800年前的水力机械，很厉害

吴钩

曲柄连杆机构是旋转运动与直线往复运动得以相互转化的核心装置，不管是古人用来拉动风箱的水排，还是今天汽车的汽缸活塞，都必须运用曲柄连杆机构。至迟在宋代，人们已掌握了曲柄连杆机构的基本原理，并应用到水力机械装置中。

李约瑟说：“对于科技史家来说，唐代不如宋代那样有意义，这两个朝代的气氛是不同的。唐代是人文主义的，而宋代较着重科学技术方面……每当人们在中国的文献中查找一种具体的科技史料时，往往会发现它的焦点在宋代，不管在应用科学方面，或纯粹科学方面，都是如此。”力机械技术也一样。研究者认为，“10—14世纪对于中国古代水力机械来说更是一个特殊的时期，在这一时期里，中国古代水力机械在前代发展的基础上，取得了前所未有的更为辉煌的成就。这一时期诞生了许多卓越的水力机械，这些水力机械的发明，与其他方面的成就一道，使这一时期成为了中国古代科技发展的高峰。”

水转大纺车

元代王祯《农书》记载的水转大纺车，装有三十二枚绽子，在水力带动下，“弦随轮转，众机皆动，上下相应，缓急相宜，遂使绩条成紧，缠于韧上，昼夜纺绩百斤”。而人力操作的手摇纱车与脚踏纺车，一天劳作，最多也只可纺纱三二斤。

用来加捻麻纱的“水转大纺车”，据《农书》记述，元代时应用已非常广泛，“或众家绩多，乃集于车下，秤绩分，不劳可毕。中原麻布之乡，皆用之。”四川都江堰一带，水转大纺车的应用也很普遍，《蜀堰记》载，“缘渠（指都江堰）所置碓硙纺绩之处以千万数，四时流转而无穷”。但我们相信，至迟在南宋后期，水转大纺车已经应用于纺织手工业中。

可惜，宋元时期应用广泛的水转大纺车，在明清时又差不多销声匿迹了。有人认为，因为水转大纺车没有牵伸机构，只能用来加捻长纤维的麻与丝，而无法应用于短纤维的棉。随着棉纺织业对麻纺织业的取代，水转大纺车也就退出了历史舞台。可是，为什么不能对水转大纺车的技术稍加改良，使之适用于棉纺织业呢？要知道，英国的阿克莱水力纺纱机正是在中国的水转大纺车技术的基础上改良而来。

“水轮三事”

《农书》还记录了一种叫做“水轮三事”的技术，“谓水转轮轴可兼三事，磨、砻、碾也。初则置立水磨，变麦作面，一如常法。复于磨之外周造碾圆槽。如欲毇米，惟就水轮轴首易磨置砻。既得粝米，则去砻置碾，碢幹循槽碾之，乃成熟米。夫一机三事，始终俱备，变而能通，兼而不乏，省而有要，诚便民之活法、造物之潜机。”王祯自谓“水轮三事”乃是他首创，“今创此制，幸识者述焉”。

不过，中国社科院历史研究所的郭正忠教授却考证出，“水轮三事”早在宋代已得到应用。郭正忠教授的依据来自北宋张舜臣的《水磨赋》，赋中写道：“徒观夫老稚咸集，麦禾山积；碓臼相直，齿牙相切；碾磨更易，昼夜不息。”从《水磨赋》“不难看出，这‘昼夜不息地运转着的，是一种多功能的水磨。它的特殊装置，可以将磨换成碾，水轮的轮轴上，还连接着一副或几副碓臼。”

《水磨赋》又说，“彼华山三峰之飞瀑，吕梁百步之喷沫，独有赏心之玩，曾无利物之实。未若斯磨也，不逾寻丈之间，不匮一夫之力，曾无崇朝之久，而可给千人之食。如是则驴马不用，麦城任坚，农夫力穑，知者图焉。故君子役其智，小人享其利，真为一乡之赖，岂止一家之事！”这样一间水力磨坊，一个早晨的工夫就可以加工出“给千人之食”的粮食。这是不是文学体例的夸饰之词呢？不是，因为《农书》的记载可相印证：“水转连磨，……此一水轮可供数事，其利甚溥。尝至江西等处见此制度，俱系茶磨，所兼碓具，用捣茶叶，然后上磨。若他处地分，间有溪港大水，仿此轮磨，或作碓碾，日得谷食，可给千家。”

水转连磨

《农书》所记录的水转连磨，究竟是什么样子的呢？山西繁峙县岩山寺金代壁画中有一幅《水碓磨坊图》，可以让我们一窥宋代水转连磨的构造。需要说明的是，绘制岩山寺壁画的王逵，原是生活在北宋东京的画师，他描绘的图景全是宋朝社会风貌，这一幅《水碓磨坊图》也应该是北宋东京汴河水磨坊的写照。

从《水碓磨坊图》及其“机械原理示意图”可以看出来，这个磨坊建造在水流湍急的河岸（通常是闸口的下方），由一具立式水轮提供动力，穿过水轮的传动轴非常长，一端装了横木，“水激轮转，则轴间横木间打所排梢，一起一落舂之”，拨动碓杆，用于舂米脱壳；另一端装有齿轮，通过齿轮传动系统带动磨盘，用来磨面。

水击面罗

这样的水力磨坊在北宋东京的河岸边是非常常见的。上海博物馆藏的《闸口盘车图卷》，画的就是汴河边的一间大型水力磨坊。画卷作者原认定为五代的卫贤，但一些学者根据绘画的笔墨风格与人物服饰细节，相信此图的创作时间应该是北宋后期，而不是五代，作者很可能就是绘制《清明上河图》的张择端。

现在我们先来看看《闸口盘车图卷》透露出来的水磨技术。利用水力驱动磨盘转动并无多少技术上的难度，不过《闸口盘车图卷》出现了一个很高明的装置，位于大磨盘右侧的机房内，是磨坊用来筛面粉或茶末的工具，叫“水击面罗”。王祯《农书》也提到水击面罗：“罗因水力，互击桩柱，筛面神速，倍于人力。”水击面罗的技术难点是如何使水轮的旋转运动转化为周而复始的直线往复运动。《闸口盘车图卷》的水击面罗被机房建筑物遮掩，未能展现出完整的构造。好在上世纪60年代，郑为先生已经将这个水击面罗的结构用示意图复原出来。

郑为先生复原的水击面罗结构示意图显示：宋人是利用曲柄连杆机构将水轮的旋转运动转化为面罗的往复运动的，又通过设立撞柱让面罗撞击，使面罗有力地抖动，从而产生筛面的动能。

曲柄连杆机构是旋转运动与直线往复运动得以相互转化的核心装置，不管是古人用来拉动风箱的水排，还是今天汽车的汽缸活塞，都必须运用曲柄连杆机构。而《闸口盘车图卷》无可辩驳地告诉我们，至迟在宋代，人们已掌握了曲柄连杆机构的基本原理，并应用到水力机械装置中。