中国古代长度计量单位的演变及在仪器制造中应用初探_张俐

中 国古 代长 度计 量 单位 的演变及 在仪器 制造 中应 用 初探

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陈志 同

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北 京 航 空航 天 大学 机械 工 程 及 自动化 学院 北京

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一

、

绪论

长 度 是最 古 老 的基 本测 量 量 之 一

。

在 中 国 古代

,

凡 是 涉及 长 度 的测量

,

,

古人 统 称之 为

,

“

度

”

。

《 书 律 历志 》 中 云 汉

.

:

“

度者

。

,

分 寸尺 丈 引也

所 以度 长 短也 … …

,

。

。

十 分 为寸

十寸

为尺

,

十 尺为 丈

,

十丈为引

,

”

] l [

] 2 是 指用 尺 度 来测 量物 体 的长 短[

其 中也 包 括对 物体 的面

,

积及 田 亩 的丈 量 等

同时亦 载 明 了 长度 单位 的十 进 制 关系

、

根据 古代 文献 的 记 载 和 出土 的

,

新石 器 时代 大 量 石 制 工 具及 西 安半坡 遗址 余 姚河 母 渡 遗址 等 古人 类 建 筑遗 址 的考 古 分 析

当时 的人类 为 了 建造 十 分 简陋 的房屋 及 制 造 出大 小适 合 的工 具

己经 掌握 了 粗略 的 测 量 长

度 的方 法 如规

、

。

从 各 种 史料 记 载 及 考古 发现 中可 以推 断

。

,

大约 在父 系 氏族 社会 就 已经 开 始使 用

,

绳 等简 单 的测 长 工 具

,

随着 原始 氏族 公社 的解体

以及 农业 耕作

,

。

社会 分 工 导致私 有 制 的产 生

,

国

家 的建 立 等社 会 制度 的变 迁

不 断发 展 的 需 要

一 度 量衡

,

,

、

兴 修水 利

、

房屋 城 廓修建

、

天 文观 测 等 技术

,

经 历 了 漫长 的 岁 月

长度 的计 量单 位在 实 际 应用 中不 断演 变

经 秦 朝统

到 两 汉 时期趋 于 完 备

二

、

先 秦 时期 长 度单位 的形 成

长 度 的单 位 最 早 产 生 于 什 么 年 代

,

因 为 在 我 国 古代 对 计 量 学 的 前 身

、

衡

”

的 资料 可 供 考 证 声为律

[ , ] 则也 f 4

,

—

并 无专 门 的记 载

。

,

相关 的 内容均 散布 于 乐 律

,

历算

,

、

考 工 之 中 所 以 目前 没 有确 切 采用 的基准 应 是 取之 自然 的 前者 如 《 记 夏 本 纪 》 ( 禹 ) 史 载

・ 。。 , ,

,

—

,

古称 度 量

“

但 多数史 学家 认 为最初 长度 单位 的建 立 称以出

.

] z 即 与人 体 及 人 的 某 种 动 作 或 者 与 某种 自然 物及 现 象 有 关l

。

身 为度

,

,

”

] 3 [

,

《 子 家 语 》 云 布指 知寸 孔

“

“

,

布手 知 尺

舒肘 知 寻

,

斯 不远 之

又如 《 南子 淮

堡形 训 》 载 禹乃 使太 章 步 自东极 至 于 西 极

二 亿三 万 三千五 百

里 七十五步

“

。

使 竖 亥步 自北 极至 于 南极

, ,

,

二 亿 三 万 三 千 五 百里 七 十 五 步

, ,

。

5 [ ,

】

,

《 文解 字 说

注 》 云 寸 尺 咫 寻 常 初诸 度 量 的关 系 此 外 佐证 长法

;

,

。

皆 以人 之 体 为法

J 6 [

等均 说 明 了长 度 单位 与人 体或 某 种动 作

,

、 ・

6 以人 体为 标准 确 定长度 单 位在 西 方 许 多国家 甚 至 延 续到 1 世纪 亦 可 作 为

,

与 自然物 和 现 象 有 关 的

,

如我 国 古代所 特有 的 载 于 《 书 律 历 志》 的黄钟 累黍 定 汉

,

即 古人 以黄 钟 宫 的 音 高为 标准

,

制造 出 一 种称 为 律 管 的管式 音 高标 准器

。

“

”

