对古代脚踏风扇车和水击面罗复原的商榷

史晓雷

(中国科学院自然科学史研究所，北京 100190)

对古代脚踏风扇车和水击面罗复原的商榷

史晓雷

(中国科学院自然科学史研究所，北京 100190)

2011年，王星光、柴国生复原了元代王祯《农书》中的脚踏风扇车，其运转原理是脚踏绳索，利用叶轮旋转的惯性进行往复式旋转生风。本文根据《农书》风扇车的插图，结合元代普遍采用的脚踏曲柄连杆驱动轮轴旋转的事实，利用新发现的近代脚踏风扇车图像，认为古代脚踏风扇车采用的是曲柄连杆驱动机构。2014—2015年，李崇州、李盛在郑为1966年复原的基础上重新复原了《闸口盘车图》中的水击面罗。本文在分析他们复原水击面罗的基础上，依据“攀耳-卧轴”机构的使用传统，改进了他们的复原设计。

脚踏风扇车 水击面罗 复原 技术史

2011年第4期《中国科技史杂志》刊载了王星光、柴国生的《中国古代足踏式风扇车考释与复原》[1](以下简称王柴文)，他们复原了元代王祯《农书》记载的脚踏风扇车。但该复原的运动机构与文献描绘不符，传动方式违背机械传统，而且并不知道脚踏风扇车在近代山西地区仍有沿用，因此复原的结果值得商榷。2014年第2期《中国科技史杂志》刊载了李崇州、李盛的《试论〈闸口盘车图〉中水击面罗的机械构造与原理》[2](以下简称李文一*下文未具体指明“李文一”或“李文二”的“李文”，乃统称两者而言。)，李崇州又在2015年第3期《农业考古》发表了《〈闸口盘车图〉中“水击面罗”的兴衰演变及历史发展》[3](以下简称李文二)，两文的核心内容基本一样，他们在1966年郑为复原[4]的基础上，对(传)五代卫贤所绘《闸口盘车图》中“水击面罗”进行了新的复原。郑为的复原仅在细节上有待改进；李文不仅对郑为的复原存在误解，而且新的复原有结构设计错误。本文以此二古代机械为例，谈谈古代机械复原中的若干问题。

1 脚踏风扇车的复原

中国古代关于脚踏风扇车的文献记载，首见于元代王祯《农书·飏扇》。

《集韵》云：飏，风飞也。扬谷器。其制：中置簨轴，列穿四扇或六扇，用薄板或糊竹为之。复有立扇、卧扇之别。各带掉轴，或手转、足蹑，扇即随转。凡舂辗之际，以糠米贮之高槛，槛底通作扁缝下泻，均细如帘*《农书》明本与四库本作“帘”，聚珍本作“筛”，此处依前者。，即将机轴掉转扇之。糠粞既去，乃得净米。

又有舁之场圃间用之者，谓之扇车。凡蹂打麦禾等稼，穰籺相杂，亦须用此风扇。比之杴掷、箕簸，其功多倍。[5]

《农书·飏扇》附有插图，后文将对插图做专门分析，此处不赘，仅就如何解读上文的“立扇、卧扇”做一分析。缪启愉、缪桂龙认为：“扇有竖扇、卧扇的分别。轴的一端都带着运转短把，或用手转，或用脚踏，扇就跟着转动。”([5]，516页)王柴文认为，这里的“立扇”指的是汉代立扇式风扇车([1]，530—531页)。他们均认为原文中的“立扇”是就飏扇叶轮主轴的立式和卧式而言。但此解释从机械结构上讲不通，因为在谈了有立扇、卧扇两种形式之后，王祯接着说：“各带掉轴，或手转、足蹑，扇即随转。”这里的“各带”显然是指立扇、卧扇而言，而汉代出土的画像砖(石)上的立轴式门形飏扇图像以及手持门形飏扇陶俑[6](见封三图1)，从未发现有掉轴(曲柄)结构，更别说“足蹑”了。此外，王祯前面既然说了“列穿四扇或六扇”，后面若又指汉代那种两片扇叶的门形风扇车的话，岂不矛盾？可见，这里“立扇、卧扇”的合理解释是指飏扇分为“立式”与“卧式”两种，立式应指现存虎头式风扇车(见后文图7)的早期形态，卧式则是指插图所绘的风扇车(见后文图3、图4，后演变为两、三个出粮口的风扇车)。这里的“立”不是指风扇轮轴的“立”，而是出风口位置高，使得虎头风扇车形态看上起像“立”起来。而无论是虎头风扇车还是常见多出粮口风扇车，均可以手摇或者足踏操作，下面就分析其转动机构。

