慢輪成形技術(shù)發(fā)展的機(jī)械學(xué)思考

熊春華，曾 瑜，鄭乃章

慢輪成形技術(shù)發(fā)展的機(jī)械學(xué)思考

熊春華，曾 瑜，鄭乃章

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

通過(guò)對(duì)比社會(huì)學(xué)調(diào)查和考古資料，推測(cè)古代慢輪成形技術(shù)的發(fā)展歷程為泥條盤(pán)筑、初級(jí)慢輪到泥條拉坯、高級(jí)慢輪。運(yùn)用機(jī)械學(xué)知識(shí)對(duì)慢輪進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，得出慢輪是一種省力費(fèi)距離的杠桿；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與其質(zhì)量和半徑成正比，決定轉(zhuǎn)動(dòng)持久性；通過(guò)配重、車(chē)筒提高慣性、穩(wěn)定性；滑動(dòng)摩擦力大是其缺陷，影響轉(zhuǎn)動(dòng)持久性。慢輪是中國(guó)古代陶瓷成形技術(shù)史上最早的機(jī)械裝置，其發(fā)展存在演變規(guī)律。

制陶技術(shù)；慢輪成形；運(yùn)動(dòng)分析

0 引 言

慢輪成形技術(shù)主要存在于原始社會(huì)制陶中，考古發(fā)掘?qū)嵨锵∩伲墨I(xiàn)記載寥寥，國(guó)內(nèi)外關(guān)于中國(guó)古代制陶工藝尤其是成形技術(shù)的研究較少，八十年代后李文杰等學(xué)者發(fā)表了關(guān)于慢輪成形技術(shù)較系統(tǒng)的論著[1]。但此后學(xué)者的研究方法和視點(diǎn)創(chuàng)新較少，尤其是對(duì)慢輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的分析較淺，欠缺以技術(shù)發(fā)展規(guī)律對(duì)慢輪向快輪的演進(jìn)趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)。

本文以機(jī)械學(xué)角度，對(duì)關(guān)于慢輪技術(shù)的社會(huì)學(xué)調(diào)查和考古資料進(jìn)行部分總結(jié)，初步推測(cè)中國(guó)古代慢輪技術(shù)發(fā)展進(jìn)程，對(duì)其進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，并歸納其地位及向快輪成形技術(shù)的演進(jìn)規(guī)律，填補(bǔ)該研究領(lǐng)域的部分空白。

慢輪成形技術(shù)是從手制到輪制的關(guān)鍵過(guò)渡技術(shù)，促進(jìn)了中國(guó)原始制陶業(yè)的發(fā)展，并為快輪乃至瓷器的發(fā)明打下了技術(shù)基礎(chǔ)，在中國(guó)古代科學(xué)技術(shù)史上占有重要地位。對(duì)慢輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析研究，及對(duì)其技術(shù)演進(jìn)規(guī)律的歸納總結(jié)，對(duì)促進(jìn)中國(guó)陶瓷技術(shù)與機(jī)械發(fā)展史的交叉研究具有一定的意義。

1 從相關(guān)研究資料推測(cè)慢輪演變歷程

原始、傳統(tǒng)慢輪技術(shù)考察報(bào)告：由于中國(guó)普遍使用快輪制瓷，慢輪多為遠(yuǎn)古制陶用，考古發(fā)掘及文獻(xiàn)資料稀少。但西南少數(shù)民族、部分地方仍保存著較原始、傳統(tǒng)的慢輪成形技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)推測(cè)古代中國(guó)慢輪成形技術(shù)演變歷程具有一定借鑒意義。

1.1 各類(lèi)慢輪特點(diǎn)

(1)泥條盤(pán)筑：云南西雙版納傣族曼賀寨將平底墊板擱大腿上、曼各寨以圓底轉(zhuǎn)盤(pán)置地面轉(zhuǎn)動(dòng)；曼炸寨以木軸插入地內(nèi)，套上木輪盤(pán)用腳趾撥動(dòng)，成形速度和規(guī)整度顯著提高；曼斗寨輪盤(pán)呈倒圓臺(tái)體，底部嵌竹筒置木軸上，以足趾撥動(dòng)(圖1)[4]。

