齒輪簡史:阿基米德與希倫的省力裝置
不僅僅是亞里斯多德,在亞里斯多德身後約一百年,古希臘的另一位學者阿基米德 (Archimedes,BC287 年 ~BC212 年,古希臘時期化時代的數學家、物理學家、發明家、工程師、天文學家 ) 也探討過齒輪的種種。阿基米德甚至研究了亞里斯多德所未曾提及的蝸輪,留下了相當篇幅的記錄。

在那時代,人們不僅僅將齒輪作為回轉的傳動而已,已經懂得利用齒輪原理應用作為省力裝置。例如,根據亞歷山大時代的帕普斯 (Pappus,AD350年是羅馬帝國晚期偉大的古希臘數學家) 的記載,希倫二世 (Hieron,BC307 年 ~ BC215 年,是西西里的希臘人)與古希臘科學家阿基米德是親友,兩人有著良好關係,希倫二世資助阿基米德經費來進行研究。阿基米德也經常用他的智慧幫忙解決希倫的疑難雜症,曾經委託阿基米德鑑定金冠是否參雜質,而成為浮體原理發現的契機。當時曾經出現過一個蝸輪與九個齒輪的省力裝置,始得人們可以用 130 公斤的力量舉起 26 公噸的重物,那大約釋放大 200 倍的效能。

根據帕普斯的記載,阿基米德曾經利用前述裝置,以僅僅少數奴隸就將一艘大船:錫拉庫西亞(Syracusia,是一艘 110m 的古希臘船,有時被稱為古代最大的運輸船)推入海中,並引起當時社會巨大的迴響。

理解各種省力裝置的巨大效能之後,難怪阿基米德會發下:「只要給我一個適合的支點,我可以搬動整個地球」的豪語。

齒輪簡史:水力磨粉與棉核剔除機
之後在西元一世紀前後,古羅馬的建築師馬爾庫斯 ‧ 維特魯威 ‧ 波利奧 (Marcus Vitruvius Pollio,約 BC80 年或 BC70 年 ~約 BC25 年,是古羅馬的作家、建築師和工程師,他寫了一部《建築十書》,並獻給羅馬帝國皇帝奧古斯都)首度提及利用簡易齒輪裝置的傳動功能,進行水力磨粉的工作。我們可以想像與理解,這樣的裝置成為當時民生生活中不可或缺的設備。換言之,齒輪的技術,已經獲得廣泛的應用。

在實物面上,古羅馬時代遺跡中出土的鐵製梢 (燈籠形) 齒輪,成為目前最早的齒輪裝置遺物,時間約等於西元120年~200年左右。另外,一項很古老的印度棉核剔除機也算是齒輪裝置的元祖之一,現正收藏在柏林博物館中。類似的機械被人類一直使用到十九世紀末葉。

12世紀左右在瑞典也出現螺旋齒輪,這也被認為運用在磨粉機上。如上所述各項齒輪機構的雛形,與生活有廣泛的結合,除此之外,人們也逐漸從實際的使用中,構築出齒輪及齒輪機構的技術性意義。

齒輪簡史:水力時鐘
如眾所知,齒輪的另一項應用就是時鐘,最初運用在水時鐘上,那是在約西元前 150年左右的亞歷山大時代。現今所知的是埃及有使用齒條的水時鐘,而前述之希倫和維特魯威 (Vitruvius) 曾在自己的著作中提及,以蝸輪作為測量距離的量程車機構的說明,由此可見齒輪傳動的準確性已為人所熟知。
BC1世紀~AD3世紀之間,在克里特島附近出現了使用精密的行星齒輪機構的天象儀,其殘留之銅片在安提基泰拉到附近被打撈上岸。就這些碎片可知,當時已經出現相當先進的齒輪裝置。

現代齒輪簡史:中世紀的機械時鐘
中世紀的時候,齒輪逐漸的和時鐘結下密不可分的關係,在精益求精的要求下,齒輪與齒輪裝置日益精巧。換言之,運用齒輪的水鐘雖然很早就出現了,但是全齒輪的機械鐘卻要經過一段長時間,到中世紀之後才出現。

機械鐘要到西元九世紀左右,義大利維羅納的 Pacificus (Pacificus of Verona,776~844,除了他的宗教作品外,Pacificus 還因撰寫了許多關於世俗知識,其中包括一本關於天文學的書,而著稱。他還被認為發明了幾種裝置,最著名的發明是他的鐘。在墓誌銘中,他被認為創造了“夜鐘” (horologium nocturmum)。長期以來,人們一直認為這是第一個機械鐘,也就是水鐘,直到今天仍在
許多來源中重複出現 )
之後的葛培特 (Gerbert,於 999 年 4 月2 日至 1003 年 5 月 12 日出任教宗 — 思維二世,他因為他在學術上的提倡而知名,比如重新引入消失在拉丁世界的希臘算盤與星盤 )才真正發明時鐘。

13 世紀西元 1250 年 左 右,Villard de Honnecourt (1200~1250 是一位來自法國北部皮卡第的藝術家兼建築師。唯有透過所遺留僅存的作品集 –「Sketchbook」,包含各種主題的約 250 張的圖和設計,他才被人們所熟知 ) 在作品集中提到控制齒輪回轉的脫進機構 ( 擒縱器,Escapement wheel),是最早機械式齒輪時鐘脫進機構記錄。

13 到 14 世紀西歐各地紛紛製造和使用重錘式機械鐘,其中,英格蘭彼得伯勒大教堂(Peterborough Cathedral) 於 1320 年製造的時鐘,在 1836 年大修之後,至今仍在使用。

義大利的喬凡尼 ‧ 董 第 (Giovanni Dondi dell’Orologio,1330~1388,是義大利醫生、天文學家和機械工程師,是鐘錶設計和建築藝術領域的先驅者 ) 曾經記載著齒輪時鐘,其中最引人注意的是竟然提到了橢圓形齒輪,可以說對齒輪技術的掌握又向前邁進了一大步。
( 下期待續 )

 

(下期待續)