邓聪:中国最早石制轴承的功能实验考古试论—

2019-09-16 作者:www.4166.com   |   浏览(191)

一、前言

轮盘可能是人类最伟大的发明之一。轮轴机械更是近世世界工业革命的核心技术。轴承于轮轴设备中,占有举足轻重的位置。科学家相信,轴承技术代表世界整个工业的发展水平。近年,中国史前玉工辘轳轴承的考古发现,对中国古代科技史的研究,意义重大。本文笔者1989年首次在香港东湾遗址发掘出土青铜器时代的石质轴承。其后,1995年在澳门的黑沙遗址、1999年在珠海宝镜湾遗址的环玦作坊中,发现大量石质轴承的工具。2000年笔者发表《环珠江口考古之崛起——玉石饰物作坊研究举隅》一文中指出:

“使笔者相信,现今环珠江口地出土的具有乳凸状的石器,很可能是辘轳。笔者估计在4000多年前环珠江地区,很可能是一种以辘轳为轴心的旋转机械,被用作环玦的管钻穿孔。”

2013年,笔者编著《澳门黑沙玉石作坊》一书,从田野考古出土辘轳轴承与石英环玦、芯等半制成品入手,并结合其他石器、陶器的空间分布,论证环、芯及轴承三者在辘轳机械运动中同时转动,史前环玦玉石作坊内以辘轳机械为核心的活动情景,清晰浮现。该书对东亚地区玉器制作与轴承考古的历史,作了初步的梳理。其中有关东亚轴承起源问题,笔者参考在2012年由辛岩所编写《查海——新石器时代聚落遗址发掘报告》,其中所报导一件T04082:1石钻,可能就是固定轴承。当时我未能看到实物,据公布照片及线图指出:

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“就该器物的图版所示,轴承轴身上宽下窄,由磨制和打制成器,纵剖面扁平状。笔者按报告发表彩版判别,此器轴头呈榫状轴头。轴头由榫头、旋转面、琢制面三者组成。榫头为琢制,榫颈发达,高约1.5厘米。由榫颈转折过渡到旋转台面。旋转面外沿残留了一些琢击痕。推测轴头的琢击面在使用旋转过程中,已基本被研磨消失,间接说明了轴承是使用了相当的时日。”

查海遗址存在石质轴承的观点发表后,引起了郭大顺先生的注意。其后,郭先生与孙力先生在《旋转技术在红山文化玉器中的应用》一文中,特别将查海T04082:1石钻更订为石轴承,重新拍摄公布了轴承各面的照片,又以线图展示轴承使用方法的推测。

2017年10月23日笔者前往沈阳,幸蒙辽宁省考古研究所吴炎亮所长热情的接待。在郭大顺先生及郭明女士的亲切指导下,笔者得以观察查海T04082:1轴承并拍摄记录。本文以是次考察T04082:1轴承的成果,配合本年间笔者与学生徐飞等对辘轳轴承管钻实验的对比,试图分析T04082:1轴承制作工艺及使用痕方面特征,以求教于大方之家。

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图一:查海T0408②:1轴承

a. 制作及使用痕示意b. 轴承各面

自1998年郭大顺先生来港参加东亚玉器国际会议,尔来时赐教言,受教益匪浅。2008年11月间,幸得郭先生照拂,在沈阳辽宁省博物馆,笔者对牛河梁遗址出土一些重要的红山玉器观摩拍摄。其后郭先生将拙稿《牛河梁出土玉器技术初探》,收入2012年出版的《牛河梁》报告书中。郭先生主张从世界史角度研究红山文化,在中国早期文明与世界早期文明比较项目,东北地区的玉器特别是从查海——兴隆洼以来以至红山文化的辘轳轴承工艺,与西亚6000多年前陶车两者比肩媲美。欧亚大陆东西间轮轴机械的发明分庭抗礼。