,

再 以一

“

黍 为一 分

吐 丝为忽

以九 十 粒黍 横 向排 列 印证 律 管 长度 的标准 定 长 方 法

又 如 《 子 算 经 》所 载 蚕 孙

”

。

十忽 为 一 秒

,

,

十秒 为 一 毫

,

十 毫 为一 厘

,

,

] , 十厘 为一 分 等 [

、

由此 可 见

,

最 初长

,

度 单位 的 建立

相关

。

大多 与人 体及 人 的活 动

如

:

尺

、

寸

口 寻

、

步等

,

,

或 与 自然物及 现 象密 切

,

尽 管这 种 长度 单位 的制定 因 人 或 自然物个 体存 在 的差异

。

是 比 较粗 陋 的

,

但是

人

类 从依 据这 些 简 单 的单位 所进 行 的测 量 活 动 中仍 发现 了 某些 单位 的 内在 关 联 并依 此 于 夏 商 时 期 建 立 起 了初 步 的 长 度 单 位 体 系 目前 所 见 最 早 的商代 测 长 工 具 商 尺 上 已 刻有

“

寸

”

、

“

分 纹线

、

”

。

—

中 国古代 的长 度 单位 曾经 极 其 复杂 混 乱

就 已 出 现 的分

丝

、

。

综 合 诸 多文 献 史 料记 载

,

,

除 了早 在 殷 商时 期

,

寸

、

尺

,

以及 丈

,

、

引等 己 经 构 成 了 十进 制关系 的长 度 单位 外 先秦 时 期还 出现 过咫

堵

、

、

还 有厘

、

、

毫

常

,

、

秒

、

忽 等分 以下 的依十 进制 推 算 出 来 的 微 小 单位

初

、

寻

、

、

索

、

墨 等 非十 进制 的 长度单位

幅

、

端

、

、

匹

、

两

。

、

版

、

雄 等 未成法 定 的专 用测 长 单位

以及 丈 量 土 地面 积 的专 用 单位 步

亩

] 2 里 等[

三

、

秦汉 时期长 度单位制 的统一 与完备

秦 王 朝是 中 国度 量衡 技术 发 展 的重大 转折 点

,

其 官制 是 春 秋战 国末 期 秦 国 之秦 制 的沿

,

袭

。

春 秋 战 国时 期

、

,

既 是 中国历 史上 诸侯 纷争

。

、

战乱 频 仍 的 时期

,

也 是思 想上 百 家争鸣

,

、

、

政 治 上 变 法 图强

生 产 力快速 发 展 的时 期

, , ,

中 国 古代 的长 度 单 位制

。

至 战 国 时 期逐 步从 混

。

乱 走 向统 一 与成 熟

“

制度 始 完备 的 商 鞍督 制 了 一 批度 量 衡标 准器

, ,

器 物 始精 良

秦孝 公 时 任 左 庶 长 主 持秦 国封 建变 法 为秦 国建 立 起 完善 的度 量衡 制度 和 统一 的标 准 考古 学

、

家 称 之为 商 鞍铜 方升 的 出 土 量 器 上 制 作 年代

量 衡诏 书

。

标 称值 铭刻 详 尽

。

,

并加 刻 了 秦始 皇 统一 度

、

数 据可 靠 足 以确证 秦 国 的长度和 容 量 制度 单位量 值 是 目前 ] 2 ] 8 所 见最 早 的 以度 审 容 的 国家 级 标 准 量器 实物 [ 商 教 平 斗 桶 权衡 丈 尺 [ 严格 要 求

经 考 古实 测

, , 。。

,

,

,

“

、

、

”