(2)泥條拉坯：曼朗寨輪盤(pán)厚重，用手撥動(dòng)；廣西靖西龍騰中屯輪盤(pán)(圖2)盤(pán)柱一體[5]；念者屯用腳蹬輪；山東為一人蹬輪一人制坯，薛家窯用木條、鐵絲加固盤(pán)底，中間置帶孔厚橫木，柘溝鎮(zhèn)與之類(lèi)似；西城匯鐵制圓錐位于厚輪盤(pán)背面，與粗木軸頂圓窩契合，盤(pán)底附木框，套在豎嵌若干鐵條的軸上。

筆者認(rèn)為成熟快輪應(yīng)滿(mǎn)足三個(gè)條件：一次拉坯、一人操作和可用棍攪。由于泥條拉坯技術(shù)先以慢輪慢轉(zhuǎn)泥條盤(pán)筑，再短時(shí)急轉(zhuǎn)輪盤(pán)，分段提拉器壁成粗坯，無(wú)法一次成形；山東類(lèi)形慢輪甚至需要兩人操作，一人專(zhuān)門(mén)蹬輪；各類(lèi)泥條拉坯技術(shù)使用的輪盤(pán)都不是以棍攪動(dòng)。故泥條拉坯應(yīng)不是嚴(yán)格意義上的快輪成形技術(shù)，屬于慢輪到快輪間過(guò)渡技術(shù)。本文稱(chēng)其成形工具為高級(jí)慢輪(初級(jí)快輪)，對(duì)泥條盤(pán)筑后慢轉(zhuǎn)修整的工具稱(chēng)為初級(jí)慢輪。

表1 部分典型原始、傳統(tǒng)陶器成形技術(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of some commonly-used primitive and traditional forming technologies

圖1 曼斗寨慢輪構(gòu)造Fig.1 Slow wheel structure from Mandouzai

1.2 慢輪考古發(fā)掘

跨湖橋木質(zhì)陀形器可能是發(fā)現(xiàn)最早的慢輪構(gòu)件(圖3、4)：略呈梯形圓臺(tái)，臺(tái)面有凸起小圓柱，或?yàn)槁喌妮S[6]。李湘生認(rèn)為秦安大地灣遺址石環(huán)(圖5)是制陶輪盤(pán)：兩面較平，直徑約12 cm，厚2-3 cm，孔中間窄兩邊寬，最大直徑約3 cm；石棍是軸：長(zhǎng)約10 cm，直徑3-4 cm，兩頭尖，一頭留有旋轉(zhuǎn)痕跡。推測(cè)以軸插入地面或木頭，石環(huán)安在軸上，加上動(dòng)物油脂潤(rùn)滑便能轉(zhuǎn)動(dòng)[7]。西安半坡遺址斜腹翻唇盤(pán)(圖6)：腹淺斜，底小，倒置時(shí)唇方折外翻下垂，末端有倒置唇面[8]。禚振西以此為制陶轉(zhuǎn)盤(pán)：使用時(shí)小底在下，用手推動(dòng)使之繞中軸旋轉(zhuǎn)[9]。李仰松認(rèn)同陶盤(pán)為制陶用，但提出應(yīng)為小底朝上，置于木制慢輪輪盤(pán)。因小平底朝上，大底向下，置輪盤(pán)上較平穩(wěn)，便于泥條盤(pán)筑；盤(pán)腹部反弧形向下，外圈寬沿內(nèi)折成凹槽，可暫存修坯削下的泥片，易于移走陶轉(zhuǎn)盤(pán)；可將陶坯倒置于寬平沿面、反扣在凹槽內(nèi)或在槽內(nèi)置器座放上陶坯進(jìn)行彩繪等精細(xì)工序[4]。李文杰根據(jù)考古發(fā)掘復(fù)制北魏慢輪(圖7)：輪盤(pán)呈餅狀，由整塊或數(shù)塊木板拼接制成；車(chē)筒上部為實(shí)心、方柱形樺頭，垂直插入輪盤(pán)中央卯眼，下部為空心圓筒；車(chē)樁下部垂直栽入車(chē)坑底部土中。車(chē)筒套在車(chē)樁上部，用手或腳趾撥動(dòng)輪盤(pán)[10]。