学界对手摇驱动风扇车没有疑义，而对脚踏风扇车的转动方式存在分歧。几乎在王柴文发表的同时，笔者在《中国农史》发表了《王祯〈农书〉中的“飏扇”新解》[7]*2011年10月9日，中国科学院自然科学史研究所曾雄生研究员给笔者发来邮件，探讨关于王星光、柴国生提到的脚踏风扇车的运转问题。当时笔者在《中国农史》的论文已经刊发，王、柴的论文已经被《中国科技史杂志》接受，但未发表。从投稿时间看，王、柴是2011年4月11日，笔者是同年4月28日。但在与曾联络之前，我们并不知道对方的工作。10月9—16日，曾雄生、王星光、柴国生与笔者通过邮件讨论了脚踏风扇车的驱动机构问题，但未取得一致意见。讨论内容后来公布在曾雄生主办的“中国农业历史与文化”网站，见http://agri-history.net/tools/20120229.htm。。该文就王祯《农书》中“飏扇”的画法提出了同王、柴一致的看法，认为描绘的是一种开放式风扇车。元代风扇车上还未出现圆筒状鼓风机构，这种结构目前最早的证据出现在15世纪晚期杜堇绘的一幅画中。分歧之处在于，笔者认为《农书》中脚踏风扇车采用的是曲柄连杆机构，而王、柴认为采用的是一种利用惯性原理往复运转的机制(图2)。

图2 王、柴复原的脚踏风扇车(摹绘图①)

足踏式风扇车使用时，需要先将固定于掉轴端的合适长度的拉绳均匀缠绕于掉轴上，之后将拉绳另一端选择恰当的位置固定于地面，要使得未被缠绕于掉轴上的拉绳能够被拉直，处于伸展状态；然后，用脚向下用力踩踏拉绳，即可旋转驱动叶轮转动，产生风流工作。由于惯性的作用，拉绳被完全放开后，会被反向自动缠绕到掉轴上，待拉直后，操作者再次踩踏拉绳，叶轮即反向转动，如此叶轮即可转动不停，生风进行清选作业。两侧的导风板，则是汇聚风流到储料斗处，保证足够的风力。这种依据惯性原理，通过柔性拉绳驱动机具工作轴双向旋转做功的驱动方式，在传统木工钻孔工具——压钻上也得到了很好的利用，即使是今天这种压钻仍有广泛的应用，这很好地说明了该种驱动方式所具有的科学性和可行性，同时也反映了古代劳动人民所具有的高超技艺和聪明才智。([1]，536—537页)*笔者摹绘，对虚线圆内机构精确摹绘，其余结构据王柴文示意摹绘。

下面从《农书·飏扇》的插图及机械传统两个角度分析王柴文复原的不合理之处。

1.1 对《农书·飏扇》的插图分析

元代王祯《农书》版本流传系统分为明刻本与四库本，现把最早的明嘉靖九年(1530)刻本与四库文渊阁本的插图对比如下(见图3、图4)。这两幅图中，四库本的插图很清楚，是一曲柄连杆机构，伸出的偏心曲柄上套有脚踏绳环，右侧的操作者通过脚踏绳索，使叶轮顺时针旋转，从而生风。问题出现在明刻本的插图上，该插图把绳索绕过曲柄后与叶轮中心轴外端连接起来，显然是绘错了，因为如果按王、柴所言是拉绳的话，依此插图，拉绳如何与叶轮轴连接呢？又如何与垂直的纵向短杆连接呢？如果“拉绳”是木质材料，又如何实现图示中的扭曲效果，并且还要缠绕到曲柄上？再退一步，假设当时真有一种特殊的材料可以做成这种拉绳，按照王、柴提出的驱动方式，曲柄机构便是多余的，因为把绳索一端先固定在叶轮轴外端然后缠绕一样可以实现这种往复运动。此外，王、柴也意识到这种驱动方式“无法根据实际需要产生恒定的风流”，而且操作上需要较高的技巧：“如果操作者掌握不好拉绳的踩、放时机，在拉绳拉直后没有及时踩踏，或者踩踏完成后没有及时抬脚松放拉绳，抑或在拉绳拉直前即进行踩踏，都会严重影响叶轮旋转的稳定性，甚至造成叶轮停转，从而对清选作业造成影响。”([1]，537页)如此复杂的操作，王祯在其《农书》中对技术细节竟然以“或手转、足蹑，扇即随转”一笔带过，有些不可思议，因为王祯对较复杂农器的技术细节通常描述得比较详细，如《农书》中的油榨、翻车、水磨等。