,

度 量衡 器 具 达到 量值 统 一

秦 王 赢政 灭 诸侯

段广 推至 各 地

。

,

为 秦 国的强盛

一统 天 下

、

,

进 而 为秦 始皇 统一 全 国 度 量 衡 莫 定 了基 础

,

。

待

,

成帝业

,

,

建 立 秦朝

秦 制沿 袭

,

秦文 化 以 国 家政 权 的 强 制 手

。

秦朝 虽 短

直至

20 0

,

其对 中国 度 量 衡

,

,

乃至 中 国经 济

。

、

社 会各 方 面 的影 响却 极 其深 远

,

秦尺 与

。

其他 秦制 的 标准 器 一 样

强 行推 至 全 国

刘 邦灭 秦

。

建立 西汉 王 朝后

,

又 为 汉 代所 票承

,

多年 后 的新莽 改 制

“

长 度 单 位 整 齐划 一 为

‘

份 寸尺 丈 引

。

’ ,

五 个 单位

“

并 出现 了 具 有

, ,

、

突破 性发 明创造 的专用 测 长 工 具

现 了 分 以 下 的十 退 位 的 厘 基础 上 的进 一 步完 备

,

“

”

”

、

“

—两 个微 小 长 度 单位 毫

”

,

卡尺

同时

,

国家 级 标 准 量器 新 莽 铜 嘉 量 铭 文 中 出

新 莽 改 制虽 然 是 在 秦

, ,

西 汉制度

、

但 是不 仅 从 理 论 上 提 出了 一 整 套 度 量 衡 单位 制 的 理 论 参 照 累 黍 之 法 作为 其 复现 依据

、

即 以 黄钟 律

管作 为 定 义 度量 衡 三 个 量 的理 论 基础

,

并 以 审度

、

嘉量

,

、

权衡 三 篇 完 整地 著 书于 《 书》 还 制 造 出 一 批 包 括 铜 丈 汉

竹引

、

、

铜嘉量

铜 衡杆

。

、

铜环 权

“

在 内的 度

、

量

、

衡标准

器

。

自此

,

成 为 历 代 封 建政 权效 仿

承 袭 的重 要 标 尺

此后

单位

量值 的确 定和 标准 器 的制造 方 法几 乎很 少 再有发 展

法 (横 累

、

,

仍停 留在 对黄 钟 律管 长 短和 对 累黍 方

,

竖 累 和斜 累 等 ) 的讨 论上

。

”

] 2 l

。

秦汉 时期 度量衡 技 术 的高度 发 展

为后 世 的精 密

机 械制 造 奠 定 了基础

四

、

关于 细微 长 度 单位未见于 古代机械工 程文献的思考

可 以 说 人类 的历 史 既是 一 部 制造 工 具 和 机 械 的历 史

,

也 是一 部简单 机械 不 断进 化 的历

。

史

。

人 类 从 制造 最 简单 的工 具开 始

、

,

产 生 了量 的概 念

,

,

同 时也 开始 了 原始 的测 量 活动

大

、

约 在六 制玉

、

七 千年 以 前

,

中 国就 己 经 出 现 了 机械 的萌 芽

。

。

据 史料 记 载

水行 乘舟

,

,

中 国 社会 从 夏朝 开 始

造车

、

由石器 时 代 进 入 铜 器 时 代

当 时的 手工 业 除石 器 外

。

已 经 有 了制 铜

,

、

酿酒

,

、

制陶

制骨 等 较 详 细 的 分 工

4 500

。

大 禹治 水 予 陆行 乘车

“

,

“

泥 行 乘撬

,

” ] 3 山 行 乘撵 l

。

相 传 大约 在 官 居 车正

“

”

年前

.

,

奚 仲发 明了车 (也 有说 车 为黄帝所 发 明 ) 并且 是著 名 的造 车 工 匠

]

。

,

《 子 形势 解 》 云 : 管

,

得

,

用之 牢 利

,

成 器 坚 固, 9 [ ,

,

奚仲之 为 车器 也 方 圆 曲直 皆 中规矩 准 绳 《 工 记 》 中云 : 凡 察车 之 道 欲 其撰 属 而 微至 考

“

,

,

,

故机 旋 相

,

不模 属

“

,

无 以为 完 久 也 的文 字 记 载

”

。

不微至

,

0 无 以 为戚 速 也 1

”

,

]