圖2 靖西龍騰中慢輪輪盤(pán)Fig.2 Medium-slow wheel from Longteng, Jingxi

圖3 跨湖橋慢輪底座Fig.3 Base of slow wheel from Kuahuqiao

圖4 跨湖橋慢輪假想圖Fig.4 Hypothetical drawing of slow wheel from Kuahuqiao

圖5 秦安大地灣石環(huán)、石棍Fig. 5 Stone ring and rod from Dadiwan, Qin’an

圖6 西安半坡仰韶文化陶轉(zhuǎn)盤(pán)Fig.6 Potter’s wheel from Yangshao Culture in Banpo, Xi’an

結(jié)合以上社會(huì)學(xué)調(diào)查和考古資料，可初步推測(cè)中國(guó)古代慢輪成形技術(shù)發(fā)展歷程：先是泥條盤(pán)筑：從平底木墊板置地面或大腿上大圓心轉(zhuǎn)動(dòng)；到圓底轉(zhuǎn)盤(pán)地面近似定軸轉(zhuǎn)動(dòng)；再有輪盤(pán)附配重物或車(chē)筒，繞固定豎直軸做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可慢輪修整器坯的初級(jí)慢輪；最后是泥條拉坯：轉(zhuǎn)速更快、更持久的高級(jí)慢輪。

2 慢輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與缺陷分析

慢輪的軸對(duì)輪盤(pán)形成約束，使其作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。軸底深入地面固定，以錐形頂端支撐輪盤(pán)，用腳蹬或手撥輪盤(pán)，克服輪軸間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)。

把慢輪輪盤(pán)視作圓柱剛體，省去車(chē)筒等配重結(jié)構(gòu)，則慢輪機(jī)械裝置可簡(jiǎn)化為由輪盤(pán)和軸構(gòu)成的杠桿?，F(xiàn)以輪盤(pán)為對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析(圖8)：

慢輪杠桿支點(diǎn)是軸的錐形尖端，動(dòng)力F沿切線(xiàn)方向作用在半徑為R的輪盤(pán)邊沿；阻力P為輪盤(pán)所受滑動(dòng)摩擦力大小之和，r是軸半徑。則輪盤(pán)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有：

因動(dòng)力臂R大于阻力臂r，得F小于P，慢輪為省力、費(fèi)距離的杠桿。

由于慢輪利用輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性制陶(尤其是泥條拉坯技術(shù))，要求轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、具有一定的持久性，不可降速過(guò)快。故影響慢輪成形效果的關(guān)鍵因素是輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性大小。圓柱剛體有：

即慢輪輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與其質(zhì)量及半徑成正比。由于慢輪輪盤(pán)大多高出地面，制陶者坐在板凳上，用手或腳趾撥輪，受限于人的體型。為保證正常制陶，盤(pán)徑不能過(guò)大，當(dāng)盤(pán)徑大到一定限度時(shí)，要繼續(xù)增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，只有通過(guò)加重即增厚來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于古代加工技術(shù)落后，慢輪輪軸間接觸面不是整個(gè)軸頂圓錐面，輪盤(pán)和圓錐體間存有空隙，旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生以軸頂圓錐尖端為支點(diǎn)的晃動(dòng)，影響其工作面穩(wěn)定，器物易歪斜。部分慢輪通過(guò)使輪盤(pán)整體向下延伸增重，如云南類(lèi)型呈倒圓臺(tái)體，廣西類(lèi)型為盤(pán)柱一體；山東類(lèi)型在盤(pán)底附加配重橫木或木框。這些措施在提高慣性的同時(shí)增加輪軸間接觸面深度，減小晃動(dòng)幅度，提高穩(wěn)定性。如前文提到的龍騰中屯慢輪，通高23(盤(pán)高3、柱高20)厘米，盤(pán)徑43、柱徑30厘米，甚厚重。軸高25、最大直徑6厘米，深入輪盤(pán)內(nèi)18厘米[5]。