辘轳机械是中国科技史的重大发明。科学史的专家H.S.Harrison,区分人类的发现可分为两种:一种是观察性发现(thediscovery by finding),另一种更高层次的探究性发现(discovery byfinding out)。后者必须预先具备物质特性、自然法则和自然力的知识,并能将此类知识应用于某一目的。观察性的发现主要局限于定位与识别,而探究性的发现则可以把发现应用到实际用途中。在东方史前时期木制轮盘、车椿与石质轴承结构而成的轮轴机械,就属于人类探究性的重大发现之一。轮轴机械出现的目的或者社会需要,可能是应对环状玉器文化的诞生与发展而出现。谨以拙文为郭先生八十祝寿,祝先生健康长寿。

二、从石钻到轴承转变工艺技术的分析

按《查海》报告书公布,共发现六件石钻,其中一些可能是辘轳轴承。据报导这六件石钻资料如下:

A组:从第2层出土石器228件,包括石钻3件。

1、T05022:12,木化石,长条状,圆磨尖,较光滑,长4.4、宽0.92、厚0.6厘米。

2、ⅡT01052:5,青灰色页岩,压制,长条状,截面呈三角形,边角锋利,长2.4、宽0.3、厚0.2厘米。

3、T04082:1,残,青色页岩,圆滑凸状头,残长8.2、宽3.9、厚2.0厘米。

B组:从F14出土。F14室内出土遗物较丰富,可复原陶器有22件之多。石器共26件,其中石钻1件。F14:33石钻,浅黄色木化石,打制,扁平,圆尖,长3.2、宽1.1、厚0.5厘米。

C组:为采集,共两件石钻,均为木化石,长条状。

1、采:27,长6.4、宽1.0、厚0.6厘米,一端为圆锥体,底部宽大。

2、采:24,残长4.6、宽1.0、厚0.6厘米,一端有发达圆锥体,底部宽大。

以上石钻A组T05022:12、F14:33、B组采:24、采:27均为木化石,形态扁平,长轴一端有榫头状锥体,采:24、采:27石钻榫头上如乳状突起。以采:24石钻为例,榫状突起尚可区分榫顶、榫颈和旋转面三个部位,榫颈及旋转面上有明显旋转线状痕。采:27、采:24石钻两器底部一端宽大扁平,适合于插入卯眼内装置。从已公布的两件采:24、采:27石钻的形态来看,二者均具备典型辘轳轴承的特征。F14:33石钻在形态上报告书只表述了有“圆尖”二字,据发表该器物线图及照片无法对其“圆尖”一端细致理解。F14:33石钻在质料、器物、形态上均与采:24、采:27石钻比较接近,目前不能否认这件石钻就是轴承的可能性。因为F14:33石钻是从房子内出土的,显示了在房子内进行辘轳旋转加工的可能性。此外,ⅡT01052:5石钻的宽度及厚度仅在0.3、0.2厘米,其功能有待探索。

以上除ⅡT01052:5石钻外,其余石钻初步推测具有轴承的功能。因为笔者仅观察T04082:1石钻,以下对这件石器形态及功能作较详细的论述。原报告谓ⅡT01052:5轴承为“残”件。笔者从轴承角度对其观察,这件石器保存良好,有制作加工和使用的痕迹,并没有明显折断及破损迹象,应是完整器。T04082:1轴承是一件经过精心策划制作而成的工具,技术上采用磨制、打制及琢击,前两者有交替加工互相打破的痕迹。轴承石器摆置方式,将榫顶一侧向上放置,区分为五面讨论。有关轴承技术形态的描述,可以参考《中华文明探源与辘轳机械的发现》。

T04082:1轴承由榫头与器身组合而成。从图一b:1、3、5三面观察,制作者在榫颈一侧研磨出一斜面,区分出器身与榫颈间界限。器身与斜面夹角约28。,榫颈约占全器长度的20%。

