中國古代對(duì)活塞裝置的利用與認(rèn)識(shí)

溫曉敏，段海龍

（內(nèi)蒙古師范大學(xué)科學(xué)技術(shù)史研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010022）

活塞裝置是中國古代器具中重要的組成部件，研究活塞的使用情況，可為中國古代機(jī)械史研究提供一條線索。已有學(xué)者在相關(guān)器械的研究中關(guān)注過中國古代的活塞裝置，如李文、戴吾三“‘鞲鞴’譯名考源”對(duì)西方活塞裝置傳入中國被譯為“鞲鞴”的歷史做了考證[1]，李約瑟對(duì)活塞裝置進(jìn)行專門研究，《中國科學(xué)技術(shù)史·機(jī)械卷》等書也專門對(duì)活塞裝置進(jìn)行相關(guān)論述等[2]。試圖對(duì)活塞在中國古代的使用情況進(jìn)行梳理，嘗試探析古代活塞裝置的演變過程，兼論中國古人對(duì)活塞的認(rèn)識(shí)。

1 中國傳統(tǒng)器具中活塞的使用

1.1 “唧筒”并非全是活塞裝置

中國古代文獻(xiàn)中，“唧筒”一詞多用于滅火器具的稱謂，但其裝置不完全相同。有些“唧筒”結(jié)構(gòu)簡單，屬于無活塞筒式汲噴器具。如成書于公元801年（唐貞元十七年）的《通典·兵典》中就有相關(guān)記載：

“敵若縱火焚樓堞，以粗竹長一丈，鎪去節(jié)，以生薄皮合縫為袋，貯水三四石，將筒入于袋內(nèi)，急縛如濺筒，令壯士三五人撮水口，急蹙之救火。每門常貯兩具。如無竹，以木合桶，漆之而用，并小濺桶二十具兼助之。門內(nèi)常以甕貯水添用[3]?！?/p>

此段文獻(xiàn)在宋代許洞的《虎鈐經(jīng)》卷一五“守城具第六十五”中也有轉(zhuǎn)錄，顯然并無活塞裝置。蘇軾（1036-1101）在《東坡志林》中描述了四川鹽井中的“汲鹵唧筒”：

“蜀去海遠(yuǎn)，取鹽于井。陵州井最古，淯井、富順鹽亦久矣，惟邛州浦江縣井，乃祥符中民王鸞所開，利人至厚。自慶歷、皇祐以來，蜀始創(chuàng)筒井，用圜刃鑿如碗大，深者數(shù)十丈，以巨竹去節(jié)，牝牡相銜為井，以隔橫入淡水，則咸泉自上。又以竹之差小者，出入井中為桶，無底而竅其上，懸熟皮數(shù)寸，出入水中，氣自呼吸而啟閉之，一筒致水?dāng)?shù)斗。凡筒井皆用機(jī)械，利之所在，人無不知?！?/p>

據(jù)上述文獻(xiàn)所述，汲鹵筒主要作用是汲取鹽鹵。文中提及的“熟皮”實(shí)為“皮閥門”而非活塞。筒井主要是利用竹筒固定井壁隔絕淡水，并且結(jié)合竹筒空心的特性，將鹵水從地下汲取上來。在提取鹵水時(shí)，需要一根很長的汲鹵竹筒，且汲鹵竹筒的下端有一個(gè)側(cè)洞，內(nèi)置皮閥門，當(dāng)汲鹵竹筒往下放時(shí)，井內(nèi)鹵水會(huì)對(duì)竹筒末端產(chǎn)生向上的壓力，筒內(nèi)皮閥門受力向筒壁內(nèi)張開，鹵水灌入筒內(nèi)。當(dāng)提起汲鹵竹筒時(shí)，筒內(nèi)鹵水下壓，皮閥門自動(dòng)封閉，使鹵水不會(huì)漏出。然后把汲鹵竹筒提起，用水鉤勾取竹筒的側(cè)洞，鹵水自然流出。由上述描述可得知，汲鹵竹筒的工作原理只是應(yīng)用了簡單的單向閥原理，屬于一種無活塞筒式裝置。

