桶的重力就无法牵动这两个轮子,因为放下去的水桶是空的,很轻,而轮6显然很大。因此水桶无法放下。在第二个问题中,轮K在地上有阴影,因此这是一个实体存在的轮子,其莫名其妙地搁在一旁,与谁都不连,用处何在?

回头来看左边的图形。由于轮4和轮2的绳子互不相连,因此其具有各自独立的动力来源。轮子2已经清晰地绘制出来,但是轮2上缠着的绳子被遮挡住了。轮4并没有绘制完,被遮挡住了,但是轮4与轮6之间的绳子是清楚的。因此左图事实上是轮1同时驱动轮4和轮2运动,使得轮4和轮2各自具有动力。轮4的绳子是拉水桶上来,那么轮2的绳子就应该是拉水桶下去。轮6上亦应有两条绳子垂下来,一条绳子连接轮4,一条绳子连接轮2。但是连接轮2的绳子亦被右边的立柱挡住了。由于左图中总有一条绳子为紧绷承受力量,所以水桶上升和下降均有动力。但仅仅解决水桶下降的问题还不够。由于绳子使用时间长了会被拉伸变形,导致绳子过长而无法紧紧勒住轮6,导致轮6打滑。所以此时就需要调整轮2和轮4的转速为不同步,从而可以勒紧绳子,解决轮6打滑问题。一旦绳子勒紧后,再恢复轮2和轮4的转速为同步。因此就需要使用变速轮。图左的轮5恰好就是一个变速轮,轮5上有一大一小两圈齿轮。变速轮5是对图中轮4被遮挡部分的描述,表示轮4是一个变速轮,不是说真有轮5孤零零地搁在那儿。后面我们将会看到,这是中国机械制图中,对被遮挡部分机械机构的通用表达方式。当然,仅仅一个变速轮4尚不能实现从轮1到轮4的运动方向的改变,但在《奇器图说》的本图之前不远处就是运动转向齿轮结构。见图2 

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耶元1627年,《奇器图说》:引重第二图

   图2就是转向齿轮的复杂机械结构。所以随即来转重第一图是很自然的。

变速轮5的作用还不仅仅是使得轮2和轮4不同步来勒紧绳子。轮2亦是变速轮5的结构,如果轮2和轮4同时变速,则整个机械的运动速度就可以改变。因此当提升水桶重物时,可以用慢档,放下空桶时,可以用快档。图1左边的机械装置可以换档变速,这样可以大大提高工作效率。而图1右边的轮K,并非变速轮,并且居然还在地上有影子,这说明图形绘制者认为它就是孤零零地搁在地上的。显然图形绘制者完全没有理解轮K是拿来干什么的。

再看图1左边的轮1,其上的齿比图1右边的轮B的齿要稀疏得多。原因在于,由于轮子磨损、绳子在轮子上缠得不均匀等因素,释放绳子的轮子与拉动绳子的轮子之间并不一定能保持完全同步。倘若拉动绳子过快而释放绳子过慢,而两个轮子的动力又都来自于曲柄,那么就会出现拉不动绳子、曲柄被两边的齿轮咬死的情况。所以图1左边的轮1上的齿相对稀疏,就是为了使得相互咬合的齿轮之间可以有一定的冗余空间,不至于咬死齿轮。而图1右边的轮B的齿轮很密集,与轮C的齿轮紧紧咬住,就容易咬死。当然,实际上图1右边的的系统中只有拉桶的动力而无放桶的动力,所以实际上不会出现齿轮咬死的问题。

在作者充分理解原理的前提下,亦可能出现某些绘制错误,但这种绘制错误是笔误,很容易看出来。而图1右边图形的绘制错误,显然是作者完全没有理解系统中各个部件的功能,亦不清楚在实践中如何才能实用,所以凭借纸上谈兵的想当然,来抄袭图1左边的图形。图1左边图形中所体现出来的实践微妙之处,是超越理论的,但又是不可缺少的。这使得图2右边的作者无法完整地抄袭。

因此,只可能是图1右边的作者抄袭图1左边的图形,而不可能是图1左边的原作者抄袭图2右边的图形。其实,只看单个部件的功能复杂性亦可以判断:将变速轮5抄袭成轮K是可能的,但将轮K抄袭成变速轮5则是不可能的。

