中国古代对活塞装置的利用与认识
2020-08-27温晓敏段海龙
温晓敏,段海龙
(内蒙古师范大学科学技术史研究院,内蒙古呼和浩特 010022)
活塞装置是中国古代器具中重要的组成部件,研究活塞的使用情况,可为中国古代机械史研究提供一条线索。已有学者在相关器械的研究中关注过中国古代的活塞装置,如李文、戴吾三“‘鞲鞴’译名考源”对西方活塞装置传入中国被译为“鞲鞴”的历史做了考证[1],李约瑟对活塞装置进行专门研究,《中国科学技术史·机械卷》等书也专门对活塞装置进行相关论述等[2]。试图对活塞在中国古代的使用情况进行梳理,尝试探析古代活塞装置的演变过程,兼论中国古人对活塞的认识。
1 中国传统器具中活塞的使用
1.1 “唧筒”并非全是活塞装置
中国古代文献中,“唧筒”一词多用于灭火器具的称谓,但其装置不完全相同。有些“唧筒”结构简单,属于无活塞筒式汲喷器具。如成书于公元801年(唐贞元十七年)的《通典·兵典》中就有相关记载:
“敌若纵火焚楼堞,以粗竹长一丈,锼去节,以生薄皮合缝为袋,贮水三四石,将筒入于袋内,急缚如溅筒,令壮士三五人撮水口,急蹙之救火。每门常贮两具。如无竹,以木合桶,漆之而用,并小溅桶二十具兼助之。门内常以瓮贮水添用[3]。”
此段文献在宋代许洞的《虎鈐经》卷一五“守城具第六十五”中也有转录,显然并无活塞装置。苏轼(1036-1101)在《东坡志林》中描述了四川盐井中的“汲卤唧筒”:
“蜀去海远,取盐于井。陵州井最古,淯井、富顺盐亦久矣,惟邛州浦江县井,乃祥符中民王鸾所开,利人至厚。自庆历、皇祐以来,蜀始创筒井,用圜刃凿如碗大,深者数十丈,以巨竹去节,牝牡相衔为井,以隔横入淡水,则咸泉自上。又以竹之差小者,出入井中为桶,无底而窍其上,悬熟皮数寸,出入水中,气自呼吸而启闭之,一筒致水数斗。凡筒井皆用机械,利之所在,人无不知。”
据上述文献所述,汲卤筒主要作用是汲取盐卤。文中提及的“熟皮”实为“皮阀门”而非活塞。筒井主要是利用竹筒固定井壁隔绝淡水,并且结合竹筒空心的特性,将卤水从地下汲取上来。在提取卤水时,需要一根很长的汲卤竹筒,且汲卤竹筒的下端有一个侧洞,内置皮阀门,当汲卤竹筒往下放时,井内卤水会对竹筒末端产生向上的压力,筒内皮阀门受力向筒壁内张开,卤水灌入筒内。当提起汲卤竹筒时,筒内卤水下压,皮阀门自动封闭,使卤水不会漏出。然后把汲卤竹筒提起,用水钩勾取竹筒的侧洞,卤水自然流出。由上述描述可得知,汲卤竹筒的工作原理只是应用了简单的单向阀原理,属于一种无活塞筒式装置。
明代宋应星的《天工开物》中也明确记载有四川盐井中的吸卤器:
“盖井中空阔,则卤气游散,不克结盐固也。井及泉后,择美竹长丈者,凿净其中节,留底不去。其喉下安消息,吸水入筒,用长絙系竹沉下,其中水满。井上悬桔槔、辘轳诸具,制盘驾牛。牛拽盘转,辘轳绞絙,汲水而上。入于釜中煎练,顷刻结盐,色成至白[4]。”
此处吸卤竹筒与上述《东坡志林》所述的汲卤筒的原理相同,都无活塞装置,只是利用了单向阀门。
1.2 单筒活塞的出现
目前发现较早明确记载有活塞装置的应为北宋曾公亮著《武经总要》。其中记载“猛火油柜”(图1):
“右放猛火油,以熟铜为柜,下施四足,上列四卷筒。卷筒上横施一巨筒,皆与柜中相通。横筒首大、细尾、开小窍,大如黍粒,首为圆口,径寸半。柜旁开一窍,卷筒为口,口有盖,为注油处。横筒内有拶丝杖,杖前缠散麻,厚寸半,前后贯二铜束,约定。尾有横拐,拐前贯圆掩,入则用闭筒口。放时以杓自沙罗中挹油注柜窍中,及三斤许。筒首施火楼,注火药于中使然(燃)。发火用烙锥。入拶丝,放于横筒。令人自后抽杖,以力蹙之,油自火楼中出,皆成烈焰[5]。”