图3 明嘉靖本《农书》“飏扇”[8]

图4 四库文渊阁本《农书》“飏扇”[9]

1.2 从机械传统的角度分析

图5 明嘉靖本《农书》“冷盆”([8]，655页)

这里的机械传统，是指某项机械技术产生的历史渊源，同时期社会上类似机械采用的机构以及传承到后世的相关情况。

脚踏风扇车在元代之前没有记载，但当时社会上类似机构已经比较普遍，在王祯《农书》中除了脚踏风扇车外还有4幅通过脚踏机构产生水平轴向旋转运动的插图，它们是南缫车、北缫车、热釜、冷盆(图5)。它们均是缫丝的丝车，对比脚踏风扇车而言，不过是把叶轮换作了丝軖，驱动机构无一例外用的是曲柄连杆机构。这种脚踏曲柄连杆机构使軖轮旋转的机械可以追溯到南宋楼璹《耕织图》，现存最早的南宋吴皇后本《蚕织图》(前者“织”部分)“生丝”便有脚踏缫车的图形，只是图的细节看不清楚。元代程棨摹绘的《耕织图·缫丝》[10](封三图6)清晰地描绘了曲柄连杆机构，可见在元代这种由脚踏装置通过曲柄连杆机构驱动轮轴转动的机械结构已经常见。王柴文放弃这种常见、便捷的机构不用，而采用文献并未记载、操作又不便利的往复运动机构，这种特殊的设计必须拿出足够的证据才具有说服力。至于他们提到的压钻，固然用到了惯性原理，但两者操作形式不可同语，何况迄今还没发现中国在元代或之前有使用压钻的证据。

另一关键证据是，脚踏风扇车竟然在近代史料中找到了记载，而且还绘有图像。1920年，在山西督军兼省长阎锡山授意下，山西农学编辑会编辑了一册《山西农学农具图说》，在“第二编选种器·第一章扇车”记载了一种脚踏扇车。

脚踏扇车也是虎头扇车一种，全体不甚大差。惟搅轴是木的，下拴踏板，用脚踏转，所以叫他脚踏扇车。河东一带多使用他，他的构造见第二十七图……踏板用木料制成，共长二尺八寸，使用时用脚踏住踏板，上下掀动，风轮就要旋转，比手打省力。普通多用一个，也有用两个的。[11]

图7 《山西农学农具图说·脚踏扇车》([11]，20页)

这里说的用两个踏板的情况不是很清楚，但图7所绘是常见的一块踏板的情形，清楚得显示了使用的是曲柄连杆机构。

综上，无论是从《农书》插图描绘的脚踏风扇车，以及元代脚踏装置曲柄连杆机构的普遍情况，还有脚踏风扇车传承到近代的事实，其驱动机制不会是绳索缠绕式的往复运动，而是常见的曲柄连杆机构。

2 《闸口盘车图》“水击面罗”的复原

“水击面罗”一词最早也出现于元代王祯《农书》，其结构与该书中“水排”基本相同(图8)，王祯写道：

水击面罗，随水磨用之，其机与水排俱同。按图视谱，当自考索。罗因水力互击桩柱，筛面甚速，倍于人力。又有就磨轮轴作机击罗，亦为捷巧。([5]，613—614页)

图8 刘仙洲重绘的水击面罗[12]

这里王祯谈到了两种情形的水击面罗，一种是独立架设的，一种是“就磨轮轴作机击罗”——水击面罗与卧轮水磨交替共用一轴的情况。对《闸口盘车图》[13](封三图9)而言，水击面罗是独立的设置，因此郑为和李文的复原均是第一种情形。

2.1 对郑为复原图的分析

图10 郑为复原的水击面罗结构图([4]，25页) 1.下轮 2.立轴 3.上轮 4.弦索 5.旋鼓 6.掉枝 7.行桄 8.鼓木 9.撞柱 10.面罗 11. 旋鼓和掉枝部分另一种结构的可能