明代宋應(yīng)星的《天工開物》中也明確記載有四川鹽井中的吸鹵器：

“蓋井中空闊，則鹵氣游散，不克結(jié)鹽固也。井及泉后，擇美竹長丈者，鑿凈其中節(jié)，留底不去。其喉下安消息，吸水入筒，用長絙系竹沉下，其中水滿。井上懸桔槔、轆轤諸具，制盤駕牛。牛拽盤轉(zhuǎn)，轆轤絞絙，汲水而上。入于釜中煎練，頃刻結(jié)鹽，色成至白[4]。”

此處吸鹵竹筒與上述《東坡志林》所述的汲鹵筒的原理相同，都無活塞裝置，只是利用了單向閥門。

1.2 單筒活塞的出現(xiàn)

目前發(fā)現(xiàn)較早明確記載有活塞裝置的應(yīng)為北宋曾公亮著《武經(jīng)總要》。其中記載“猛火油柜”（圖1）：

“右放猛火油，以熟銅為柜，下施四足，上列四卷筒。卷筒上橫施一巨筒，皆與柜中相通。橫筒首大、細(xì)尾、開小竅，大如黍粒，首為圓口，徑寸半。柜旁開一竅，卷筒為口，口有蓋，為注油處。橫筒內(nèi)有拶絲杖，杖前纏散麻，厚寸半，前后貫二銅束，約定。尾有橫拐，拐前貫圓掩，入則用閉筒口。放時(shí)以杓自沙羅中挹油注柜竅中，及三斤許。筒首施火樓，注火藥于中使然（燃）。發(fā)火用烙錐。入拶絲，放于橫筒。令人自后抽杖，以力蹙之，油自火樓中出，皆成烈焰[5]?！?/p>

從以上文獻(xiàn)和圖1 可以看出“猛火油柜”的工作原理。油柜內(nèi)盛有猛火油，四個(gè)卷筒為抽油管，卷筒上橫置一個(gè)粗筒，橫筒與油柜相通。此橫筒類似于一個(gè)唧筒裝置，橫筒內(nèi)設(shè)有拶絲杖（圖1 左）。拶絲杖充當(dāng)一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，“抽杖”時(shí)，橫筒中空氣被抽出形成真空，大氣壓強(qiáng)將油柜中的油壓入橫筒內(nèi)，完成吸油的過程。用力向前推拶絲杖，產(chǎn)生壓力使猛火油噴出，完成噴油過程。當(dāng)噴出的猛火油經(jīng)過點(diǎn)火裝置時(shí)，猛火油遇熱燃燒成烈焰，用于燒傷敵人和焚毀戰(zhàn)具，或在水戰(zhàn)時(shí)焚毀敵人戰(zhàn)艦。可見猛火油柜是古代攻防作戰(zhàn)和水戰(zhàn)的利器。

另外，在《武經(jīng)總要》中還記載了竹質(zhì)唧筒的歷史，說：“唧筒，用長竹，下開竅，以絮裹水桿，自竅唧水”。此處“唧筒”，顯然為活塞裝置。軍事上主要用它進(jìn)行滅火，是我國宋代的一項(xiàng)偉大的發(fā)明，具有獨(dú)創(chuàng)性的意義。此處裹絮之“水桿”顯然是一個(gè)完整的“活塞”裝置。

清代徐珂（1869-1928）《清稗類鈔》“物品類”中“唧筒”條：

“唧筒為一圓筒，筒內(nèi)有鞲鞴，柄出筒外，可上下移動(dòng)。筒有二活罨，一向外開放，使水外出，而不內(nèi)入；一向內(nèi)開放，使水內(nèi)入，而不外出；向內(nèi)之活罨，外接進(jìn)水管；向外之活罨，外接噴水管。抽水時(shí)以進(jìn)水管入池井中，而上下其鞲鞴，鞲鞴上行時(shí)，水由進(jìn)水管向活罨入筒；下行時(shí)，水由活罨向噴水管噴出。唧筒形式不一，大致相同。進(jìn)水管長者曰吸上唧筒，管短而由噴水管噴至高處者曰壓上唧筒，皆為激水至高處之用[6]?！?/p>

