800年前的水力機械，很厲害

吳鉤

曲柄連桿機構是旋轉運動與直線往復運動得以相互轉化的核心裝置，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。至遲在宋代，人們已掌握了曲柄連桿機構的基本原理，并應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，而宋代較著重科學技術方面……每當人們在中國的文獻中查找一種具體的科技史料時，往往會發現它的焦點在宋代，不管在應用科學方面，或純粹科學方面，都是如此。”力機械技術也一樣。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展的基礎上，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展的高峰。”

水轉大紡車

元代王禎《農書》記載的水轉大紡車，裝有三十二枚綻子，在水力帶動下，“弦隨輪轉，眾機皆動，上下相應，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“水轉大紡車”，據《農書》記述，元代時應用已非常廣泛，“或眾家績多，乃集于車下，秤績分，不勞可畢。中原麻布之鄉，皆用之。”四川都江堰一帶，水轉大紡車的應用也很普遍，《蜀堰記》載，“緣渠（指都江堰）所置碓硙紡績之處以千萬數，四時流轉而無窮”。但我們相信，至遲在南宋后期，水轉大紡車已經應用于紡織手工業中。

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

“水輪三事”

《農書》還記錄了一種叫做“水輪三事”的技術，“謂水轉輪軸可兼三事，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。”王禎自謂“水輪三事”乃是他首創，“今創此制，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”早在宋代已得到應用。郭正忠教授的依據來自北宋張舜臣的《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。”從《水磨賦》“不難看出，這‘晝夜不息地運轉著的，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。”

《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，農夫力穡，知者圖焉。故君子役其智，小人享其利，真為一鄉之賴，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。這是不是文學體例的夸飾之詞呢？不是，因為《農書》的記載可相印證：“水轉連磨，……此一水輪可供數事，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。”

水轉連磨

《農書》所記錄的水轉連磨，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連磨的構造。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，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賢，但一些學者根據繪畫的筆墨風格與人物服飾細節，相信此圖的創作時間應該是北宋后期，而不是五代，作者很可能就是繪制《清明上河圖》的張擇端。

現在我們先來看看《閘口盤車圖卷》透露出來的水磨技術。利用水力驅動磨盤轉動并無多少技術上的難度，不過《閘口盤車圖卷》出現了一個很高明的裝置，位于大磨盤右側的機房內，是磨坊用來篩面粉或茶末的工具，叫“水擊面羅”。王禎《農書》也提到水擊面羅：“羅因水力，互擊樁柱，篩面神速，倍于人力。”水擊面羅的技術難點是如何使水輪的旋轉運動轉化為周而復始的直線往復運動。《閘口盤車圖卷》的水擊面羅被機房建筑物遮掩，未能展現出完整的構造。好在上世紀60年代，鄭為先生已經將這個水擊面羅的結構用示意圖復原出來。

鄭為先生復原的水擊面羅結構示意圖顯示：宋人是利用曲柄連桿機構將水輪的旋轉運動轉化為面羅的往復運動的，又通過設立撞柱讓面羅撞擊，使面羅有力地抖動，從而產生篩面的動能。

曲柄連桿機構是旋轉運動與直線往復運動得以相互轉化的核心裝置，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。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的基本原理，并應用到水力機械裝置中。