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谁最早发明了卡尺

发布时间:2019-10-14 作者:丘光明 来源: 浏览:1216

国家博物馆、北京市艺术博物馆、江苏省扬州市博物馆各收藏有一件卡尺。前两件为传世品,上面都刻有“始建国元年正月癸酉朔日制”,始建国元年即公元九年。1977年在一次学术讨论会上,专家们对国家博物馆所藏这支卡尺的真伪存在不同看法。有幸的是1992年5月,在距离扬州市西北8公里外邗(han)江县东汉早期墓葬中,出土了一件铜卡尺。虽然出土时,表面锈蚀,是否有刻文,已无法辨识,但对汉代曾有过这类带有卡爪的专用测长工具——卡尺,就无需争辩了。

    

卡尺的浮现


卡尺最晚在王莽时期已经在生产实践中比较广泛使用了,发明时间距今已达2000年以上,但是从目前所能查找的文献来看,清代以前对这种专用的测量工具却没有任何记载,因此它的发展历史、使用范围、使用方法均已失传。当吴重熹(同治元年举人,曾任江西巡抚)于光绪十八年(1892)看到这件铭刻新莽年号、上有鱼鳞纹、奇形怪状的器物时,不知为何物。他在拓片上写下了两行题跋:“始建国铜器,有关牡,可开阖,其鱼钥乎?……”。竟误把它当做一把大钥匙了。

同类器物也被吴大澂收集到。吴大澂是同治十年(1871)进士,曾任广东、湖南等地巡抚。他还是一位金石文字学家,又擅长书法、绘画。刊行于光绪二十年(1894)的《权衡度量实验考》,就是由他亲笔书写和绘图的。这本书是吴大澂根据当时出土的玉器、钱币,对照先秦古籍,考校古代礼制与度量关系的专著,书中也收录了一支卡尺,定名为“王莽铜尺”。他说:这支尺是近几年在山左(旧时对山东省的别称)出土。正面上下共六寸,其中四寸刻有分,旁附一支尺,作丁字形,可上下滑动,共刻五寸,无分刻,有一环,可系绳。背面刻篆文年月一行,从所绘图可看到,即“始建国元年正月癸酉朔日制”。吴大澂在度量衡方面的知识远远超过了吴重熹,他根据上面有刻度而把它定名为“王莽铜尺”。但是在当时历史条件下,吴大澂也无法认识这种测长工具的特殊用途,更无法把它定名为卡尺。

此外,罗振玉、柯昌济、容庚、刘体智等在他们的金石学专著中也都录有王莽卡尺。据目前所知,不算转录、重复的,至少也有5支。说明在清末不同时期、不同地点屡有类似的卡尺发现,而金石学家们都不知道这件器物的用途和它所包含的科学价值,大多把它看成一支王莽时期的尺。今国家博物馆、北京市艺术博物馆所藏的两支卡尺,是否就是清末各家著录中的两支,已经很难考证了。
    

    

新莽时期的测长工具——卡尺


    《汉书·律历志》中有关长度部分,只提到分、寸、尺、丈、引5个单位和进位关系。其中对“丈”作了专门的描述:“其法用铜,高一寸、广二寸、长一丈,而分、寸、尺、丈存焉。”这支铜丈1927年与新莽铜环权、铜衡杆同时出土,上面还刻有新莽81字诏文。铜丈未刻尺、寸线纹分度,出土时由于折断、弯曲而未得到应有的重视。后来与《汉书·律历志》相对照,才发现它与新莽铜嘉量分别为长度与容量的标准器,铜丈作用相当于近现代的端度尺。因为卡尺不属于标准器而是实用器,故《汉书·律历志》中没有提到,但是从新嘉量和铜丈这类标准器的制作,以及对度量衡器超前的设计思想与高精度的制造技术方面,完全可以相信,当时有能力设计出如卡尺一类的专用测长工具。


  在我国的汉代,科学技术已相当发达,发明了许多领先世界先进水平的器具和仪器,如大型的天文仪、龙骨水车、绳轮传动纺车等,这些机械设备中都有很多圆形或圆轴类的零件。用卡尺来测量这类工件,既方便又准确,大大提高了生产效率。王莽卡尺的发现、东汉卡尺的出土,说明距今2000多年前的西汉末年,我国的测长工具,已从一支直尺发展到能制造出既可以测量圆球体的直径,又便于测量深度、厚度多种用途的专用测长工具——卡尺。
    