上述文獻(xiàn)中提及的“鞲鞴”即“活塞”，在李文、戴吾三的“‘鞲鞴’譯名考源”中，對(duì)西方活塞傳入中國被譯為“鞲鞴”的歷史已做了考證?！盎铑弧笔恰伴y門”。此處活塞運(yùn)作時(shí)必須在一個(gè)密閉的容器內(nèi)。由上述史料可知，《清稗類鈔》中描述的唧筒內(nèi)有活塞，抽水時(shí)（如圖2 所示），進(jìn)水管伸入池井中，當(dāng)向上拉動(dòng)活塞時(shí)，筒內(nèi)的活罨（類似前文所述“皮閥門”）受壓力開啟，筒外的活罨閉合，使水由進(jìn)水管流入筒內(nèi)；當(dāng)向下壓活塞時(shí)（如圖3所示），筒內(nèi)的活罨閉合，筒外的活罨打開，水由筒外的活罨經(jīng)噴水管噴出。

可見，此處“唧筒”不僅具有完整的活塞裝置，還配有“閥門”，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)工作狀態(tài)。顯然，《清稗類鈔》中“唧筒”在技術(shù)方面繼承了前文中“吸鹵唧筒”中“皮閥門”的元素。從這個(gè)角度講，中國古代活塞器械具有傳承性和連續(xù)性。

1.3 活塞在風(fēng)箱中的使用

中國古代活塞使用最普遍者，當(dāng)屬風(fēng)箱。明代成書的《魯班經(jīng)匠家境》中有圖，并附有文字描述：

“風(fēng)箱的樣式：長三尺，闊八寸，板片八分厚；內(nèi)開風(fēng)板，六寸四分大，九寸四分長。抽風(fēng)擴(kuò)仔八分大、四分厚，扯手七寸四分長，方圓一寸大。出風(fēng)眼要取方圓一寸八分大，平中為主。兩頭吸風(fēng)眼每頭一個(gè)，闊一寸八分，長二寸二分。四邊板片都用上行做準(zhǔn)[7]?！?/p>

活塞式風(fēng)箱是我國古代鼓風(fēng)技術(shù)的最高成就，活塞器件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，提供了連續(xù)的風(fēng)力，大大增強(qiáng)了工作效率，對(duì)冶金技術(shù)的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。從技術(shù)角度看，活塞式風(fēng)箱便于制作，使用雞毛就可以實(shí)現(xiàn)活塞的封閉功能。（圖4 為其示意圖）關(guān)于活塞式風(fēng)箱，有好多學(xué)者從不同角度對(duì)其進(jìn)行了論述。如戴念祖和張蔚河[8]、史曉雷[9]等人。

圖4 雙作用活塞式風(fēng)箱構(gòu)造圖（采自馮立昇：《中國古代的雙作用活塞風(fēng)箱》）

清代鄭復(fù)光（1780-約1853 年）在《費(fèi)隱與知錄》“風(fēng)箱氣法入大出小”中也有介紹。清人吳其濬（1789-1847 年）在《滇南礦廠圖略》也記述了木風(fēng)箱：

“爐器曰風(fēng)箱,大木而空其中,形圓,口徑一尺三四五寸,長一丈二尺。每箱每班用三人。設(shè)無整木,亦可以板箍代有,然風(fēng)力究遜,亦有小者,一人可扯”。

此木風(fēng)箱是呈圓筒形，口徑大，長度長，故這樣的風(fēng)箱鼓風(fēng)效果會(huì)相對(duì)好一些，但需三人操作，比較費(fèi)力。這種風(fēng)箱在清代后期廣為流傳。

清人徐珂《清稗類鈔》“工藝類·制風(fēng)箱”有：

“風(fēng)箱以木為之，中設(shè)鞲鞴，箱旁附以空柜，前后各有孔，與箱通?？自O(shè)活門，僅能向一面開放，使空氣由箱入柜。柜旁有風(fēng)口，藉以噴出空氣。用時(shí)，抽鞲鞴之柄使前進(jìn)，則鞲鞴后之空氣稀薄，箱外空氣自箱后之活門入箱。鞲鞴前之空氣由箱入柜，自風(fēng)口出。再推鞲鞴之柄，使后退，則空氣由箱后之活門入箱，鞲鞴后之空氣自風(fēng)口出。于是箱中空氣噴出不絕，遂能使?fàn)t火盛燃[10]。”