1966年郑为复原《闸口盘车图》的水击面罗图，主要结构是绳带传动和曲柄连杆机构，只是在致使面罗做(近似)往复直线运动的原理是杠杆原理。这种机构在运行上是没有问题的，只是在细节上有待改进(后详述)。李文一、二均质疑了郑为的复原机构，认为其存在三个问题([2]，199页；[3]，205页)。这里有必要对李的质疑做一番考察。

(1)将卧水轮的上转轴同桩柱*王祯《农书·水击面罗》中的“桩柱”即郑为复原图中的“撞柱”。共用一轴，两者的机械作用怎么体现？

从机械作用角度看，并无问题。在郑为的复原图中，因为桩柱是在水轮的带动下做旋转运动，面罗与桩柱的碰撞是瞬间作用，对桩柱的摩擦及运动影响可以忽略不计。在《闸口盘车图》中，从视觉效果上看，卧轮的立轴的确与上方的桩柱在一条直线上，这也是郑为复原图考虑的依据。

(2)在夹层，以弦索、旋鼓取代了偏心轮—偏心连杆机(构)组的位置，可是它们能将卧水轮的旋转运动改为直线的往复运动吗？

郑为复原图的机械结构没有问题，只是在楼板下方采用了视点稍高的正投影，而楼板以上采用了轴测图画法，可能因此而产生了视觉误导。旋鼓是在上层楼板方框内鼓形木(郑误绘，应为圆柱形)的正下方，通过旋鼓上方的偏心立柱及连杆机构，就可以把卧轮的旋转运动转变为面罗的往复运动，其机构实现方式是：

卧轮旋转(立轴旋转、上轮旋转)→绳带传动→旋鼓旋转→偏心连杆→杠杆机构→面罗往复运动

需要说明的是，在旋鼓上方偏心连杆(掉枝)的左端与杠杆下端的连接，郑为处理得不够好。若采用自由度较大的滑动运动副，机构运行起来才顺畅。

(3)郑为说，“当罗框被鼓木拉往撞柱后，由于撞击的作用，使罗框反向运动，于是构成了罗框往复运动的可能性。”李文一认为这里“鼓木”大概是指机械杠杆最上面所安装的一组带铁瓦的木轮轴及轴承，这一组虽与面罗相衔接，但不是推动面罗进行运动的动力([2]，199页)。

此处李的质疑有道理。面罗向左撞击桩柱显然是杠杆机构使然，但面罗左侧推拉框向右撞击桩柱并非由之前的撞击运动造成(尽管从理论上讲会有一点反弹，但木质材料这种反弹很小，不是主导因素)，仍然是由杠杆机构直接作用于面罗推拉杆而实现的，这种情形的机械结构下文再分析。

2.2 对李文复原图的分析

首先指出李文在文献引用上有两处错误。

图11 李文复原的水击面罗示意图([2]，200页)

第一，在讨论《闸口盘车图》时，误把李约瑟对元代另一幅《山溪水磨图》的评论[14]当作了对《闸口盘车图》的评论，出现了张冠李戴。更奇怪的是，李文一、二均犯了同样的错误，以至于李文二仍大谈《闸口盘车图》的年代为何被判定为1300年，其实那是《山溪水磨图》的创作年代。《闸口盘车图》现藏于上海博物馆，而《山溪水磨图》现藏于辽宁省博物馆。

第二，不宜将《闸口盘车图》认定为南唐卫贤的作品。李文沿袭了郑为的说法，认为此画乃南唐卫贤所绘。但上海博物馆在20世纪70年代对该画重新装裱时发现仅存一半的“卫贤恭绘”的题款并非原款，而是后人所改添[15，16]。因此后来学界一般并不声称此画为卫贤所绘，而用“佚名”代之，但此画的创作年代通常判断为宋代。