从以上文献和图1 可以看出“猛火油柜”的工作原理。油柜内盛有猛火油,四个卷筒为抽油管,卷筒上横置一个粗筒,横筒与油柜相通。此横筒类似于一个唧筒装置,横筒内设有拶丝杖(图1 左)。拶丝杖充当一个往复运动的活塞,“抽杖”时,横筒中空气被抽出形成真空,大气压强将油柜中的油压入横筒内,完成吸油的过程。用力向前推拶丝杖,产生压力使猛火油喷出,完成喷油过程。当喷出的猛火油经过点火装置时,猛火油遇热燃烧成烈焰,用于烧伤敌人和焚毁战具,或在水战时焚毁敌人战舰。可见猛火油柜是古代攻防作战和水战的利器。
另外,在《武经总要》中还记载了竹质唧筒的历史,说:“唧筒,用长竹,下开窍,以絮裹水杆,自窍唧水”。此处“唧筒”,显然为活塞装置。军事上主要用它进行灭火,是我国宋代的一项伟大的发明,具有独创性的意义。此处裹絮之“水杆”显然是一个完整的“活塞”装置。
清代徐珂(1869-1928)《清稗类钞》“物品类”中“唧筒”条:
“唧筒为一圆筒,筒内有鞲鞴,柄出筒外,可上下移动。筒有二活罨,一向外开放,使水外出,而不内入;一向内开放,使水内入,而不外出;向内之活罨,外接进水管;向外之活罨,外接喷水管。抽水时以进水管入池井中,而上下其鞲鞴,鞲鞴上行时,水由进水管向活罨入筒;下行时,水由活罨向喷水管喷出。唧筒形式不一,大致相同。进水管长者曰吸上唧筒,管短而由喷水管喷至高处者曰压上唧筒,皆为激水至高处之用[6]。”
上述文献中提及的“鞲鞴”即“活塞”,在李文、戴吾三的“‘鞲鞴’译名考源”中,对西方活塞传入中国被译为“鞲鞴”的历史已做了考证。“活罨”是“阀门”。此处活塞运作时必须在一个密闭的容器内。由上述史料可知,《清稗类钞》中描述的唧筒内有活塞,抽水时(如图2 所示),进水管伸入池井中,当向上拉动活塞时,筒内的活罨(类似前文所述“皮阀门”)受压力开启,筒外的活罨闭合,使水由进水管流入筒内;当向下压活塞时(如图3所示),筒内的活罨闭合,筒外的活罨打开,水由筒外的活罨经喷水管喷出。
可见,此处“唧筒”不仅具有完整的活塞装置,还配有“阀门”,可实现持续工作状态。显然,《清稗类钞》中“唧筒”在技术方面继承了前文中“吸卤唧筒”中“皮阀门”的元素。从这个角度讲,中国古代活塞器械具有传承性和连续性。
1.3 活塞在风箱中的使用
中国古代活塞使用最普遍者,当属风箱。明代成书的《鲁班经匠家境》中有图,并附有文字描述:
“风箱的样式:长三尺,阔八寸,板片八分厚;内开风板,六寸四分大,九寸四分长。抽风擴仔八分大、四分厚,扯手七寸四分长,方圆一寸大。出风眼要取方圆一寸八分大,平中为主。两头吸风眼每头一个,阔一寸八分,长二寸二分。四边板片都用上行做准[7]。”
活塞式风箱是我国古代鼓风技术的最高成就,活塞器件的往复运动,提供了连续的风力,大大增强了工作效率,对冶金技术的发展起到了关键作用。从技术角度看,活塞式风箱便于制作,使用鸡毛就可以实现活塞的封闭功能。(图4 为其示意图)关于活塞式风箱,有好多学者从不同角度对其进行了论述。如戴念祖和张蔚河[8]、史晓雷[9]等人。
图4 双作用活塞式风箱构造图(采自冯立昇:《中国古代的双作用活塞风箱》)
清代郑复光(1780-约1853 年)在《费隐与知录》“风箱气法入大出小”中也有介绍。清人吴其濬(1789-1847 年)在《滇南矿厂图略》也记述了木风箱:
“炉器曰风箱,大木而空其中,形圆,口径一尺三四五寸,长一丈二尺。每箱每班用三人。设无整木,亦可以板箍代有,然风力究逊,亦有小者,一人可扯”。
此木风箱是呈圆筒形,口径大,长度长,故这样的风箱鼓风效果会相对好一些,但需三人操作,比较费力。这种风箱在清代后期广为流传。
清人徐珂《清稗类钞》“工艺类·制风箱”有:
“风箱以木为之,中设鞲鞴,箱旁附以空柜,前后各有孔,与箱通。孔设活门,仅能向一面开放,使空气由箱入柜。柜旁有风口,藉以喷出空气。用时,抽鞲鞴之柄使前进,则鞲鞴后之空气稀薄,箱外空气自箱后之活门入箱。鞲鞴前之空气由箱入柜,自风口出。再推鞲鞴之柄,使后退,则空气由箱后之活门入箱,鞲鞴后之空气自风口出。于是箱中空气喷出不绝,遂能使炉火盛燃[10]。”