可以看到,在耶元1588年《奇异精巧的机器》整本书中,以上错误是普遍性的。见图3 

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耶元1588年《奇异精巧的机器》

3中均是有提水桶的动力而无放水桶的动力的机械机构。由于图中轮子很大、绳子缠的匝数又多,很容易出现摩擦过大而放不下空水桶的情形。作者虽然没有理解提放水桶的原理,但是西方必然要对中国的图纸进行实践,实践中必然发现行不通,从而给出了不同于图1左边的解决方案。作者虽然未必理解新方案的必要性,但却将其记录了下来。见图4

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耶元1588年《奇异精巧的机器》

4就是西方对图1左边图纸进行实践后的改进方案。图4左边出现了轮3、轮4两个动力轮,产生提水桶或放水桶的不同动力。图4右边出现了78两个线圈反向缠在同一个轮上,从而使得轮的转向不同时,产生提水桶或放水桶的不同动力。然后西方将图1左边的大轮6改成两个相互隔离的大轮,不同动力轮的绳子固定在不同的大轮上,使得长期变形的绳子也不会打滑,这样就不必要像图1左边这样使用变速轮来勒紧绳子了。这种方法可以实用,其代价是多一个大轮,以及绳子会越来越松,而要换档则更不可能。

总的来说,图1中单个大轮6的场景下,变速轮5的意义何在,《奇异精巧的机器》的作者是没有搞清楚的。虽然西方的实践也必然证明图1右边的机械结构行不通,但作者并不真正理解这一点。再见图5: 

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《奇器图说》与《奇异精巧的机器》对比图2

有人认为图5左边《奇器图说》的图形绘制错误,理由是连接轮5和轮6的横杆1挡住了大轮2的转动。而图5右边《奇异精巧的机器》则是绘制正确的,因为大轮可以转动。但是仔细看图5左边的横杆1,其并没有与轮5和轮6相连,接口4非常清晰地显示了这点。再看固定横杆1的立柱3,此立柱3的脚是直接插在大轮的轮沿上的,并没有固定在地上。因此横杆1是随着大轮一起转动,自然就不存在说什么“横杆1挡住了大轮2的转动”的问题。那么横杆1是拿来干什么呢?答案是:1、图5左下方有一个人在踩着大轮,通过体重来使得大轮转动,从而驱动最上面的磨转动来研磨粮食。而横杆1就是此人应该踩的杆。为了避免遮挡图像,所以在人的躯体部分并没有画横杆,而是在人的头顶画出了横杆结构。可以看到大轮上有好几条平行的类似车幅条的杆,其与横杆1的立柱完全相同,很显然就是用来固定其它横杆的。2、这些横杆也起着加固大轮的作用。所以《奇器图说》的绘制是完全正确的。再来看图5右边《奇异精巧的机器》的图像,其虽然绘制的很精美,但却缺乏三个最基本的常识。1、其大轮的轮沿被全部封死,在轮子中的人完全看不到眼前有什么。其体验效果极差。真实的装置不可能这样。2、在磨好的两边粮食出口,竟然有两个极大的窗户78。粮食出口灰尘飞扬,麸皮等杂尘通过这么大的窗户进入大轮内部,操作大轮的人必然苦不堪言。只要有过基本农村经历的人都知道这将是多大的苦楚。更何况大轮还被封闭而不透气。而图5左边的图纸中,两边的粮食出口与大轮操作间是完全隔离的,粮食灰尘不会进入操作间。3、两个大窗相对,会形成穿堂风,磨好的粮食粉末会被风吹散。

而《奇异精巧的机器》中的所有图纸,均无换档装置,这意味着,这些机器提升重物的力量放大倍数越大,其提升速度越慢,而因为没有换档装置,所以放下空桶时,速度也越慢,工作效率极低。

综上所述,图5右边的图形,正是抄袭图5左边图形的结果。这也是缺乏实践经验,坐在书斋中想当然地抄袭的后果。

目前已知的对《奇器图说》中绘图不正确导致无法运行的指责,均为对图纸没有理解索致。本文不再赘述。

再见图6 

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《奇器图说》与《奇异精巧的机器》对比图3

  6两边均是风车提水装置。图6左边标注1处显然又是中国式制图的说明性图形,以说明“长筒直贯井底......筒中有索贯诸皮球”的构造,并非在这个地方孤零零地真实存在这么一个部件。而图6右边标注2处,则是真有这么一个部件孤零零地搁在地上,其重要标志是此部件具有在地上的影子,所以为真实部件而非说明性部件。图6右边图形有很多背景,此孤零零的部件亦是背景之一。倘若是《奇器图说》抄袭《奇异精巧的机器》,那也不能解释《奇器图说》为什么单单挑背景2而抄袭出来。因此也是《奇异精巧的机器》抄袭《奇器图说》而非《奇器图说》抄袭《奇异精巧的机器》。

