中国古代机械设计中的致中和思想及方法

中国古代机械设计中的致中和思想及方法
“中和”是中华民族独创的哲学观念和文化观念。

中国古代哲学家所创立的致中和的思想，体现了有中国特色的、整体的系统思想。

中和二字，最早见于甲骨文与金文之中。

北宋丁度等修<集韵>，引<说文>云：“中，和也。

”“和”中包含了不同事物的差异，矛盾多样性的统一，才能生物，才能发展。

中和二字，更有意指事物与它所处的环境而相联系的总体结构实现融会统一。

中国古代思想家形成的传统是：即使分别使用“中”、“和”二字，也都用以表达“中和”概念的总体内涵。

这体现了中华民族历来就有从整体上、总体上认识事物及发展规律的思想传统。

“致中和”是中国哲学的观念，最早见之于<礼记⋅中庸>第一章：“中也者，天下之大本也。

和者也，天下之大家达道也。

致中和，天地位焉。

”中国古代哲人认为，宇宙万物都有相生相克，它们之间的平衡，既有天然平衡，又有人为平衡，包括适当相克，反而相生，“损之而益”。

从哲学上讲，用一个字表述就是“和”，二个字就是“中和”。

“中和”所代表的宇宙万事万物的平衡状态，是客观的，而“致”是主观的努力，“致”就是要努力达到“中和”的目标。

“致中和”不仅是中国哲学的最高原则，也是中国古代工程技术思想的最高原则。

中国古代铁机械设计师们就是以达到“和”与“中和”为最完美的目标。

中和思想与致中国的思维方式是中国文化精神最为主要的特征之一。

“致中和”就是指在承认不同事物之矛盾、差异的前提下，把彼此不同的事物统一于一个相互联系又相互依存的整体之中，并在不同事物的中和过程中，吸取各个事物的优长而避其短，使之达到最佳的组合，由此促进新事物的产生，推动事物的发展。

“致中和”不仅是中国文化的精髓，也准确、明白地表达了中国古代科学思想、技术思想及其设计方法的本质。

这在古代大量涉及工程技术的典籍中，得到了较多的体现和论证。

如<盐铁论>中有“吏明其教，工致其事，刚柔和，器用便。

”工具制作与安装得宜，使用起来就很方便，和作为合宜之义用。

<淮南子⋅山训>中有“毂强必以弱辐，两坚不能相和”，说明车毂与辐条的装配，须采用不同硬度的材质，才能使之配合紧密，和作为适应之用。

如此之例，不胜枚举。

<周礼>之<冬官⋅考工记>也是十分重视中和价值的古代工程制造专著。

它以国家最高的技术文件的形式，说明技术状态，其所载五材30工的制作制度与标准就体现了“致中和”设计的思想与方法。

机械设计所涉及的技术门类甚多，综合各门专业而具有整体特征是机械工程技术突出的特色，重视“致中和”的价值，保证制作过程的完满和谐，才能使机械的制造达到“材美、工巧”的要求。

<考工记>提出了“天有时，地有气，材有美，工有巧，合此四者，然后可以良”的设计目标。

而其中“辀人为辀”则提出相应的设计准则和质量要求：“辀注则利，准则久，和则安，辀欲弧而折，经而无绝。

”这里，“和”为调和之意。

“轮人为轮，斩三材必以其时，三材既具，巧者和之。

”和之，是指各部件的安装达到和宜、适中的要求。

“弓人为弓，取六材必以其时，六材既聚，巧者和之。

”此“和之”是指制造弓时要按不同的季节进行，不能违背取材的规律。

宋应星的<天工开物>的总旨虽“贵五谷而贱金玉”，但其论述明代的冶金的金属加工的内容几乎占了全书的四分之一。

其中灌钢的生产工艺可以说是变不和为和的“致中和”思想在冶铸生产中的实例。

“生熟相和，炼成则钢。

”宋应星这一句精辟的概括，对“和合”思想及炼钢工艺，是一种及其生动的描述。

中国古代机械设计“致中和”思想及其方法是成功的范例，无疑要属1978年在湖北随州擂鼓墩曾侯乙墓出土的曾侯乙编钟了。

曾侯乙编钟共计65件，钟架构件和钟挂件246件，它以数量之多，铸造之精，音律之全，音色之美，而备受世人的关注，也为人们研究古代音乐及青铜器提供了无比宝贵的实物资料。

曾候乙墓出土的编钟群就是用于演奏的乐钟，古之乐钟之所以是应用“致中和”思想和思维方式的结果，是因为各种制造技术和生产工艺，不
论其难度如何，其目的都是必须服从于钟的音准与音调这个“和”的目标。