目前發(fā)現(xiàn)最早記錄活塞式風(fēng)箱的一條文字史料，出自明嘉靖三十一年（1552 年）韓邦奇的《苑洛集》卷十八：“觀今風(fēng)匣可知進(jìn)而吹固生風(fēng)，退而縮亦生風(fēng)?！绷硗庖粭l是出自萬歷癸年的《重刻來瞿塘先生日錄》的“內(nèi)篇”第1 卷和第7 卷：“譬如扇鐵扯風(fēng)廂似，將手推去又扯轉(zhuǎn)來。來復(fù)者是扯轉(zhuǎn)來者，皆一氣也?！背@些文獻(xiàn)外，還發(fā)現(xiàn)在遼寧博物館藏仇英本《清明上河圖》在《石渠寶笈》著錄[11]，也繪有活塞式風(fēng)箱圖，它完成于嘉靖二十二年（1534年）。

活塞式風(fēng)箱不僅使用在冶鐵等手工業(yè)中，還被作為日常鼓風(fēng)工具廣泛使用在各家各戶中。直到上世紀(jì)八九十年代，在很多農(nóng)村中還有一直在使用。將風(fēng)箱和唧筒相比，共同之處是都同時(shí)采用了“活塞”和“單向閥門”，不同之處是唧筒主要用于液體（水或油）的抽取和噴射，風(fēng)箱則用于氣體的收集與鼓風(fēng)。二者結(jié)構(gòu)相似原理相同，成為中國古代器械體系中重要的組成部分。

2 西方傳入中國的活塞器具

2.1 《泰西水法》中的“恒升車”和“玉衡車”

《泰西水法》是由徐光啟和意大利耶穌會(huì)士熊三撥（Sabbathin of Ursis，1575-1620 年）合作著成，于1612 年（明萬歷四十年）出版。在《泰西水法》中，提及到一種機(jī)械“恒升車”：

《恒升車記》曰：“恒升車者，井泉挈水之器也，其用與玉衡車相似，而更速焉，更易焉，以之灌畦治田，致為利益矣?！?/p>

《恒升圖說》：“恒升者，從下入而不出也，從上出而不息也。恒升之物有四:一曰筒。筒者，水所由入也，所以束水而上也。二曰提柱。提柱者，水所由恒升也。三曰衡軸。衡軸者，所以挈雙提上下之也。四曰架。架者，所以居庶物也。四物者備，斯成器矣。更為之機(jī)輪焉，巧者運(yùn)之，不可勝用也[12]。”

據(jù)上述記載，恒升車由筒，提柱、衡軸、架四部分組成，主要用來灌溉農(nóng)田。恒升車工作原理如下：當(dāng)壓下衡的右端（即長端）時(shí)，恒升車的砧上升，砧上的舌閉合，砧下將形成真空，筒底的舌會(huì)開啟，此時(shí)，大氣壓將井里的水壓入筒內(nèi)。提起衡的長端時(shí)，恒生車的砧將下降，砧上的舌開啟，筒內(nèi)水會(huì)升入砧上部。提砧時(shí)，水將會(huì)從出水管流出?？梢?，恒升車也是利用砧的往復(fù)運(yùn)動(dòng)達(dá)到持續(xù)出水灌溉的目的。

清初納蘭成德認(rèn)為恒升車的工作原理與中國古代風(fēng)箱相同。的確，恒升車和風(fēng)箱都是利用往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞達(dá)到自身要實(shí)現(xiàn)的目的。

《泰西水法》中提到的玉衡車，也是取井泉之水的器具，是一種雙筒活塞式壓水機(jī)，見圖5所示。

《玉衡車記》曰：“玉衡車者，井泉挈水之器也。”

