La dynastie Song ( ; 960–1279) apporte les avancées techniques les plus significatives de l'histoire de la Chine, dont la plupart émanent des talentueux fonctionnaires recrutés par les examens impériaux.
L'ingéniosité des avancées en génie mécanique est une longue tradition en Chine. L'ingénieur de la dynastie Song Su Song admet que lui et ses contemporains se sont appuyés sur les travaux d'anciens tels que Zhang Heng (78-139), un astronome, inventeur et maître en matière d'engrenages.. L'utilisation des caractères d'imprimerie mobiles accélère l'usage déjà répandu de blocs en bois afin de pouvoir éduquer les étudiants confucianistes et le peuple. L'apparition de nouvelles armes utilisant de la poudre noire permet aux Song de survivre face à leurs ennemis, les dynasties Liao, des Xia occidentaux et des Jin, jusqu'à l'effondrement de la dynastie sous les coups des Mongols de Kubilai Khan à la fin du .
Des avancées notables en génie civil, génie maritime et métallurgie sont faites en Chine durant la période Song, comme l'introduction de moulins à vent en Chine durant le . Ces avancées, avec l'apparition du billet de banque, aident la révolution et le maintien de l'économie de la dynastie Song.
Polymathie et génie mécanique Polymathie vignette|gauche|Diagramme original du livre de Su Song en 1092, montrant le mécanisme interne de sa tour horloge avec la clepsydre, une roue à aubes avec des mesures et des échappements, un mécanisme par chaîne, la sphère armillaire couronnant le tout et la roue qui actionne des tambours, cloches et gongs pour annoncer les heures. Les personnalités polymathes comme Shen Kuo (1031-1095) et Su Shi (1020-1101) incarnent le début de l'âge d'or de la science et de la technique sous la période Song. Shen est connu pour sa découverte du vrai Nord et de la déclinaison magnétique du pôle Nord en calculant des mesures plus précises des méridiens. Il corrige également le calcul de la position de l'étoile polaire qui s'est déplacée au cours des siècles.. Cela permet aux marins de naviguer sur les mers de façon plus efficace grâce à la boussole, également conçue par Shen. Ce dernier est également réputé pour sa description des découvertes de Bi Sheng, l'inventeur des caractères d'imprimerie mobiles. Shen s'intéresse aussi à la géologie, en formulant la théorie de géomorphologie et des changements climatiques à travers le temps, après avoir observé d'étranges phénomènes naturels... En utilisant les connaissances de l'époque sur les éclipses solaires et lunaires, il prétend que le Soleil et la Lune sont sphériques et non plats, tout en développant le raisonnement des précédents astronomes chinois.. Avec son collègue Wei Pu du bureau d'Astronomie, Shen utilise des hypothèses cosmologiques en décrivant les variations des mouvements des planètes... Une des principales réussites de Shen, avec l'aide de Wei Pu, est la correction du calcul de l'orbite de la Lune, en observant son parcours trois fois par nuit pendant cinq ans.. Malheureusement, Shen a de nombreux ennemis politiques à la cour qui sont déterminés à saborder son travail. La cour accepte complètement ses nouveaux calculs sur les orbites lunaire et solaire, mais n'adopte que partiellement sa théorie sur les mouvements des planètes.
Su Song, un de ses adversaires politiques, écrit un fameux traité pharmaceutique en 1070, le Bencao Tujing, qui aborde la botanique, la zoologie, la métallurgie et la minéralogie... Cet ouvrage inclut des applications médicinales, dont l'usage d'éphédrine comme médicament.. Il est également l'auteur d'un important atlas céleste composé de cinq cartes du ciel. et d'un vaste écrit illustré sur la cartographie qui a aidé à résoudre les tensions frontalières entre les Song et leurs voisins Khitans de la dynastie Liao.. Toutefois, Su est plus connu pour sa tour horloge astronomique, couronnée d'une sphère armillaire actionnée mécaniquement, qui est érigée dans la capitale Kaifeng en 1088.. Le mécanisme d'échappement utilisé pour actionner l'horloge de Su ne sera utilisé en Europe que deux siècles plus tard... La tour horloge de Su utilise aussi la première transmission par chaîne connue dans le monde, comme son traité d'horlogerie l'indique en 1092.. L'enthousiasme de ces deux hommes à engager des fonctionnaires hautement qualifiés dans les différentes sciences a eu un bénéfice à la fois sur l'administration, l'organisation militaire, l'économie et le peuple.