結(jié)合前文推測(cè)的慢輪演變歷程和以上慢輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，可得慢輪成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是：不斷增厚、附加配重木材或車(chē)筒，增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣性和穩(wěn)定性。

慢輪缺陷：影響慢輪成形效果的另一關(guān)鍵因素是輪軸間滑動(dòng)摩擦力：

其中，N為輪軸接觸面間的正壓力，μ與輪盤(pán)和軸的材料、表面粗糙度和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等有關(guān)。滑動(dòng)摩擦力越大，轉(zhuǎn)動(dòng)需克服摩擦力做的功增加，動(dòng)能損耗大，減速快，故摩擦力大小同樣影響慢輪輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)持久性。

圖7 北魏慢輪構(gòu)造Fig.7 Slow wheel structure of Northern Wei Dynasty

圖8 輪盤(pán)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析Fig.8 The kinematic analysis of the wheel structure

慢輪通過(guò)增厚、底部配重或增加車(chē)筒，使輪盤(pán)提高慣性、增加輪軸間接觸深度和面積，提高轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)性。但增重同時(shí)使輪盤(pán)對(duì)軸錐形頂端接觸面的正壓力增加，由公式(3)得滑動(dòng)摩擦力增大，故輪盤(pán)質(zhì)量不可過(guò)重；同時(shí)輪軸間接觸面增大使輪軸間側(cè)接觸面的正壓力增加，同樣導(dǎo)致滑動(dòng)摩擦力增加。此外即使選擇硬度、耐磨性和加工性能較好的木材制作，木制輪盤(pán)和軸之間較大的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，仍使接觸面很快磨損，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)精度降低，穩(wěn)定性下降。

綜上所述，慢輪通過(guò)不斷配重、增加車(chē)筒的方式提高慣性、穩(wěn)定性，導(dǎo)致其具有摩擦阻力大的缺陷，轉(zhuǎn)速低、持久性差，無(wú)法一次拉坯成形，修坯工作量大，效率及使用壽命低。實(shí)現(xiàn)部分輪制的泥條提拉成形已達(dá)其技術(shù)發(fā)展的極限。如泥條盤(pán)筑的曼各寨慢輪腳趾撥每分鐘6至10圈，泥條拉坯的曼朗寨慢輪用手急轉(zhuǎn)達(dá)每秒3-5圈[3]，但很快減慢，故只能分段提拉；廣西壯族慢輪成形平均20分鐘，而湖北枝江快輪成形僅需1-5分鐘[5]。

3 慢輪的地位及向快輪演變的趨勢(shì)

3.1 慢輪成形技術(shù)的地位

慢輪成形技術(shù)的發(fā)展、成熟，促進(jìn)了早期制陶技術(shù)的進(jìn)步。比起使用簡(jiǎn)單工具做大圓心運(yùn)動(dòng)，不穩(wěn)定且轉(zhuǎn)速極慢、不持久的墊板制陶，做更平穩(wěn)的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速、持久性大幅提升的輪軸組合機(jī)械慢輪極大提高了陶器成形效率及規(guī)整度。使用慢輪成形的泥條盤(pán)筑、泥條拉坯技術(shù)，是手制到輪制之間的關(guān)鍵過(guò)渡技術(shù)，在中國(guó)陶瓷成形技術(shù)史具有重要地位。

3.2 慢輪向快輪演變的趨勢(shì)

為降低輪軸間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)以降低損耗、保證平穩(wěn)并提高持久性，除使用動(dòng)物油脂作潤(rùn)滑劑外，慢輪向快輪演變的趨勢(shì)為：輪盤(pán)與軸的錐形尖端接觸部位采用與木材間滑動(dòng)摩擦系數(shù)小、表面粗糙度小的材料過(guò)渡，出現(xiàn)類(lèi)似軸承作用，降低輪軸間的摩擦系數(shù)的構(gòu)件，即瓷質(zhì)或鐵質(zhì)軸頂碗。因?yàn)橄啾饶静暮湍静?，木材和鐵質(zhì)或瓷質(zhì)物體之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)要?。粧仐壍撞颗渲鼗蜍?chē)筒設(shè)計(jì)，僅以圓環(huán)狀的瓷質(zhì)或鐵質(zhì)蕩箍在軸下部小面積接觸，并通過(guò)木條與輪盤(pán)連接，保證旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的同時(shí)，減小輪軸接觸面積，從而減小其正應(yīng)力，降低滑動(dòng)摩擦力。

