800年前的水力機械，很厲害

吳鉤

曲柄連桿機構(gòu)是旋轉(zhuǎn)運動與直線往復(fù)運動得以相互轉(zhuǎn)化的核心裝置，不管是古人用來拉動風箱的水排，還是今天汽車的汽缸活塞，都必須運用曲柄連桿機構(gòu)。至遲在宋代，人們已掌握了曲柄連桿機構(gòu)的基本原理，并應(yīng)用到水力機械裝置中。

李約瑟說：“對于科技史家來說，唐代不如宋代那樣有意義，這兩個朝代的氣氛是不同的。唐代是人文主義的，而宋代較著重科學(xué)技術(shù)方面……每當人們在中國的文獻中查找一種具體的科技史料時，往往會發(fā)現(xiàn)它的焦點在宋代，不管在應(yīng)用科學(xué)方面，或純粹科學(xué)方面，都是如此?！绷C械技術(shù)也一樣。研究者認為，“10—14世紀對于中國古代水力機械來說更是一個特殊的時期，在這一時期里，中國古代水力機械在前代發(fā)展的基礎(chǔ)上，取得了前所未有的更為輝煌的成就。這一時期誕生了許多卓越的水力機械，這些水力機械的發(fā)明，與其他方面的成就一道，使這一時期成為了中國古代科技發(fā)展的高峰。”

水轉(zhuǎn)大紡車

元代王禎《農(nóng)書》記載的水轉(zhuǎn)大紡車，裝有三十二枚綻子，在水力帶動下，“弦隨輪轉(zhuǎn)，眾機皆動，上下相應(yīng)，緩急相宜，遂使績條成緊，纏于韌上，晝夜紡績百斤”。而人力操作的手搖紗車與腳踏紡車，一天勞作，最多也只可紡紗三二斤。

用來加捻麻紗的“水轉(zhuǎn)大紡車”，據(jù)《農(nóng)書》記述，元代時應(yīng)用已非常廣泛，“或眾家績多，乃集于車下，秤績分，不勞可畢。中原麻布之鄉(xiāng)，皆用之?！彼拇ǘ冀咭粠ВD(zhuǎn)大紡車的應(yīng)用也很普遍，《蜀堰記》載，“緣渠（指都江堰）所置碓硙紡績之處以千萬數(shù)，四時流轉(zhuǎn)而無窮”。但我們相信，至遲在南宋后期，水轉(zhuǎn)大紡車已經(jīng)應(yīng)用于紡織手工業(yè)中。

可惜，宋元時期應(yīng)用廣泛的水轉(zhuǎn)大紡車，在明清時又差不多銷聲匿跡了。有人認為，因為水轉(zhuǎn)大紡車沒有牽伸機構(gòu)，只能用來加捻長纖維的麻與絲，而無法應(yīng)用于短纖維的棉。隨著棉紡織業(yè)對麻紡織業(yè)的取代，水轉(zhuǎn)大紡車也就退出了歷史舞臺?？墒?，為什么不能對水轉(zhuǎn)大紡車的技術(shù)稍加改良，使之適用于棉紡織業(yè)呢？要知道，英國的阿克萊水力紡紗機正是在中國的水轉(zhuǎn)大紡車技術(shù)的基礎(chǔ)上改良而來。

“水輪三事”

《農(nóng)書》還記錄了一種叫做“水輪三事”的技術(shù)，“謂水轉(zhuǎn)輪軸可兼三事，磨、礱、碾也。初則置立水磨，變麥作面，一如常法。復(fù)于磨之外周造碾圓槽。如欲毇米，惟就水輪軸首易磨置礱。既得糲米，則去礱置碾，碢幹循槽碾之，乃成熟米。夫一機三事，始終俱備，變而能通，兼而不乏，省而有要，誠便民之活法、造物之潛機?！蓖醯澴灾^“水輪三事”乃是他首創(chuàng)，“今創(chuàng)此制，幸識者述焉”。

不過，中國社科院歷史研究所的郭正忠教授卻考證出，“水輪三事”早在宋代已得到應(yīng)用。郭正忠教授的依據(jù)來自北宋張舜臣的《水磨賦》，賦中寫道：“徒觀夫老稚咸集，麥禾山積；碓臼相直，齒牙相切；碾磨更易，晝夜不息?！睆摹端ベx》“不難看出，這‘晝夜不息地運轉(zhuǎn)著的，是一種多功能的水磨。它的特殊裝置，可以將磨換成碾，水輪的輪軸上，還連接著一副或幾副碓臼?！?/p>