为了准确控制轴承毛坯,制作者磨制一长方形的素材,在上端预先规划榫颈的位置。器身方面,大约在中部位置,从两侧向中心打击收窄,呈上宽下窄。更且在器身下部,积极打击出较大型的剥片,以减薄器身。图一b器身下面在加击减薄后,又见破裂面被研磨的加工。器身两侧上段仍保留若干原素材的磨面。器身下端,收窄及减薄加工,底端呈圆尖状。估计是为轴承固定的安装,在轮盘中心卯眼内可能有对应轴承器身下窄上宽两段的设计。T04082:1石器技术形态显示,器身很可能是被牢固安装在辘轳木车轴上方内孔,锲合T04082:1器身两段的构造。T04082:1轴承器身技术特征显示,此器物并非手持钻孔工具,而是经细致设计的一种与轮盘木车轴牢固安装组合结构。以上制作特征论述T04082:1石钻应改订为辘轳机械的轴承,轮盘可能作水平状旋转。

另一方面,从T04082:1使用痕特征分析,也是论证此石器功能的关键所在。T04082:1在榫头一方榫顶位置,可见明显琢击形成的圆弧面,不见旋转研磨痕迹,而榫颈及旋转面上,则有清晰旋转痕。榫颈高度超过1.5厘米,轴承曾长期被使用。榫颈旋转面上,留下清晰同心圆旋转运动痕迹。有关榫颈旋转痕迹的具体形成机制,以下从实验考古论证。

三、实验考古轴承与使用痕形成变化

为论证T04082:1榫头上旋转痕形成的特征,我们尝试与实验制作轴承比较分析。

2018年2月至5月间,香港中文大学在香港特别行政区研究资助局资助《史前东北亚洲玉器技术与原料交换:玉学的考古学考察》的项目,以石制轴承、轮盘、车椿所构建的立轴辘轳机械,先后进行大量软玉玉器及蛇纹石穿孔实验工作。以下以第一实验部分的成果略作说明。

实验的机械主要是木与石的构件结合,包括轮盘、车椿罩、车椿和一些固定的水泥结构。在轮盘与车椿之间,安装上固定或滚动的石质轴承。轮盘与轴承间适当涂抹一些润滑油脂。轮盘中央安装上车椿罩,以配套插入车椿之间,两者之间留下2-3毫米的空隙。轮盘以人手推动旋转,车椿罩管子与车椿基本互不摩擦。另一方面,实验管钻开孔玉器素材,则被固定在轮盘中心的位置。轮盘与玉器素材在运动中同时旋转。在此条件下,将制作固定竹管直接压在玉器素材上,两者接触部分加石英沙和水,管钻穿孔。

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图二:香港中文大学实验考古木制辘轳与石质轴承结合轮轴机械

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图三:实验考古管转穿孔岫岩蛇纹石原料制作环状饰物

以下将对木制辘轳与固定轴承的实验成果略作介绍。

实验采用岫岩蛇纹石进行管钻,以单向及对向连续制作两件环饰及玉芯。第一环为单面钻孔,环内孔直径6.4、厚1.4厘米。第二环以第一环的玉芯作素材,管钻直径3厘米,为对向钻孔。第一环旋转22,829转数,耗时3.39工时。第二环旋转22,771转数,耗时4.13个工时。

以下讨论实验中石质轴承在使用过程中旋转痕的形成及变化。实验石质轴承为自然河砾石,长8.8、宽2.8、厚2.0厘米,扁平长条形,上下两端圆尖状,以其一端直接固定于竹制的车椿上,其上覆盖轮盘,以人手推动轮盘旋转。此次实验轮盘转数共45,600次,分三次记录轴承旋转痕在使用过程中变化。这包括:

1、5000转数阶段:在轴承榫头位置左右两侧分别形成第一阶的旋转痕,旋转痕形成于榫顶以下约0.3厘米的范围内,图四的Nos.5、7面两侧旋转痕间直径距离为0.88厘米。轴承图四的Nos.6、8两面相同位置的直径为0.7厘米。因此,初期旋转痕在轴承图三的Nos.5、7面与轮盘内卯眼产生直接摩擦。

2、23,000转数阶段:在轴承榫头位置图四的Nos.9、11面形成第一阶段旋转痕后,再往上下左右扩张的发展。轴承图四的No.10面基本上没有旋转痕,而图四No.12面旋转痕由两侧向中央发展。