Les intellectuels comme Shen Kuo touchent à divers sujets comme les mathématiques, la géographie, la géologie, l'économie, le génie civil, la médecine, la critique d'art, l'archéologie, la stratégie militaire et la diplomatie entre autres.. Au cours d'une courte mission d'inspection des frontières, Shen Kuo dessine une carte en relief en bois et colle, afin de montrer les montagnes, routes, rivières et passages aux autres fonctionnaires. Il reproduit chaque situation possible sur un plateau de jeu, et la possibilité d'une campagne plus longue pour tester les limites en approvisionnement de ses hommes.. Shen Kuo est aussi connu pour l'amélioration de la conception de clepsydres, de sphères armillaires, du gnomon et de lunettes astronomiques. Ceci lui a permis d'améliorer ses observations de l'étoile Polaire et d'autres corps célestes.. Il a également mené des expériences sur les chambres noires quelques dizaines d'années après la première expérimentation de Alhazen (965–1039)..
Odomètre et chariot pointant le sud Il existe de nombreuses personnalités importantes de l'époque Song, autres que Shen Kuo et Su Song, qui ont grandement contribué aux innovations technologiques de cette période. Bien que le système mécanique de mesure des distances par un chariot appelé odomètre est connu en Chine depuis la dynastie Han, le Song Shi, compilé en 1345, fournit une description plus détaillée que les anciennes sources chinoises. Le Song Shi indique que :
L'odomètre. [Le chariot de mesure des distances] est peint en rouge, avec des images de fleurs et d'oiseaux sur les quatre côtés et est construit en deux étages, joliment ornés de sculptures. À chaque li parcouru, la figure en bois d'un homme de l'étape inférieur frappe un tambour. Tous les 10 li, la figure de l'étage supérieur frappe une cloche. Les extrémités du chariot sont des têtes de phœnix et le tout est tiré par quatre chevaux. Son escorte était autrefois composée de , mais depuis la quatrième année de la période de règne Yongxi (987) l'empereur Taizong l'a augmenté à 10. La cinquième année de la période de règne Tian-Sheng (1027), le Chambellan en chef Lu Daolong a présenté des spécifications pour la construction d'odomètres comme suit : […].
Ce qui suit est une longue dissertation écrite par le Chambellan en chef Lu Daolong sur la taille des roues et des engins. Toutefois, le paragraphe de conclusion donne une description finale sur l'usage ultime de ce matériel :
Lorsque la roue horizontale centrale a effectué une révolution, le chariot aura parcouru un li et la figure en bois de l'étage inférieur frappera le tambour. Lorsque la roue horizontale supérieure a fait une révolution, le chariot aura parcouru dix li et la figure de l'étage supérieur frappera la cloche. Les rouages utilisés, grands et petits, mesurent au total, avec un total de 285 dents. Ainsi, le mouvement est transmis par des chaînes, les , mutuellement les unes avec les autres, de sorte que par chaque révolution tout revient à son point de départ..