《玉衡圖說》：“玉衡者，以衡挈柱，其平如衡，一升一降，井水上出，如趵突焉。玉衡之物有七:一曰雙筩(即雙筒)。雙筒者，水所由代入也。二曰雙提。雙提者，水所由代升也。三曰壺。壺者，水之總也，水所由續(xù)而不絕也。四曰中筒。中筒者，壺水所由上也。五曰盤。盤者，中筒之水所由出也。六曰衡軸。衡軸者，所以挈雙提下上之也。七曰架。架者，所以居庶物也。七物者備，斯成器矣。更為之機(jī)輪焉，巧者運(yùn)之，不可勝用也[13]?！?/p>

圖5 玉衡車（采自《泰西水法》卷六，中華書局1956年版）

據(jù)上述文字描述，玉衡車具灌溉效率高、比較輕便，而且結(jié)構(gòu)牢固，提高了農(nóng)業(yè)灌溉效率。關(guān)于玉衡車的工作原理，《泰西水法》卷三十八中有這樣的記載：

“旋堅(jiān)木以為砧（此處“砧”就是指現(xiàn)代意義的“活塞”），砧入于雙筒也，展轉(zhuǎn)之。砧之心而立之柱。砧升，則舌開而水為之入；砧降，則舌合而水為之不出。水之入而不出者，舌也。舌之開闔者，砧也。砧之上下者，柱也。舌闔矣，水不出矣，砧又下焉，水將安之？則由筒之管而升于壺，左右相禪也。故曰雙提者，水所由代升也?！?/p>

可見，玉衡車如同將兩個(gè)恒升車并聯(lián)到一起，兩個(gè)恒升車此起披伏，持續(xù)供水，大大提高了工作效率?！短┪魉ā分性敿?xì)介紹的這兩種農(nóng)用提水機(jī)械，為當(dāng)時(shí)中國農(nóng)業(yè)引進(jìn)新的機(jī)械而注入新的活力。

2.2 《奇器圖說》中的“水銃”

《奇器圖說》是由德國傳教士鄧玉函（Jeannes Terrenz）口授，王徵筆述和繪圖，兩人于1627年（明天啟7 年）在我國出版的一部介紹西方機(jī)械原理的專著。其中此書卷三中，介紹了當(dāng)時(shí)流行于歐洲用于滅火機(jī)械水銃。（如圖7所示）

“先鑄兩銅筒，如甲，其容之廣，從二寸或至十寸，任人意為之，其高少或一尺多或一尺有半，內(nèi)容務(wù)上下相等，其底要最堅(jiān)厚，其氣眼如乙，有鞲或在旁或在底或在底旁少許，但在底更便，旁安管少彎曲，向上如丙，各有小鞲，如丁上。有兩乂總管，如戊，緊壓合于兩彎管上，無絲毫漏隙，為則鞲共四個(gè)，氣眼入水處兩個(gè)，彎管出入處兩個(gè)，另有柁二具，如已，其柄以鐵為之，其柁則銅，柁用兩層銅，柁周圍以滿銅筒之，容為度銅柁。兩層中間用軟皮數(shù)層，擠實(shí)為則。兩銅筒俱安一銅鍋內(nèi)，要極穩(wěn)勿動(dòng)為則，鍋底要平。如無銅鍋，堅(jiān)大木桶亦可。于兩銅筒之上，安橫梁如庚，兩旁中央安兩鐵孔，是兩柁所由上下者，居中有鐵天平立柱，其柱頂頭有小轉(zhuǎn)軸，眼上橫安天平，長木擔(dān)于兩柁上下處，用環(huán)連于擔(dān)上兩端，多設(shè)平木樁，以便多人攀舉。又有直角小管如辛，貫于總管出水上口之外，要最嚴(yán)密又要可周旋轉(zhuǎn)動(dòng)，使之四面八方去也。就中有小圓槽，施以短釘，務(wù)令可轉(zhuǎn)而不可上，其必用槽用釘者，水力最大，不則沖之去矣。此管上又有直角管，但其嘴少長于辛為壬，其長少亦三尺，愈長其出愈遠(yuǎn)，但嘴必少弱于管身，為出水之勢耳。直角長管與短管相貫處，亦必用槽用釘如前法，此管則一人用手可轉(zhuǎn)，或上或下或正或斜，皆可向有火處施放之也?！?/p>