3、45,600转数阶段:图三Nos.13、15、16各面的旋转痕继续上下左右扩张,向上已接近榫头顶部位置,轴承旋转痕高度达0.8厘米。然而图三No.14面因较平坦,始终尚未及与轮盘卯眼的内壁摩擦,出现如山形未摩擦的部位。

www.4166.com,就以上观察,总括石质轴承旋转摩擦痕形成的一些规律。

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图四:实验轴承旋转痕形成及变化

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图五:轴承在车桩上固定其上轮盘已转动23,000次转数状况

1、榫头部分并没有加工,榫头断面呈不规则的扁平状。

2、轮盘的中孔倒扣在轴承的榫头位置上,中孔周沿璧面与轴承榫头长轴两端紧密接触,轮盘在最初的旋转过程中,中孔内璧就与榫头长轴两端摩擦,产生摩擦痕。

3、轮盘中孔与轴承接触,在同轴心旋转运动下,中孔与轴承榫头接触面不断扩大,发展最后扩张至榫头短轴两侧,形成360。旋转摩擦面,旋转面中心保留有圆柱状榫头凸起,是在同一轴心的旋转运动。

灰色部分是轴承榫头的平剖面示意图,呈扁平近似椭圆形,分为I、II、III、VI四个面,将以上模式分三步骤解释:

1、同心圆旋转运动的前提下,半径a所能摩擦处仅是轴承I、II面榫头长轴两侧。

2、当同心圆旋转运动扩大到半径b范围,轴承榫头III面一端与轮盘内孔璧摩擦,榫头VI面近中央大部位位置,尚未接触到轮盘,因此无旋转摩擦。

3、进一步同心圆旋转运动扩大到半径c范围,则榫头VI面位置均被完全摩擦,最后形成同心圆柱状轴承榫头,周围包围360°旋转摩擦面。

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图六:同轴心旋转运动与轴承榫头进行摩擦形成与变化模式图

  1. 灰色范围为轴承榫头的平剖面 2. a半径 3. b半径 4. c半径

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图七:香港大屿山万角咀遗址青铜时代石质轴承,长12.3、宽9.3厘米

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图八:浙江方家洲2010TPF采436轴承线图红色部分显示山形未研磨部分(方向明2014,改订)

以上在同一轴心旋转运动过程中,扁平椭圆形榫头旋转使用痕的形成过程,为我们对轴承石器技术形态分析,提供了很重要的根据。查海T04082:1榫头部位左右两侧长轴在同一轴心旋转运动中,最早被摩擦形成旋转面。轴承图一b:5面榫头侧方倾斜,因此旋转面不断扩大过程中,两侧受摩擦位置较大。目前所遗留山状未被摩擦位置将会逐步消失。最后同轴心旋转发展,与轴心距离最短的图一b:3面榫头侧方,亦会与轮盘中孔产生摩擦,最后形成柱状榫头。

通过上述分析,我们可以认为,查海T04082:1轴承器身加工形制,是为了牢固安装在车椿中孔的一种构造,榫头上形成长轴两侧旋转面。榫头图一b:3、5两侧山状未摩擦面。这些特征都是同一轴心长期旋转运动后形成的。以上两者论证了T04082:1石钻应是木质辘轳机械中的轴承。另外,按照以上成果考察,过去对于一些轴承似乎是模棱两可的疑惑,就可以迎刃而解。青铜器时代香港大屿山万角咀遗址大型轴承榫头长轴两侧,留下旋转摩擦痕,无疑是作为轴承初期使用阶段所留下同轴心旋转运动的痕迹。长江流域凌家滩98M23:6被称为“石钻”工具,方家洲遗址出土大量被称为“研磨器”的石器,其中不少可见榫头上有山状未研磨的位置。根据以上分析基础,这些石器都毫无疑问归类到轴承的分类。因为人手掌只在垂直水平方向上做二轴的简单旋转运动,不可能做出同一轴心360°不停转动的动作。如方家洲遗址出土这些“研磨器”石器,就只可能是同一轴心旋转运动摩擦后形成的榫头构造。今后毋需再纠结在这种石器功能上争论,而应该积极考虑为何方家洲遗址阶段,以大量辘轳轴承机械生产及石英环状饰物消费方面的问题探索。