目前发现最早记录活塞式风箱的一条文字史料,出自明嘉靖三十一年(1552 年)韩邦奇的《苑洛集》卷十八:“观今风匣可知进而吹固生风,退而缩亦生风。”另外一条是出自万历癸年的《重刻来瞿塘先生日录》的“内篇”第1 卷和第7 卷:“譬如扇铁扯风厢似,将手推去又扯转来。来复者是扯转来者,皆一气也。”除这些文献外,还发现在辽宁博物馆藏仇英本《清明上河图》在《石渠宝笈》著录[11],也绘有活塞式风箱图,它完成于嘉靖二十二年(1534年)。
活塞式风箱不仅使用在冶铁等手工业中,还被作为日常鼓风工具广泛使用在各家各户中。直到上世纪八九十年代,在很多农村中还有一直在使用。将风箱和唧筒相比,共同之处是都同时采用了“活塞”和“单向阀门”,不同之处是唧筒主要用于液体(水或油)的抽取和喷射,风箱则用于气体的收集与鼓风。二者结构相似原理相同,成为中国古代器械体系中重要的组成部分。
2 西方传入中国的活塞器具
2.1 《泰西水法》中的“恒升车”和“玉衡车”
《泰西水法》是由徐光启和意大利耶稣会士熊三拨(Sabbathin of Ursis,1575-1620 年)合作著成,于1612 年(明万历四十年)出版。在《泰西水法》中,提及到一种机械“恒升车”:
《恒升车记》曰:“恒升车者,井泉挈水之器也,其用与玉衡车相似,而更速焉,更易焉,以之灌畦治田,致为利益矣。”
《恒升图说》:“恒升者,从下入而不出也,从上出而不息也。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。三曰衡轴。衡轴者,所以挈双提上下之也。四曰架。架者,所以居庶物也。四物者备,斯成器矣。更为之机轮焉,巧者运之,不可胜用也[12]。”
据上述记载,恒升车由筒,提柱、衡轴、架四部分组成,主要用来灌溉农田。恒升车工作原理如下:当压下衡的右端(即长端)时,恒升车的砧上升,砧上的舌闭合,砧下将形成真空,筒底的舌会开启,此时,大气压将井里的水压入筒内。提起衡的长端时,恒生车的砧将下降,砧上的舌开启,筒内水会升入砧上部。提砧时,水将会从出水管流出。可见,恒升车也是利用砧的往复运动达到持续出水灌溉的目的。
清初纳兰成德认为恒升车的工作原理与中国古代风箱相同。的确,恒升车和风箱都是利用往复运动的活塞达到自身要实现的目的。
《泰西水法》中提到的玉衡车,也是取井泉之水的器具,是一种双筒活塞式压水机,见图5所示。
《玉衡车记》曰:“玉衡车者,井泉挈水之器也。”
《玉衡图说》:“玉衡者,以衡挈柱,其平如衡,一升一降,井水上出,如趵突焉。玉衡之物有七:一曰双筩(即双筒)。双筒者,水所由代入也。二曰双提。双提者,水所由代升也。三曰壶。壶者,水之总也,水所由续而不绝也。四曰中筒。中筒者,壶水所由上也。五曰盘。盘者,中筒之水所由出也。六曰衡轴。衡轴者,所以挈双提下上之也。七曰架。架者,所以居庶物也。七物者备,斯成器矣。更为之机轮焉,巧者运之,不可胜用也[13]。”
图5 玉衡车(采自《泰西水法》卷六,中华书局1956年版)
据上述文字描述,玉衡车具灌溉效率高、比较轻便,而且结构牢固,提高了农业灌溉效率。关于玉衡车的工作原理,《泰西水法》卷三十八中有这样的记载:
“旋坚木以为砧(此处“砧”就是指现代意义的“活塞”),砧入于双筒也,展转之。砧之心而立之柱。砧升,则舌开而水为之入;砧降,则舌合而水为之不出。水之入而不出者,舌也。舌之开阖者,砧也。砧之上下者,柱也。舌阖矣,水不出矣,砧又下焉,水将安之?则由筒之管而升于壶,左右相禅也。故曰双提者,水所由代升也。”
可见,玉衡车如同将两个恒升车并联到一起,两个恒升车此起披伏,持续供水,大大提高了工作效率。《泰西水法》中详细介绍的这两种农用提水机械,为当时中国农业引进新的机械而注入新的活力。
2.2 《奇器图说》中的“水铳”