,

并对 车 的 各 个 部件 的 制 造

,

、

、

安 装 做 了较 详 细

,

从 这些 记 述 中我 们知 道 早 在夏 商 周 时 期 古人 已经 意 识 到 了机械制 造 中 精

同 时也 知 道

, ,

密 的 重要 性

必不可 少的

。

要制 造 出 机旋 相得

配 合精 密

、

坚 固 耐用 的车

,

除 了 离不 开 规

矩 准 绳 等检 测 工 具 外

各个 部件 的 比例 关系及 相互 之 间的 组合 装配

,

对 长 度量 值 的测 量 是

。

中 国 古 代 的机械 制造 水 平

天 文 仪器 主 要 有 浑 仪

、

以始 自 汉 以后 的天 文 仪器 制造 最 具代 表 性 秦

,

中 国传 统 的

见凶吉

。

刻漏

、

圭表

, , ,

以浑 仪 为主

“

”

。

由 于农业 耕作 是 中 国世 代 相 传 的主 要 生

,

活方 式 人 则之

。

,

从 上 古 时 期 的观 象授 时

,

西 周 设 天 文 官职

秦代 统一 历 法

,

,

“

天垂 象

,

,

圣

”

“

关 乎天 文

,

以 察时 变 的 天 人感 应 观 长期 为历 代 统 治者 所深 信 不疑

,

因此

,

对

天 文 历法 的重视 及 其在 国家 政权 中 占有 的

特殊 地位 重视

及 至 北宋 时期

,

使 得天 文仪 器 的制 造 为历 代 统 治者 所

浑 仪 的 制 造达 到 了 顶峰

。

。

可 以说 宋代 浑仪 的制 造 几 乎代 表 了 中 国古

1092

代 机械 工 程 技术 的最 高水 平

、

从 公元 9

、

7

年完 成 的张思 训 所 设计 的第 一 座 大 型铜 浑天 仪 开

始 (但 不 包括 在 内) 人们 经 常提到 的 四 大浑 仪都 是在 公元 9 9 年至 5

、

年 间设 计 制 成 的

、

。

《 史 》 《 学 组 珠 》 《 海 》 《 仪 象法要 》 等对这 些 浑 仪 的设 计 结构 宋 小 玉 新

作用 及 其 他 相

、 、

关 情 况 都做 了较 为详 细 的记 载

值得 注 意 的是

”

,

。

虽 然 早 在 西 汉 前 期贾 谊 所 著 《 新书》 中即 有 关 于 尺

, ,

“

、

寸 分

,

厘

、

发

、

毫 的十 退 位 长度 计 量 单位 记载 但 是 在 古代各种有关机 械 工 程 的文 献 中 结构 尺 寸 的记

载

,

最 小单位 长 度 我们 只 见 到 分

, ・

“

”

。

以四 大浑 仪之 一 的韩显 符 公 元 9 9 年 设计 制 作完 成 的 5

,

铜 浑 仪(至 道 浑 仪)为 例

“

: 1 】 《 宋史 天 文 志 》所 载 其主 体结 构记 录有 九大 部 分[ ’