《水磨賦》又說，“彼華山三峰之飛瀑，呂梁百步之噴沫，獨有賞心之玩，曾無利物之實。未若斯磨也，不逾尋丈之間，不匱一夫之力，曾無崇朝之久，而可給千人之食。如是則驢馬不用，麥城任堅，農(nóng)夫力穡，知者圖焉。故君子役其智，小人享其利，真為一鄉(xiāng)之賴，豈止一家之事！”這樣一間水力磨坊，一個早晨的工夫就可以加工出“給千人之食”的糧食。這是不是文學(xué)體例的夸飾之詞呢？不是，因為《農(nóng)書》的記載可相印證：“水轉(zhuǎn)連磨，……此一水輪可供數(shù)事，其利甚溥。嘗至江西等處見此制度，俱系茶磨，所兼碓具，用搗茶葉，然后上磨。若他處地分，間有溪港大水，仿此輪磨，或作碓碾，日得谷食，可給千家?！?/p>

水轉(zhuǎn)連磨

《農(nóng)書》所記錄的水轉(zhuǎn)連磨，究竟是什么樣子的呢？山西繁峙縣巖山寺金代壁畫中有一幅《水碓磨坊圖》，可以讓我們一窺宋代水轉(zhuǎn)連磨的構(gòu)造。需要說明的是，繪制巖山寺壁畫的王逵，原是生活在北宋東京的畫師，他描繪的圖景全是宋朝社會風貌，這一幅《水碓磨坊圖》也應(yīng)該是北宋東京汴河水磨坊的寫照。

從《水碓磨坊圖》及其“機械原理示意圖”可以看出來，這個磨坊建造在水流湍急的河岸（通常是閘口的下方），由一具立式水輪提供動力，穿過水輪的傳動軸非常長，一端裝了橫木，“水激輪轉(zhuǎn)，則軸間橫木間打所排梢，一起一落舂之”，撥動碓桿，用于舂米脫殼；另一端裝有齒輪，通過齒輪傳動系統(tǒng)帶動磨盤，用來磨面。

水擊面羅

這樣的水力磨坊在北宋東京的河岸邊是非常常見的。上海博物館藏的《閘口盤車圖卷》，畫的就是汴河邊的一間大型水力磨坊。畫卷作者原認定為五代的衛(wèi)賢，但一些學(xué)者根據(jù)繪畫的筆墨風格與人物服飾細節(jié)，相信此圖的創(chuàng)作時間應(yīng)該是北宋后期，而不是五代，作者很可能就是繪制《清明上河圖》的張擇端。

現(xiàn)在我們先來看看《閘口盤車圖卷》透露出來的水磨技術(shù)。利用水力驅(qū)動磨盤轉(zhuǎn)動并無多少技術(shù)上的難度，不過《閘口盤車圖卷》出現(xiàn)了一個很高明的裝置，位于大磨盤右側(cè)的機房內(nèi)，是磨坊用來篩面粉或茶末的工具，叫“水擊面羅”。王禎《農(nóng)書》也提到水擊面羅：“羅因水力，互擊樁柱，篩面神速，倍于人力?！彼畵裘媪_的技術(shù)難點是如何使水輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為周而復(fù)始的直線往復(fù)運動?！堕l口盤車圖卷》的水擊面羅被機房建筑物遮掩，未能展現(xiàn)出完整的構(gòu)造。好在上世紀60年代，鄭為先生已經(jīng)將這個水擊面羅的結(jié)構(gòu)用示意圖復(fù)原出來。

鄭為先生復(fù)原的水擊面羅結(jié)構(gòu)示意圖顯示：宋人是利用曲柄連桿機構(gòu)將水輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為面羅的往復(fù)運動的，又通過設(shè)立撞柱讓面羅撞擊，使面羅有力地抖動，從而產(chǎn)生篩面的動能。

曲柄連桿機構(gòu)是旋轉(zhuǎn)運動與直線往復(fù)運動得以相互轉(zhuǎn)化的核心裝置，不管是古人用來拉動風箱的水排，還是今天汽車的汽缸活塞，都必須運用曲柄連桿機構(gòu)。而《閘口盤車圖卷》無可辯駁地告訴我們，至遲在宋代，人們已掌握了曲柄連桿機構(gòu)的基本原理，并應(yīng)用到水力機械裝置中。