為繼續(xù)增大慣性，慢輪的另一發(fā)展趨勢(shì)為：軸深入地面，輪盤(pán)與地面略低近平行，制坯者平行地面而坐，從而可在不影響制陶的前提下增大盤(pán)徑從而增加其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；由于輪盤(pán)是圓柱體，半徑增加時(shí)可減小其厚度保持質(zhì)量不變。由又公式(1)，盤(pán)徑增大同時(shí)使動(dòng)力臂增大，轉(zhuǎn)動(dòng)更省力。故慢輪由厚重向快輪的扁平化發(fā)展；為增大動(dòng)力臂，慢輪還有一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：改以腳趾、手撥動(dòng)為使用長(zhǎng)棍攪動(dòng)，制陶者施力點(diǎn)在輪盤(pán)之外，在其半徑長(zhǎng)度基礎(chǔ)上延長(zhǎng)動(dòng)力臂。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比社會(huì)學(xué)調(diào)查和考古資料，推測(cè)慢輪技術(shù)的發(fā)展歷程為：初級(jí)慢輪、泥條盤(pán)筑到高級(jí)慢輪、泥條拉坯。慢輪為快輪出現(xiàn)、瓷器發(fā)明打下了技術(shù)基礎(chǔ)，是手制到輪制的關(guān)鍵過(guò)渡成形工具。慢輪是省力費(fèi)距離杠桿；輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與質(zhì)量和半徑成正比，決定轉(zhuǎn)動(dòng)持久性，是成形關(guān)鍵；輪盤(pán)向下延伸，或附加配重、車(chē)筒以提高慣性、增加輪軸接觸面深度故提高穩(wěn)定性?；瑒?dòng)摩擦力與輪軸接觸面間的正壓力、滑動(dòng)摩擦系數(shù)成正比，并與輪盤(pán)和軸的材料、表面粗糙度等有關(guān)，影響持久性。慢輪提高慣性、穩(wěn)定性的方式導(dǎo)致缺陷：摩擦力大，泥條拉坯技術(shù)已達(dá)其技術(shù)發(fā)展極限。慢輪向快輪演變趨勢(shì)：輪軸接觸部位采用滑動(dòng)摩擦系數(shù)、表面粗糙度小的材料過(guò)渡；拋棄配重或車(chē)筒，僅通過(guò)環(huán)狀物在軸下部小面積接觸，并以木條連接輪盤(pán)；軸深入地面，盤(pán)面與地面平行，制坯者坐于地面；減小厚度，增加半徑，改腳、手撥動(dòng)為以棍攪動(dòng)輪盤(pán)。

圖9 慢輪缺陷分析Fig.9 Slow wheel defect analysis

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The Mechanical Thinking of the Forming Technology of Slow Wheel

XIONG Chunhua, ZENG Yu, ZHENG Naizhang
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

By comparing sociological investigation results with archaeological data, it can be speculated that ancient ceramic forming technology of slow wheel developed from coil building to on primary slow wheel to throwing on advanced slow wheel. The mechanical analysis of the slow wheel motion indicates that the slow wheel is a kind lever that saves labor but moves a long distance. The rotational inertia is in direct proportion to the mass and radius, and decides the persistence of rotation; inertia and stability can be improved by adding weight or wooden barrel; high sliding friction is a defect which affects the persistence of rotation. The slow wheel is the earliest mechanism ever used in Chinese history for ancient ceramic forming and it has evolved by its own law.

pottery making technology; slow wheel forming; kinematic analysis

date:2017-02-15. Revised date: 2017-02-18.

TQ174.5

A

1006-2874(2017)03-0016-06

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.03.004

2017-02-15。

2017-02-18。

江西省社會(huì)科學(xué)規(guī)劃辦公室(15WB17)。

Correspondent author:ZHENG Naizhang, male, PH.D., Professor.

鄭乃章，男，教授，博士。

E-mail:znz1162@163.com