新莽卡尺与游标卡尺


游标卡尺是适应现代工业需要而发明的高精度测长工具。早于游标卡尺1000多年的新莽卡尺,制造和测量准确度是无法与之相比的,我们只是从它的设计思想和应用方面作一些探讨,证明新莽卡尺确实在古代度量衡史上是一个值得关注的先进测长工具。汉代卡尺与现代游标卡尺有哪些相同与不同之处呢?仅从外形上看,二者极为相似,主要都是由有卡爪、有刻线的固定尺和另外一支活动尺两部分组成。不同之处在刻线上,汉代卡尺在固定尺上有分、寸刻度,活动尺上只刻寸,这样用它来对准主尺上的分度线则更清晰。而现代游标卡尺是运用了游标读数原理,刻线更精细,测量数据更精准。

中国古代卡尺与近现代游标卡尺相比,除了刻线准确度不高,不具游标读数外,几乎没有其他本质上的区别。中国的刻线卡尺在什么情况下,由谁发明制造的?史书缺乏记载,我们目前也无法知道。那么我们借助其他国家卡尺的发展史,来看看卡尺特殊用途和它的演进过程。

在新莽卡尺后又过了1000多年,欧洲出现了一种“卡钳尺”,“卡钳尺”仅由主尺和带有可活动的尺套两部分组成,主尺上有刻线,可在活动套中滑动,当主尺的卡爪和活动套的卡爪夹住被测工件时,便可以在套口读取测量值。新莽卡尺无论在器形上还是读数方法上,都远比西方的“卡钳尺”更接近现代的游标卡尺,而卡钳尺则要原始和简单得多。那么,游标卡尺是什么时期出现,由谁发明的呢?据《简明不列颠百科全书》介绍: 由法国数学家韦尼埃(Vernier,Pierre约公元1580~1637)于1631年发明的。

关于游标卡尺的发明还有另一种说法,即发明了游标读数原理,并不能证明已经制造出游标卡尺了。因为游标卡尺对于刻线精密度有极高的要求,手工刻线绝对达不到设计的要求,这种极精密的刻度,即使在一般的机械仪器上也无法实现。19世纪中叶,机械工业在英美等国家有了迅猛发展,对机械零件的准确度要求越来越高,必然会对测量工具提出更高的要求。美国优秀的机械工程师布朗·夏普,为了要生产一批高精度的刻线尺而反复研究、反复试验,终于发明了一台“自动刻线仪”,这台仪器上还有专门的刻线校准及补偿装置,大大提高了刻线的精密度,从而为生产游标卡尺提供了必要的技术条件。1851年,布朗·夏普又将游标读数原理运用到实践中,创造性地设计制造了第一批游标卡尺,共4把。经过检测,这4把游标卡尺测量范围在0~4英寸,准确度为0.001英寸(0.025毫米),达到了预期的设计效果。自从第一批游标卡尺制造成功后,这种先进的测长工具传播到世界各地,不到两年,全美以及德国、英国、法国、荷兰等先后普遍用上了这种先进的测长工具。同时,游标卡尺的制造技术也逐步提高、迅速发展,很快成为通用的测量长度的工具了。

从上述西方游标卡尺的发展史中,大致可以了解游标卡尺的发明决非一蹴而就,是经过数代人、几百年的努力,最后才得以成功。再回过头来与新莽卡尺作一比较,幸好卡尺上还留下了“始建国元年朔日”,让我们得以知道它的制造年代。而它是在什么历史条件下,由谁发明创造的?其使用和流传的时代,传承关系,又为何失传了?这些都已无法考证了。今天,我们将中国公元九年制造的卡尺,与距它一千七八百年后的现代游标卡尺,从器形和使用方法上作比较,便可以看到中国古代工匠的智慧和当时手工业的发达。可惜中国古代的这项发明被深深地埋葬了一两千年。

链接:游标卡尺的世界,你全了解吗?

本文刊发于《中国计量》杂志2013年第5期作者:中国标准化研究院  丘光明
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