探秘古代精密测量工具

2023-09-08生膨菲陈典

知识就是力量 2023年9期

生膨菲陈典

在现代工业中，游标卡尺是不可或缺的精密测量工具之一，它精准地守护着每一寸空间。事实上，在没有先进科技设备的古代，人们也能进行精确测量。新莽卡尺（又称新莽铜卡尺）的出土，让我们对古代测量工具有了更加深入的认识。让我们跟随它的脚步，一起打开探索古代精密测量的大门吧！

古人的长度测量法

在古代中国，测量长度是一项重要而复杂的事情。早期，古代的度量衡（指在日常生活中用于计量物体长短、容积、轻重的物体的统称）主要依靠自然界的物体进行测量。然而，随着社会的发展和生产活动的复杂化，人们对更准确的测量的需求日益迫切。

早在商代，工匠便开始使用标有刻度的尺子进行测量，这就是中国古代标尺的雏形。古代标尺的应用广泛而多样，它们在建筑、工程、农业、手工艺等领域都扮演着重要的角色。在建筑方面，使用标尺可以测量房屋的长度、宽度和高度，确保建筑的稳固和美观；而在农业方面，标尺可以帮助农民测量田地的大小，合理规划农作物的种植，从而提高农作物的产量。古代标尺不仅提高了生产效率，也为古代科技的发展打下了坚实基础。

标有刻度的商代骨尺

中國古人创造了丰富多彩的长度单位体系，这在许多古诗词中都有所体现，例如，“不积跬步，无以至千里”中的“跬”“步”也是一种长度单位，举足一次为“跬”，举足两次为“步”。战国时期的《考工记》中提到“十分寸之一谓之枚”，即1/10寸的单位称作“枚”（后来演变为“分”），这是当时最小的长度单位。到了西汉末期，刘歆欲助王莽改制，在他的《三统历谱》中首次出现了“分”以下的长度单位“厘”和“毫”。在传世的新莽（王莽建立的新朝，公元9年～23年）嘉量铭文中，也记有“厘”“毫”这样的长度单位。这些单位在不同历史时期和地域都有一定的差异，但大体上遵循着统一的标准。

来自两千年前的“祖先”卡尺

卡尺是一种比标尺更加精准的度量工具。虽然它的发明可追溯到很早的时代，但这种专用的测量工具却一度没有任何记载，导致它的发展历史、使用范围以及使用方法都已经失传。直到19世纪末，一位名叫吴重熹的学者发现了一件铭刻新莽年号、上有鱼鳞纹、奇形怪状的器物，但他并不知道这其实是一种测量工具，而是误将其视为一把大钥匙。此后，一些学者也曾记录清朝末年在山东、陕西等地出土过类似的古代卡尺。

1992年，在江苏省扬州市西北8千米外的邗江县姚湾东汉早期墓中，出土了一件青铜卡尺——这便是新莽铜卡尺。

扬州出土的这件卡尺，做工十分精湛。它由固定尺和活动尺两个主要部件组成。在固定尺的顶端，有一个鱼形柄，鱼形柄中间还有一个导槽，槽内放置了一个导销，可以引导活动尺移动；在活动尺上，还有一个环形拉手，方便拉动活动尺。使用时，一只手握住活动尺，用拇指牵动环形拉手，左右移动，这与现代卡尺的使用方式完全相同。这件铜尺不仅能测量物体的长、宽、厚，还能测量器物的深度等，使用场景多，精度也更高了。

现代游标卡尺和新莽铜卡尺的对比图（绘图/ 黄金）

这件青铜卡尺与现代游标卡尺有着惊人的相似度。从组成的主要构件来看，铜卡尺的固定尺和活动尺，即可视为现代游标卡尺的主尺和副尺；而铜卡尺的组合套、导槽和导销，则相当于现代游标卡尺的游标架……两者之间的许多部分都可以一一对应。

新莽铜卡尺被认为是古代标尺的一次重要创新，其精确度在当时已经达到了令人惊叹的程度。根据古籍与铭文的记载，新莽铜卡尺的精度已经能够测量当时长度单位“分”以下的细微尺寸，甚至可以测量“厘”和“毫”这样微小的尺度。

进化吧，卡尺

不同于现代游标卡尺，新莽铜卡尺的固定尺和游标尺上的刻度是完全对齐的。如果你使用过游标卡尺，就会发现，游标卡尺的主尺和游标尺上的刻度并非完全对齐，而是存在微小的差异。这种微小的差异，使现代游标卡尺具备了其最重要的测微功能。

现代游标卡尺

在新莽卡尺后又过了1000多年，17世纪的法国数学家韦尼埃才发明了精确的游标读数原理。随之出现了一种仅由主尺和可活动尺套组成的卡钳（qián）尺，主尺上刻有刻度线，而活动套可以滑动，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。

随着新型的生产用品和生活器具的发明，许多形状特殊的零部件需要更精确的测量。一般的卡钳尺已无法满足测量精度的需要，因此，现代游标卡尺应运而生。到了19世纪中叶，美国机械工程师布朗·夏普发明了一台自动刻线仪，大大提高了刻度线的精密度，为生产游标卡尺提供了必要的技术条件。不到两年时间，全美以及德国、英国、法国、荷兰等地相继使用了这种先进的测长工具。同时，游标卡尺的制造技术逐步提高，很快成为各国通用的长度测量工具。

新莽卡尺的出现，代表着古人对精准测量的向往。它的精准程度和优雅设计，令人叹为观止。新莽卡尺宛若一颗璀璨的明珠，照亮了当时世界计量史的黑夜，映照着中国古代科技成就的辉煌历程。

知识拓展游标卡尺测微的原理

以10分度游标卡尺为例，当固定尺上的最小刻度是1毫米时，游标尺上的最小刻度则是9毫米的10等分，即0.9毫米。因此，当固定尺和游标尺的0线对齐时，每相邻的两条刻线之间的距离分别是0.01厘米、0.02厘米，以此类推，到第九线则相差0.09厘米。通过计算这种微小差异，可以将读数的精确度提高近一个数量级。