De plus, le système d'odomètre de la période Song est couplé avec un système de chariot pointant le sud, qui est inventé la première fois par le mécanicien Ma Jun (200-265). Ce chariot est un véhicule à roues qui contient des rouages différentiels, utilisés de nos jours dans les automobiles modernes pour appliquer un même couple à des roues tournant à des vitesses différentes. Le rouage différentiel est utilisé ici pour maintenir une figurine pointant une direction dans une position fixe vers le sud. Ce système utilise donc des mécanismes complexes plutôt qu'une boussole magnétique. Yan Su (; c. 961–1040), le directeur divisionnaire du ministère du Travail, recrée un chariot pointant le sud en 1027. Les spécificités employées dans sa conception sont conservées dans le Song Shi.. Yan est un polymathe comme Shen Kuo et Su Song, qui a contribué à l'amélioration de conception de clepsydres, écrit des fonctions harmoniques, des théories sur les marées. Le Song Shi établit que l'ingénieur Wu Deren combine le chariot pointant le sud et l'odomètre en 1107 :
La première année de la période du règne Da-Guan (1107), le chambellan Wu Deren a présenté les spécifications d'un chariot pointant le sud et d'un odomètre. Les deux véhicules ont été fabriqués, et le premier utilisé pour la première fois cette année lors de la grande cérémonie du sacrifice ancestral..
Le texte décrit ensuite en détail la conception du mécanisme interne des deux systèmes combinés en un seul.
Monuments pivotants vignette|droite|Monument pivotant dans le Yingzao Fashi. En plus des clepsydres, sphères armillaires hydrauliques, odomètres et chariots pointant le sud, il existe d'autres systèmes mécaniques qui ont été développés durant la dynastie Song. Bien que les références littéraires sur les bâtiments pivotants mécaniques dans les temples bouddhistes remontent à 823 durant la dynastie Tang., leur usage se répand durant la période Song. De plus, le plus ancien bâtiment pivotant encore existant de nos jours date de la dynastie Song. Il a été découvert dans le monastère Longxing à Zhengding, dans la province du Hebei.. En outre, les neuf bâtiments pivotants les plus connus datent de cette époque et l'un d'eux est décrit dans le Yingzao Fashi () de Li Jie, écrit en 1103.. Le temple Kaifu près de Changsha abrite un bâtiment pivotant qui est actionné par cinq rouages. Celui du temple Nanchan à Suzhou possède un système de frein. Les sinologues n'ont pas réussi à percer tous les mystères de son fonctionnement puisque de tels systèmes sont apparus pour la première fois en Europe sous Léonard de Vinci.. Plus tard, le voyageur musulman Shah Rukh (fils du seigneur de guerre turco-mongol Tamerlan) visite la Chine de la dynastie Ming en 1420 et décrit un bâtiment pivotant dans la ville de Ganzhou, province du Gansu. Il le nomme :
Dans un autre temple, il y a un kiosque octogonal, qui possède quinze étages. Chaque étage contient des appartements décorés de laque, avec des vestibules et des vérandas... Il est entièrement fabriqué de bois poli et doré de telle façon qu'il semble être fait d'or brut. Il y a une cave en dessous. Un manche en acier fixé au centre du kiosque le traverse de haut en bas et la base de l'édifice est un plateau d'acier, tandis que l'extrémité supérieure sert de support au toit du pavillon. Ainsi, une personne dans la cave peut grâce à un léger effort faire pivoter ce grand kiosque. Tous les charpentiers, forgerons et peintres du monde apprendraient quelque chose pour leur métier en venant ici. !
Machine à tisser
Dans le domaine de la manufacture textile, Joseph Needham (1900-1995) prétend que les Chinois ont inventé la roue à tisser au ., et écrit que le mécanisme de commande par courroie est connu depuis le .. Le livre de Qin Guan, Can Shu (), datant de 1090, décrit une machine à enrouler la soie par oscillation. La soie est liée et enroulée à la bobine principale grâce à un mouvement de pédale. Dans ce système, le bras principal est actionné par un entraînement par courroie. Cette machine est illustrée dans le livre Geng Zhi Tu en 1237.. Une illustration plus élaborée est également fournie dans un livre datant du . Le livre de Qin Guan en 1090 décrit :
La poulie (en gardant la patte excentrée) est pourvue d'une rainure pour la réception de la courroie, une bande sans fin qui répond au mouvement de la machine qui met en rotation continue la poulie.