制造过程中各道工序，无论设计尺寸、冶炼、铸造，还是冷加工、热处理，它们之间既是相互联系、又是相互制约的，设计者必须具有将制造过程的各道工序有效地组织成为一个有序的整体，并严格按照要求施工。

这样，才能完成设计的目标，不然，毁钟更铸。

<吕氏春秋⋅仲冬纪>、<淮南子⋅修务训>均有古人论此的记载，反映了中国古代乐钟设计过程中以音准和音调为出发点，而制造过程所涉及的机械工程技术诸方面的工艺都是为这二者服务的。

古代设计师不仅要完成制作过程，还要严格按实际审听的准确度来衡量设计制造过程是否成功。

没有“中和”与整体的设计思想方法，是不可能完成这样复杂而严格的制造过程的。

编钟的制造过程是一项及其复杂的系统工程。

其难度之大、涉及的学科之广，可为先秦机械工程技术之最。

在它的设计中必须考虑制造的每一工艺过程与整体目标的结合，即要与演奏效果联系起来达到和谐一致的设计目的。

这其中有各种制造工艺、生产过程之间的联系和统一，也有科学技术与工艺之间的联系与统一，没有和合思想和整体的把握，就很难达到预期的效果。

同时，曾侯已编钟群的制作反映了先秦时期完备的机械工程技术语言，其设计所涉及的技术包括图学、冶金学、金属学、金属热处理、金属切削诸多方面。

它的设计制作不仅要预期单个编钟的音响，还要考虑到每一编钟在整体演奏中的效果，即必须符合整套编组乐钟中应发出的乐音。

曾侯已编钟，音律完备，音域宽达五个半八度，仅比现行大型钢琴少左、右各一个八度。

在中间通用的三个八度范围内，十二个半音齐备，可以旋宫转调，全套编钟的每个乐钟都能发出两个成大、小、三度音程的乐音，演奏各种乐曲。

1978以来对它的研究成果表明：以曾侯乙编钟为代表的古代乐钟的制造与调律技术经验，仍然是我们至今用现代科学技术都还达不到的水平。

学者们至今仍在思索编钟的振动和发声的规律，仍在研究一个钟能准确发出两个乐音——即一钟双音的原因，仍在探讨保证其理想的音色应如何选择合适的合金成分。

古之编钟究竟是如何从设计上达到一钟双音的目标呢？近二十多年来的研究表明，古编钟的设计者主要采取了以下的几个措施：(1)几何形状设计。

编钟独特的合瓦形结构，不仅提供了双音形成的条件和独特的音色，而且提供了音高的可调性。

合瓦形钟体与圆钟不同，它具有敲击时衰减快的效应，并且提供了与钟口长短轴成反对称的基频振动模式。

(2)化学成分设计。

编钟的金属材料成分是影响编钟声学特性的主要因素之一。

对曾侯乙编钟的研究表明，编钟的材料是锡青铜，并加有少量的铅。

这些铅是原生矿带入的，还是古编钟设计者有意加入的呢？经过研究，编钟的铅含量远远高于铜绿山古铜矿坑出土的孔雀石上共生自然铜铅含量的<0.001%，其他元素可以认为是作为杂质由原料带入。

曾侯乙编钟的铅含量在0.6-2.88%之间。

有关研究实验结果说明，铅对钟的基频影响很小，随铅量变化，各分音声级变化不大，但当铅含量达2.88%时，基音的声级有减弱的倾向。

这表明铅对试钟的音色影响很小，当铅含量过高，音色有变差的趋势。

而作为演奏乐器的乐钟，钟声的衰减特性很重要，钟声若衰减太慢，在演奏时势必互相干扰，影响演奏效果。

含铅的钟，就可以加快钟声的衰减速度。

无疑，在编钟的化学成分中加入的一定含量的铅，是古编钟设计者有意为之。

并且，设计者将其含量确定在1.2%~2.8%之间，既能保证钟声衰减较快以适应演奏的要求，又不导致音色变差。

“致中和”仅是中国文化的最高原则，也是中国古代机械制造技术及其设计思想的最高原则。

无论是<考工记>中“巧者和之”的论述，还是<天工开物>中“生熟相和，炼成则钢”的记载，都反映了古代机械制造所追求的“致中和”的目标。

而编钟制作所表现的礼乐精神，正是“致中和”思想的最为成功的范例。

编钟所涉及的科技与艺术等各个学科，互相渗透，相互制约，相辅相成，而达到浑然一体的目标。

曾侯乙编钟群是古代科学技术与艺术整体化的杰出典范。

它所表现出的永久魅力，也为我们今天机械设计的思想与方法提供了许多有益的启示。