《奇器图说》是由德国传教士邓玉函(Jeannes Terrenz)口授,王徵笔述和绘图,两人于1627年(明天启7 年)在我国出版的一部介绍西方机械原理的专著。其中此书卷三中,介绍了当时流行于欧洲用于灭火机械水铳。(如图7所示)
“先铸两铜筒,如甲,其容之广,从二寸或至十寸,任人意为之,其高少或一尺多或一尺有半,内容务上下相等,其底要最坚厚,其气眼如乙,有鞲或在旁或在底或在底旁少许,但在底更便,旁安管少弯曲,向上如丙,各有小鞲,如丁上。有两乂总管,如戊,紧压合于两弯管上,无丝毫漏隙,为则鞲共四个,气眼入水处两个,弯管出入处两个,另有柁二具,如已,其柄以铁为之,其柁则铜,柁用两层铜,柁周围以满铜筒之,容为度铜柁。两层中间用软皮数层,挤实为则。两铜筒俱安一铜锅内,要极稳勿动为则,锅底要平。如无铜锅,坚大木桶亦可。于两铜筒之上,安横梁如庚,两旁中央安两铁孔,是两柁所由上下者,居中有铁天平立柱,其柱顶头有小转轴,眼上横安天平,长木担于两柁上下处,用环连于担上两端,多设平木桩,以便多人攀举。又有直角小管如辛,贯于总管出水上口之外,要最严密又要可周旋转动,使之四面八方去也。就中有小圆槽,施以短钉,务令可转而不可上,其必用槽用钉者,水力最大,不则冲之去矣。此管上又有直角管,但其嘴少长于辛为壬,其长少亦三尺,愈长其出愈远,但嘴必少弱于管身,为出水之势耳。直角长管与短管相贯处,亦必用槽用钉如前法,此管则一人用手可转,或上或下或正或斜,皆可向有火处施放之也。”
《奇器图说》中还特别指出了水铳的性能:
“此水铳可以灭火,可以御火,可以防火,乃新有之器其能力最便、最大、最奇,诸器所难比其功用者也,盖仓卒之际,火力正胜人不可近,但有此器则五六人可代数百人之用,又不空费一滴之水,不拘多高多远,皆可立到,有似大雨喷空无处不沾,不但可灭已焰之火,仍可预阻未燃之火。”
可见上述“水铳”结构颇为复杂,但其关键部件仍为活塞,即文中“铜柁”。而文中“鞲”“小鞲”等却指皮阀门。简单来说,水铳是利用两个铜筒(缸)中的两个铜柁(活塞)的往复运动,为水铳的两个铜筒中制造一个真空的环境,然后再利用人力往复的拉动铜筒内的铜柁,使水槽内的水压入弯管,最后使水沿出水口喷射出来,达到灭火的功效。可见,水铳巧妙地利用了两个同时交替工作的活塞装置,达到持续供水的灭火效果。其巧妙之处在于,利用两个相互连通的同时工作的唧筒,一个负责吸水,另一个负责喷水,如此循环往复,保证喷出的水具有连续性,并且射程较远,灭火效果更好,达到了理想的灭火效果,其原理与“玉衡车”类似[14]。
无论是《泰西水法》中的“恒升车”“玉衡车”,还是《奇器图说》中的“水铳”,核心部件都采用了活塞,其原理都是利用活塞往复制造真空,利用大气压强,达到吸取(或喷射)气体或液体的目的。
3 结语
中国和西方的机械中,都出现在了活塞装置,并广泛使用在生产生活中。不论是中国的“猛火油柜”还是西方传进的“恒升车”“玉衡车”,其原理、结构都大同小异,都利用大气压强达到作功的效果。
在古代中国,没有对“活塞”的统一称谓,大多以结构形制或功能称之,如北宋《武经总要》中“拶丝杖”“絮裹水杆”、郑复光《费隐与知录》中的“橐龠”以及“鞲鞴”等。包括西方活塞器械传入,在翻译过程中,也大都按照中国原有的习惯,将其称之为“砧”(《泰西水法》)、“铁键”(《博物新编》)、“柁”(《奇器图说》)或者“鞲鞴”。当然,也有文献较早译作“活塞”(见1871年的《格物中法》、1892年薛福成的《出使英法义比四国日记》、1918 年许景澄的《许文肃公遗稿》等)。可见,中国古代活塞使用广泛,实践丰富,但并没有将其系统化、抽象化,难以上升到理论层面。
从技术角度来看,《清稗类钞》中“唧筒”在技术方面继承了前文中“吸卤唧筒”中“皮阀门”的元素,中国古代活塞器械具有传承性和连续性。活塞装置在古代的发明与发展是中国机械史中的一个重点,且活塞装置的发展和同时代社会整体机械设计与制造水平息息相关,也对于认识活塞装置的形成、传播和演变具有重要的意义。