一曰双规

,

,

皆径 六 尺 一 寸三 分

, ,

围 一 丈 八 尺 三 寸 九分

,

,

广 四寸 五 分

,

,

上 刻周 天 三

。

百六 十 五 度

南 北 并立

置 水 泉 以 为草

得 出地 三 十 五 度

, ,

,

乃 北 极 地 出 之度 也

,

以红

,

贯之

,

四 面 皆七 十二 度

。

属 紫微 宫

,

。

星 凡三 十七 坐

一 百 七 十有 五 星

,

四 时 常见

, ,

谓

之上规 星外

,

中一 百 一 十 度

, ,

,

四面 二 百 二 十 度 远而见

。 ,

属 黄 赤道 内外 官

,

星 二 百 四十 六 坐

一千

二 百 八十 九 星

近 日而 隐

谓之 中规

,

置桌 之 下

绕南 极 七 十 二 度

,

除 老人

,

四时 常 隐

,

谓之 下 规

,

二 曰 游规

径五尺 二寸

围一 丈五 尺 六 寸

广一 寸 二 分

后 四分

,

上亦 刻 周 天

以

缸 贯 于双 规巅 轴之 上 三 曰 直规 二

,

,

令得左 右 运转

,

。

凡 置管 测验 之 法

, ,

,

众星 远 近

,

随周天 偏

,

。

各 长 四尺 八寸

。

阔一 寸 二 分 厚 四 分

,

于 两 极 之 间 用来窥管

。

中置 阴

轴

,

令其 游 规运 转 四 曰 窥 管一 长 四 尺八 寸

,

,

广 一 寸二 分

,

阴轴在 直 规 中

,

五 曰 平 举轮

,

在水 桌 之上

、

,

径 六 尺 一 寸三 分

,

围一 丈 八尺 三 寸 九 分

,

,

上 刻八 卦

、

十

。

干

、

十二辰

、

二 十 四气

, ,

七十 二 候 于 其中

,

定 四 维 日辰

,

正 昼 夜百 刻

。

六 曰 黄 道 南 北 各 去 赤 道 二 十 四度 东 西 交 于 卯 酉

凡 冬 至 日行 南极

以 为 日行 盈 缩 月 行 九道 之 限

、

去北 极

一 百 一 十 五 度

。 、

故 景 长而 寒

,

,

夏 至 日在 赤道 北 二 十 四度

,

,

去

北 极六 十 七 度

,

故 景短 而 暑

、

月有 九道 之行

。

岁匝 十 二 辰

,

正 交 出入 黄 道

。

,

远 不过 六

,

度

。

留 伏 逆 行度 之 常数 也 七 曰 赤道 与黄 道等 带 天 之 胧 以隔黄 道 去两 极各 九十 一 度 强

, , ,

五 星顺

、

黄道之 交 也 按

,

京 东 交角宿 五 度 少

日行 斗 宿 日

、

西 交圭 宿 一 十 四 度 强

, 。

。

日出于 赤 道外

,

,

远 不 过 二 十 四度

,

冬至 之

。

,

日入 于 赤 道 内

,

亦 不过 二 十 四 度

,

夏 至 之 日 行井 宿

。

及 昼 夜分

、

炎凉 等

月

、

五 星 阴 阳 进退 盈 缩 之 常数 也

八 曰 龙柱四 九 曰水 桌

深 一寸

、

各 高五 尺 五 寸

, ,

立 于 平 举轮 下

,

,

十 字 为之

其 水 平满

。

北辰 正

。

以置 四 隅

,

各 长七 尺 五 寸

,

高三 寸半

,

。

四 隅 水平

、 、

则天 地 堆

、

”

上 述 对 至 道浑 仪 构造 的文 字 记 载

,

清 楚地 显 示 出当时 的设 计与 制造 者 们 已 经 掌握 了 数

,

学

物理 学

力学

.

机械 构 造学

。

天文 学等 方面 十分 精确 的知 识

以及 精 良的制造 技术

,

。

当时制 造 铜浑 仪所 用 宋 天文 尺

1 量 值更 有 长 至 3

4

] 2 厘米 l

且 自至 道浑 仪之 后

—

和 现 乐 尺 的 一 尺 量值 为 2 4

, ,

.

5 厘米

此后 宋天 文尺 的一 尺

,

凡 铸 新仪 必 由工 匠 按 设计 图制 造 一 个 小型

。

木 样 (苏 颂 的水 运 仪 象 台还 进而 制 作 了 大木样 ) 并绘制 出 详尽 的构 造 图 经 皇 帝亲 率天 文 ” 官及 众 臣 验证 效 果 良好 后 方 下 诏 书 以铜铸 之 【 〕 如此几 乎代 表 了 中国 古代机械制 造最 高

,

水 准 的天 文 仪器

,

其 构件 尺 寸记 载 未见 使用 小于 分 的单 位 中 国古代 的机械 制造 方法 中

、

“

”

,

我们 分析 可 能有 以下 原 因

,

。

:

其一

、

浑 仪 各构 件 的精 密配 合 很可 能不 是靠 精确 的尺 寸 来保 证

。

而 是通 过 采用 复杂 的

制造 工 艺 保证 的

件 的生 产 工 艺 中

,

铸造 是 一 种 重要 的形 式

在 大型

。

、

复杂铸

,

,

早 在 商代 就 已发 明 了 将器 体 与 附件 分 开 铸 造 的分铸 法

不 宜用 分铸 和 焊 接 来制 造之 器 物 的铸 造 方 法

,

、 、

。

春 秋中期发 明 了

此外

,

用 来铸 造 花 纹 精 细

有对 于 不 能一 次完 成 的复 杂铸 件及 用 于 固定零件 之 间联 接 的嵌铸—及 包 铸法 法

汉 代 浑 仪 的 制 造方 式 以 铸 造 为 主 证 其 制造 和 装 配 的 精 密性

。 、

失 腊铸 造

还

。

、

接 铸 法等

。

辅 之 以 钻孔

,

锉磨

,

、

抛光 等 精细 加 工 和 机 构精 调

、

以保

, ,

以 此推 断

构 件 的实 际 制作 尺 寸 应 比文 献 记 载 更精确

有 世 代相 传 的

“

但是

因 浑 仪制 作 事 关天 文 立 法

预 测 灾祥 之 国 家 大事

。

专 门 的 仪器 制 作 者

”

、

所

”

以其 具 体 的制 造技 术 一 直 是 保 密 的

其二

长 度 单位

展

。

、

虽 然 西 汉 的 新 莽 时 期 之量 器 铜 嘉 量 铭 文 中 己 经 载 有 厘

“

毫 两 个 小于 分 的

”

“

,

此 前还 有 丝

、

秒

、

忽 等 更 小 的 长 度 单位 见 于 算书

” ,

。

但 新 莽 时 发 明 的专 用 测 长 工

。

具 卡尺 的最 小 刻 度线 也 只 到 分

“

实 际 测量 值最 小 能达 到 半 分

”

。

后 代 的 度 器 并无进 一 步 发

,

直到 清光 绪 三 十 四 年 ( 19 0 年 ) 清 政府 商请 国 际 权度 局 制造 了铂 铱 合 金营 造 尺 8

“

这一

,

历 代 最 精 密 的 线 纹尺 也 只 能 测 至 厘

“

”

由此 可 见

,

,

受测 长技 术 的 限 制

,

,

机 械 工 程 中的 设 计

即

。

尺 寸标 注 低 于 分 则 超 出 了 实 际 测 量 水 平

更 精 确 的 配 合 只 能靠 制 作者 的经 验和 技能

使 新 莽 铜 嘉量 所铭 有 厘

“

”

“

”

、

“

毫 长 度值

”

,

亦 非实 测所 得

应 属 于 推 算 之值

这 也是 中 国

古代 一 些著 名 的 机械装 置 虽有结 构 记 载 重要 原 因之 一

。

,

一 旦 实物损 毁

、

拆 卸 搬运

,

就很 难修复或 复原的

五

、

结论

回 望 中 国古代 长 度单位的演变 史 其间产 生的各 种复杂 的长度单位中 只 有 分 寸尺 丈

,

,

“

”

的十 进 制 长度单 位成 为流传 极广的一 种法 定长度 单位制 虽然 历朝历 代单位量 值略有增减 但数千 年改朝换 代 城 廓 宫殿 建 设

、 ,

。

,

制 度未 改

,

,

一 直使用 到近代

,

。

曾经产生 的其他专用测长 单位 由于 与私

、

有 制和 商 品 交换 的产 生

国家 的 建立 等密 切相 关 均 产生 自 业 农

。

手工 业 生产

、

兴 修 水利

、

田 亩划 分等特 定 时 期 的 经 济 需 要 或 社 会需 要

,

其 中一 些 单位 因 无 准 确量 值

、

,

在 秦始皇 统 一 度 量 衡 之前 既 己逐 渐废 弃

因 为 只 是 由 算书推 算 而 得

,

而厘

、

毫

、

丝

、

秒

忽等 以及 更 细小 的 长度 单位

,

过 于细 微

,

早 以超 出了 当时 的实 际测量 水平

在机 械 工 程 中并

无 实 际 使用 价 值

。

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:

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