再见图7 

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《奇器图说》与《数学仪器与机器博览》对比图4

7是通过最上面的人的摇杆转动,带动下面的箩筐传送带朝上运动,箩筐里面装有砂石。这如同今天的自动扶梯。网友“长安今何在”认为图7右边抄袭图7左边的根据是,图7右边的轮组47是安装在墙上,但却孤零零地与传动系统没有关系。而图7左边同样的轮组18事实上是一个说明性的图形,用来说明传送带顶部和底部的轮组结构,并非真正的轮组。所以《奇异精巧的机器》的作者并没有理解轮组47的作用,结论是《奇异精巧的机器》抄袭了《奇器图说》。“长安今何在”的此推测有一定道理,但并不能确定。因为图7右边的轮组47虽然非常规整,但却没有在墙上留下影子,而同一图中其它实物均有影子,所以《数学仪器与机器博览》的作者极可能也是把这两个轮组绘制成说明性图像而非实物。

本文认为,图7右边的图形真正存在的问题是三个。1、轮组4中,底部的大轮边缘是光滑的圆周而无齿。但图7左边同样的轮组1中,底部的大轮边缘有弧性的齿。而无齿的大轮是无法进行咬合的。2、图7右边的轮6与轮组4的大轮一样,操作者正摇着摇杆,摇杆带动轮6转动,从而带动传送带传动。问题在于:轮6和摇杆的组合是不必要的,因为直接在轮6上固定一个摇杆来转动即可。而图7左边的轮2与轮组1的大轮是不同的,轮2只是惯性轮。同时,图7左边图形中,摇杆的方向朝着左边有一定角度,从而为本图右边的铲土者留下开阔的操作空间。正是这朝左边转的角度,使得轮组1成为必要,因为轮组1就是以一定的夹角来转向的。显然,图7右边的图形中,转动传送带的操作者所转动的摇杆,已经侵犯了铲土人的操作空间,形成了相互的工作干扰。3、轮组1的大轮被隐藏在立柱里面。因此才有绘制轮组1的说明性图形的必要。而图7右边的轮6和摇杆均暴露在外,并无绘制轮组4的说明性图形的必要。

正是以上三个问题,决定了是《数学仪器与机器博览》抄袭《奇器图说》,而非《奇器图说》抄袭《数学仪器与机器博览》。

《数学仪器与机器博览》中亦有《奇异精巧的机器》里面放空桶的动力缺乏问题。见图8

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 耶元1578年,《数学仪器与机器博览》

8的轮组结构中,将装满沙土的桶从地上提上去是没有问题的。问题在于,当操作者反向转轮试图将空桶放下来时,图8中红色标注1处的绳子就软了,单凭空桶的重量必须拉动轮24和比人还高的大轮3转动,才能从高空返回地面,这就有困难。如果将空桶设计得很重,那么在提升沙土时,效率就极为降低。

事实上,已经有网友指出,西文Machine”应该就是“ma()”与“china”的组合,亦即“中国磨”。

从社会工程来看,只有中国古代产生了隋唐大运河、都江堰、万里长城、盐井等伟大的工程,最早拥有车弩、云梯、抛石机等器械,最早拥有水运天文钟、纺织机,中国亦是最早成建制建立火器军队的国家。实现《奇器图说》中的技术不足为奇。

  综上所述,《奇器图说》的核心内容毫无疑问是中国本土所著。中国本土的部分官员与传教士合作,将其篡改为传教士所著,并将其寄回西方,在西方产生了大量的抄袭作品,这才是历史的真实。而传教士所谓从西方携带七千部书来中国,实际上极有可能是将七千部中国书籍篡改为西方著作。这也是明朝覆灭的重要原因,所以崇祯临死前说:“朕非亡国之君,臣乃亡国之臣”,虽有美化自己之嫌,却亦并非毫无根据。明灭之后,传教士的地位进一步提升,全面获得对中国文化典籍的实际控制,篡改中国书籍获得了空前的便利。事实上,我们应该思考的是:传教士们去美洲、非洲和印度,为什么不带这七千册西方著作去给当地人呢?

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