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图九:辽宁查海遗址出土玉玦

  1. F43M:2 2. F43M:1 3. F43:35 4. T0407②:1

四、余论

郭大顺先生曾指出:“查海——兴隆洼文化管钻技术的率先使用,是红山文化玉器旋转技术的渊源,说明旋转技术特别是较为先进的管钻技术,在辽西地区已有长时间的历史。”查海T04082:1石质轴承的证实,显示在查海——兴隆洼文化的阶段,由木石构造的立轴辘轳已经发明。T04082:1石质轴承是一种固定轴承,制作技术及形态上,十分先进成熟,一定不是最原始轴承的形态。

在查海遗址的阶段,木石构造辘轳机械的存在已是事实。那么究竟利用辘轳机械制作或生产了什么东西呢?另一方面,究竟在什么社会背景需要的推动力下,才有辘轳机械的发明?一般来说,新石器时代中陶工、木工、石工制作、都可能使用上辘轳机械的动力。然而,迄今为止,我们从查海——兴隆洼文化中陶器、石器中,目前尚难以找到辘轳加工对应的制品。另一方面,在这个时期出现的一种比较特殊的环状玉器,很容易成为我们考虑作为与辘轳机械加工相关的对象。

在陶瓷器制作上,从陶土拉坯旋转痕迹的存在,足以论证辘轳机械的使用。在新石器时代晚期红山文化阶段,郭大顺先生曾指出空心管钻技术在玉器制作中使用较为普遍。他所举例一些玉环镯标本如N2Z1M1:1直径为11厘米,环内外沿呈正圆形,N2Z1M21:15镯,直径为7.8厘米,镯内外沿呈正圆形等。事实上,红山文化中玉镯数量占有很重要比例,可说所有玉镯内外沿均接近圆形,显示出一种为轴对称、中心对称的圆形。因此,我们相信红山文化时期玉镯,都是固定轴心旋转机械的制品。

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图十:兴隆洼文化出土的玉玦(杨虎、刘国祥、邓聪2007)

兴隆沟:1. M4 5、6. M7

兴隆洼:2、3. M117 4. M229 8. M108 9、10. M130 11、12. M135

王家营子水泉:7

查海遗址出土玉制品情况是否与辘轳机械制作相关呢?首先据笔者实验,用Nikon微距60mm或105mm镜头,相机与被拍物体在同一水平正拍摄下,照片的图形形态变化,基本上肉眼无法区别。因为目前缺乏相关查海—兴隆洼文化玉器实物的直接考察,这里就以相关环状玉器实物的照片初步分析。

据查海报告中所公布,出土的F43M:2、F43M:1、F43:35及地层出土T04072:1、T04072:6五件玉玦,外沿都相当规整,接近中心对称的圆形。另一方面,我们对兴隆沟遗址M4、M7、兴隆洼M117、M229、M108、M130、M135及王家营子水泉12件玉玦的照片分析,发现这些玉玦全部具有非常接近中心对称圆形的特征。目前,我们可以这样推测,查海遗址所证实木石辘轳机械,很可能与这个时期一些玉玦的管钻制作相关。今后我们期待从这个时期制作环玦饰物玉石作坊,证实以上辘轳机械与玉玦生产关系的推测。从这个角度来看,实验考古学对查海T04082:1石质轴承功能的论证,其意义是相当重大的。

(本文电子版由作者提供 作者:邓聪 香港中文大学;原文刊于《庆祝郭大顺先生八秩华诞论文集》,文物出版社,2018年,页131~141。 此处省略注释,完整版请点击左下方“阅读原文”)

责编:荼荼

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关键词: www.4166.com 轴承 遗址 试论

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