李文的复原(图11)是直接依靠轮轴上部的偏心机构转换成推杆的直线往复运动，然后和郑为复原的结构一样——利用杠杆原理驱动面罗的左右运动，其结构及运行方式如下。

机房二楼桩柱的左侧，有三组装有镶嵌铁瓦木轮轴及轴承的机械杠杆穿过夹层的楼板口之下。楼板口处之铁瓦木轮轴及轴承部分是机械杠杆的支点；最上面的铁瓦木轮轴因与面罗相衔接，是机械杠杆的重点；机械杠杆的最下端部分，其铁瓦木轮轴及轴承应与偏心连杆的末端相衔接，是机械杠杆的力点。从图中可以清楚地看出，力臂大于重臂。又因为力、支、重三点都装有铁瓦木轮轴，所以操纵力臂时，则显得格外省力。还有，既然力点下端与偏心连杆的末端衔接，而偏心结构的功能是专司向机械杆输送推动力量。由于机械杠杆在力点和重点轮番起伏方式的运动中，则可把偏心连杆送来的推动力量传递到面罗，以达到推到指定位置筛选的目的，并通过间隔一次的(地)碰撞桩柱完成面粉筛选的动作。([3]，200页)

当机房一楼的卧水轮因来自木水槽中水流的冲击而快速旋转时，置于夹层的偏心轮—偏心连杆通过机械作用便使卧水轮的旋转运动改变为直线的往复运动之后，而偏心连杆的末端就能推动机械杠杆的下端向前方(引者注：左方)摆动；而其上端因与面罗相衔接，便会自然地带动面罗向后方(引者注：右方)摆动并使面罗顺便完成筛选活动。反之……([2]，202页)

李文在杠杆下端与偏心连杆左端连接的设计远逊于郑为的设计，因为既然偏心连杆要推动杠杆下端左右运动，那么夹层中的“铁瓦轴承”便是多余的，按照郑为那种设计完全可以做得到。而且按照李的解释，他是受湖北宜昌车溪民俗风景区*车溪民俗风景区位于宜昌点军区土城乡，20世纪末便以巴楚民俗为特色开发为旅游景点。2002年推出“水车博物馆”，李崇州见到的“水转罗柜筛”就位于该馆内。笔者2009年7月为博士毕业论文搜集资料也考察过该水车博物馆及同在景区内的农家博物馆(后文“脚打罗”照片即拍摄于此)。该景区复原的牛转翻车(卧轮在牛上方)及水转高车的结构及名称与王祯《农书》所载相同，笔者认为设计者可能见过王祯《农书》或受其影响的《农政全书》等，当时也亲自到他家探访、询问，结果被婉拒，至今原因不明。应当注意的是，该水车博物馆内的部分机械，纯粹是为了游客互动设计的，比如“人转水车(筒车)”。因此对该馆“水转罗柜筛”的机械设计，不能不加考察地认为是当地的机械传统。李文二部分文字讨论元代之后水击面罗在车溪地区的流传，未免轻率。“水转罗柜筛”启发而想到这一结构的，而按照他的复原，偏心连杆机构是在夹层楼板上直线滑行，而铁瓦木轮轴在向右行进的过程中，其实轨迹是条弧线(圆心在上楼板轴承)，可是李的设计，垂直方向并无自由度，因此一定会发生滞卡。解决这一问题，仍需要在杠杆下端与偏心连杆左端连接处使用自由度较大的滑动运动副。

此外，李文二认为王祯《农书》的“罗因水力互击桩柱”暴露了王祯对水击面罗无知的“马脚”，理由如下：

桩柱本是“水击面罗”诸机件之中一根固定的木柱，在机械作用中是被动的一方，全赖他方的碰撞才能产生横击波并传遍面罗全身而促使面罗中过多的堆积物迅速蠕动及细面粉乘机由罗孔中筛下。既然如此，那“互击”一词，岂不荒谬!([3]，204页)

李显然没有理解《农书》中此句的原意，原句中的“互击”是指罗从左右两个方向撞击桩柱。对水击面罗而言，罗不仅包括方形框架本身，还有一侧伸出来的推拉木框。郑为和李文都绘出了这一机构，可惜李并不认为此推拉木框也可以撞击桩柱，导致了常识性错误。1964年李约瑟(Joseph Needham)在山西拍摄到的水击面罗(图12)就是对桩柱左右(照片位置上是前后向)互击的。其实，不仅是水击面罗，历史上的脚打罗也是双向互击，比如明末《天工开物》中的面罗(图13)，可以清楚地看到在面罗伸出面柜的推拉框中有两个撞击木柱，位于撞机(桩柱)左右两侧。同在车溪民俗风景区，也有传统的脚打罗，当地叫罗柜筛(图14)，与《天工开物》中的面罗一样，也是左右互击的。