《奇器圖說》中還特別指出了水銃的性能：

“此水銃可以滅火，可以御火，可以防火，乃新有之器其能力最便、最大、最奇，諸器所難比其功用者也，蓋倉卒之際，火力正勝人不可近，但有此器則五六人可代數(shù)百人之用，又不空費(fèi)一滴之水，不拘多高多遠(yuǎn)，皆可立到，有似大雨噴空無處不沾，不但可滅已焰之火，仍可預(yù)阻未燃之火?！?/p>

可見上述“水銃”結(jié)構(gòu)頗為復(fù)雜，但其關(guān)鍵部件仍為活塞，即文中“銅柁”。而文中“鞲”“小鞲”等卻指皮閥門。簡單來說，水銃是利用兩個(gè)銅筒（缸）中的兩個(gè)銅柁（活塞）的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為水銃的兩個(gè)銅筒中制造一個(gè)真空的環(huán)境，然后再利用人力往復(fù)的拉動(dòng)銅筒內(nèi)的銅柁，使水槽內(nèi)的水壓入彎管，最后使水沿出水口噴射出來，達(dá)到滅火的功效?？梢姡|巧妙地利用了兩個(gè)同時(shí)交替工作的活塞裝置，達(dá)到持續(xù)供水的滅火效果。其巧妙之處在于，利用兩個(gè)相互連通的同時(shí)工作的唧筒，一個(gè)負(fù)責(zé)吸水，另一個(gè)負(fù)責(zé)噴水，如此循環(huán)往復(fù)，保證噴出的水具有連續(xù)性，并且射程較遠(yuǎn)，滅火效果更好，達(dá)到了理想的滅火效果，其原理與“玉衡車”類似[14]。

無論是《泰西水法》中的“恒升車”“玉衡車”，還是《奇器圖說》中的“水銃”，核心部件都采用了活塞，其原理都是利用活塞往復(fù)制造真空，利用大氣壓強(qiáng)，達(dá)到吸?。ɑ驀娚洌怏w或液體的目的。

3 結(jié)語

中國和西方的機(jī)械中，都出現(xiàn)在了活塞裝置，并廣泛使用在生產(chǎn)生活中。不論是中國的“猛火油柜”還是西方傳進(jìn)的“恒升車”“玉衡車”，其原理、結(jié)構(gòu)都大同小異，都利用大氣壓強(qiáng)達(dá)到作功的效果。

在古代中國，沒有對(duì)“活塞”的統(tǒng)一稱謂，大多以結(jié)構(gòu)形制或功能稱之，如北宋《武經(jīng)總要》中“拶絲杖”“絮裹水桿”、鄭復(fù)光《費(fèi)隱與知錄》中的“橐龠”以及“鞲鞴”等。包括西方活塞器械傳入，在翻譯過程中，也大都按照中國原有的習(xí)慣，將其稱之為“砧”（《泰西水法》）、“鐵鍵”（《博物新編》）、“柁”（《奇器圖說》）或者“鞲鞴”。當(dāng)然，也有文獻(xiàn)較早譯作“活塞”（見1871年的《格物中法》、1892年薛福成的《出使英法義比四國日記》、1918 年許景澄的《許文肅公遺稿》等）?？梢?，中國古代活塞使用廣泛，實(shí)踐豐富，但并沒有將其系統(tǒng)化、抽象化，難以上升到理論層面。

從技術(shù)角度來看，《清稗類鈔》中“唧筒”在技術(shù)方面繼承了前文中“吸鹵唧筒”中“皮閥門”的元素，中國古代活塞器械具有傳承性和連續(xù)性?；钊b置在古代的發(fā)明與發(fā)展是中國機(jī)械史中的一個(gè)重點(diǎn)，且活塞裝置的發(fā)展和同時(shí)代社會(huì)整體機(jī)械設(shè)計(jì)與制造水平息息相關(guān)，也對(duì)于認(rèn)識(shí)活塞裝置的形成、傳播和演變具有重要的意義。