图12 李约瑟拍摄的水击面罗[17]1.卧轮立轴 2.偏心立柱 3偏心连杆 4.攀耳 5.卧轴 6.攀耳 7.桩柱 8.面罗推拉杆 9.面罗推拉杆末端圆柱木

图13 《天工开物·面罗》[18]

图14 宜昌车溪脚打罗(局部)

*笔者2009年7月23日拍摄于宜昌车溪民俗风景区。

2.3 遵循机械传统的改进复原

前文分析脚踏风扇车时提到从“机械传统”角度的审视，下面考察历史上水击面罗及其相关机械结构的使用情况，以及沿承到近代的相关情况，从而复原《闸口盘车图》水击面罗的可能结构。

目前年代最接近《闸口盘车图》创作年代的水击面罗图像是王祯《农书·水击面罗》插图，如果前者创作于北宋初年的话，两者相距有300多年，这也是现存古代水击面罗的唯一图像。近代形式的，除了宜昌车溪民俗风景区的水击面罗，前述李约瑟在山西拍摄的一张照片外，还有1917—1919年间美国甘博(Sidney Gamble)在四川威州拍摄到的一张可能为水击面罗*Sidney D. Gamble. Mill Rocker Wheel [EB/OL]. [2015-12-26]。见http: //library. duke. edu/digitalcollections/gamble_52A-282/。图中数字分别表示：1.卧轮立轴；2.偏心立柱；3.偏心连杆；4.攀耳；5.卧轴。(封三图15)的图像，他对照片题记写作“mill rocker wheel”，直译是“磨的摇杆轮”或者“磨的偏心轮”。这有两种可能，第一种正如甘博的题记一样，它的确是用来驱动磨的，但由于磨要做旋转运动，因此在木房内部，卧轴上必定有另一只攀耳把卧轴的旋转运动通过曲柄连杆机构致使磨盘旋转；另一种可能便是木房内部便是面罗，它并不需要曲柄连杆机构，而像李约瑟拍摄的那张类似，直接由攀耳把旋转运动转换为面罗的往复运动。从卧轴孔外附着的粉状物推断，更像是一部水击面罗，方形木屋便是罗柜。遗憾的是，面柜内部的机械结构无法看到。不过，对比图12与图15的机构，就会发现它们的结构非常类似，只不过图15罗柜内部的攀耳应该在卧轴的上侧(与攀耳4平行)。

从上面的分析可知，除了车溪民俗风景区的水击面罗外，《农书·水击面罗》插图和两幅老照片均有“攀耳—卧轴”这一机械结构，而且历史上其可以追溯到更早。早在五代南唐赵幹的《江行初雪图》的捕鱼情景[19](封三图16)中就有呈现。在江面渔船上，三人布罾捕鱼，其中一人正在船头罾中捞鱼，罾被船头卧轴上左右两根竹竿悬吊起来，两儿童坐在船尾利用绞车牵罾。牵罾的原理是，一方面利用船头卧轴中间的竹竿末端为杠杆支点，向后方牵伸；一方面通过绳索向下拉中间竹竿的同时旋转卧轴，从而使另两根竹竿逐渐立起来，同时把罾提上来。这里布罾、拉罾的卧轴、三根竹竿，就相当于水击面罗中的卧轴和攀耳。可见，攀耳、卧轴机构的使用历史至少不晚于《江行初雪图》。

需要注意的是，两幅老照片中的水击面罗、水轮立轴与桩柱不在一条直线上，它们都利用了两只攀耳，如果立轴、攀耳、桩柱在一个平面的话，此时两攀耳可以合二为一，自然演变为杠杆式机构。这便形成了郑为与李文两种复原方案。

一种是水轮立轴与桩柱一体的情况，这是郑为复原的出发点，把立轴的圆周运动转换为偏心立柱的圆周运动，他借助了绳带传动方式。绳带传动在古代常见于手摇纺车，至晚于五代时期，我国手摇纺车中出现了这种传动形式[20]，而且在《农书》中明确使用了这一方式，因此郑为的复原在机械传统上有历史依据，另绘其机械结构见图17。其中偏心连杆与下攀耳的连接方式改进为图18，上攀耳与面罗推拉杆的连接方式改进为图19——这样上攀耳在带动柱形木右击桩柱时，面罗也一起带动产生撞击，否则在图10中不易理解其右击机制。

图17 郑为的复原图(结构示意图)

图18 旋鼓、偏心连杆、下攀耳连接图(正视、俯视)

图19 上攀耳、柱形木、面罗推拉杆的连接图

另一种情况，是水轮立轴与桩柱各自独立的情况，这是李文复原的出发点。前文已经说明立轴与桩柱一体时在机械结构上并无妨碍，不过从《闸口盘车图》大小两水轮及楼上水磨立轴、卧轴中心及桩柱底部位置判断，有迹象显示小水轮的立轴与桩柱各自独立。从两水轮轮毂中心的相对位置判断，以图9两条基线b、c参考，可判断小水轮的位置明显靠前，但是在楼板平面上，水磨立轴与楼板交汇处、卧轴攀耳底端中心、桩柱下端几乎在一条直线a上，这说明桩柱的位置相对于水轮立轴的位置靠后，因此水击面罗的卧轴、攀耳机构可能采用了双攀耳机构，见图20。上攀耳与面罗推拉杆连接，下攀耳与偏心连杆连接，其细节改进设计同图18、19。

图20 改进李文的复原图(结构示意图)

3 余论

古代机械的复原研究是技术史研究的一项重要工作，对探究古代机械技术的应用、演变以及文博场馆的展览具有重要意义。早在20世纪30年代，王振铎就对汉代张衡地动仪的运作机制做过探索；此后，他复原了多件我国古代机械，比如汉代冶铁鼓风机、宋代水运仪象台、宋代燕肃指南车等[21]。1982年，陆敬严在同济大学成立了中国古代机械制作室，从事古代机械的复原研究[22]，代表性的复原机械有我国古代多用水轮[23]、古代悬棺的升置技术等[24]。2004—2006年，中国科学院自然科学史所、台湾南台科技大学等单位几位学者利用田野调查的方法，成功复原了传统立轴式大风车[25]。2006年，台湾林聪益、颜鸿森提出了对古代机械复原的研究程序[26]。总结他们的研究经验，结合本文的两个案例，提出在古代机械复原中应该注意的两个问题。

首先，重视原始文献。复原古代机械的出发点或动机往往是根据古代文献的记载，重视并仔细研读原始文献，这是复原工作的第一步。有时古代文献的记载还有插图，此时尤要注意插图版本的差异，并需特别留意早期版本的插图。李崇州应该没有见过王祯《农书》版本流传系统中最早的明本和四库本，否则不会用《农书》万有文库本的插图*万有文库本《农书》插图直接来源是武英殿聚珍本，属于四库本系统，但与四库本的插图差异较大。而李约瑟在《中国科学技术史机械工程分册》“水打罗(水击面罗)”中采用的是清《授时通考》的插图，其来源是明本《农书》。因此李崇州的指责不当。说李约瑟使用了水击面罗的错误图像。

其次，遵循机械传统。古代机械的产生、流传，社会因素是一方面，但就机械传动方式而言，又有其技术基础。在复原中若采用特殊的机械结构，必须拿出特殊的证据，否则不具有说服力。此外，遵循机械传统还应当留意古代机械的流传情况，如果在近代文献、图像资料或者田野调查中发现实物记载或应用，应当认为其与古代有密切的关系，除非有过硬的否定证据。就前述元代脚踏风扇车而言，正是宋元间已经普遍使用的脚踏装置通过曲柄连杆机构驱动轮軖旋转运动，才产生了利用此种方式驱动的脚踏风扇车；而且这种机械在近代仍有应用，那么采用另一种不合常理的复原方式就不具说服力。

总之，只有在对原始文献充分解读、分析的基础上，遵循机械传统，才能复原出符合或者尽可能接近历史真相的古代机械。

致 谢 对曾雄生研究员、王星光教授、柴国生博士就脚踏风扇车初期的讨论表示感谢。

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2 李崇州, 李盛. 试论《闸口盘车图》中水击面罗的机械构造与原理[J]. 中国科技史杂志, 2014,(2): 198—203.

3 李崇州. 《闸口盘车图》中“水击面罗”的兴衰演变及历史发展[J]. 农业考古, 2015,(3): 198—206.

4 郑为. 闸口盘车图卷[J]. 文物, 1996,(2): 17—25.

5 (元)王祯. 东鲁王氏农书译注[M]. 缪启愉, 缪桂龙译注. 上海: 上海古籍出版社, 2008. 515.

6 林雁通. 中国陵墓雕塑全集(第3卷东汉三国)[M]. 西安: 陕西人民美术出版社, 2009. 127.

7 史晓雷. 王祯《农书》中的“飏扇”新解[J]. 中国农史, 2011,(3): 30—37.

8 (元)王祯. 王祯农书[M]. 孙显斌, 攸兴超点校. 长沙: 湖南科学技术出版社, 2014. 403—404.

9 (清)纪昀, 等. 景印文渊阁四库全书(第730册)[M]. 台北: 商务印书馆, 1986. 496.

10 王红谊. 中国古代耕织图[M]. 北京: 红旗出版社, 2009. 97.

11 山西农学编辑会. 山西农学农具图说[M]. 1920年铅印本. 19—20.

12 刘仙洲. 中国古代农业机械发明史[M]. 北京: 科学出版社, 1963. 83.

13 马承源. 上海博物馆藏宝录[M]. 上海: 上海文艺出版社, 1989. 46.

14 李约瑟. 中国科学技术史第四卷物理学及相关技术第二分册机械工程[M]. 鲍国宝等译. 北京: 科学出版社, 1999. 458.

15 杨新. 清明上河图的故事[M]. 北京: 紫禁城出版社, 2012. 96.

16 扬之水. 从“闸口盘车图”到“山溪水磨图”[J]. 文物天地, 2012,(12): 34.

17 Joseph Needham.ClerksandCraftsmaninChinaandtheWest[M]. Cambridge: the University Printing House, 1970. PlateⅩⅩⅢ.

18 (明)宋应星. 天工开物[M]. 杨素卿刻本.

19 石守谦. 故宫书画菁华特辑[R]. 台北: “故宫博物院”, 2005. 56.

20 史晓雷. 再探中国古代手摇纺车的历史变迁[J]. 丝绸, 2012,(8): 67.

21 王振铎. 科技考古论丛[M]. 北京: 文物出版社, 1989.

22 陆敬严, 虞红根. 古代机械复原研究的几个理论问题[J]. 同济大学学报, 2001,(6): 677.

23 陆敬严, 高申兰. 中国古代多用水轮及其复原[J]. 自然科学史研究, 1996,(2): 189—195.

24 陆敬严,(美)程贞一. 中国悬棺升置技术研究[J]. 江西文物, 1991,(2): 39—45.

25 孙烈, 张柏春等. 传统立轴式大风车及其龙骨水车之调查与复原[J]. 哈尔滨工业大学学报(社会科学版), 2008,(3): 5—13.

26 林聪益, 颜鸿森. 古机械复原研究的方法与程序[J]. 广西民族学院学报, 2006,(2): 37—42.

Discussion on the Reconstructions of the Treadle-operated Winnowing Fan and the Hydraulic Sifting Machine in Ancient China

SHI Xiaolei

(InstitutefortheHistoryofNaturalSciences，CAS，Beijing100190，China)

In 2011， Wang Xingguang and Chai Guosheng published one paper and reconstructed the treadle-operated winnowing fan inNongShuby Wang Zhen in Yuan dynasty. The winnowing fan is used by a treadle-operated rope and begins to winnowing by the inertia of rotating fan-wheel， but the fan-wheel works back and forth. This paper uses the illustrations of the treadle-operated inNongShuand a new picture in one book printed in 1920， gives the evidences that the mechanism of crank and connecting-rod by treadle-operated had been popular in Yuan dynasty and thinks the treadle-operated winnowing fan was run by this mechanism. In 2014—2015， Li Chongzhou and Li Sheng reconstructed the hydraulic sifting machine in the painting ofZhakouPancheTuand their work was based on the paper by Zheng Wei in 1966. After analysis their reconstruction， the paper provides the modified design for the hydraulic sifting machine according to the rule of mechanical tradition.

treadle-operated winnowing fan， hydraulic sifting machine， reconstruction， history of technology

2016- 04- 03；

2017- 03- 17

史晓雷，男，1979年生，河北涉县人，博士，中国科学院自然科学史研究所副研究员，研究方向为技术史。

国家社科基金青年项目“宋金元时期农具的考证研究”(编号：14CZS016)。

N092

A

1673- 1441(2017)02- 0214- 14