我国古代农业机械及其在物理教学中的应用价值①

叶鸣扬

(南京师范大学附属中学树人学校,江苏 南京 210011)

1 背景

《义务教育物理课程标准(2022年版)》(以下简称课标)强化了“怎么教”的具体指导,在课程内容方面,引入了我国古代科技成就,这一变化的导向十分明确,旨在引导学生体会物理学对人类生活和社会发展的积极影响,引导学生关心我国古人在科技领域取得的辉煌成就,为中华民族的科技成就及灿烂文明而感到自豪,并逐步形成实现中华民族伟大复兴的责任感与使命感。[1]

课标中新增加的关于我国古代农业机械发明的内容有:(1) 分析《天工开物》中汲水装置工作时的能量转化(3.2机械能);(2) 查阅资料,了解我国古代水磨、水碓等机械,写一篇弘扬中华优秀传统文化的调查报告(3.2机械能);(3) 了解我国古代“龙骨水车”的工作原理,尝试设计相关装置(5.2物理学与工程实践)。[1]

然而在日常生活中,广大师生已经很难接触到以上古代农业机械。作为教师,只有自己以身垂范,主动学习,才能在教学中用好课标,讲好我国古代的农业机械故事。

2 我国古代农业机械示例

2.1 舂米工具及其改良

2.1.1 杵臼和碓

将稻谷去壳的过程叫作舂米,舂去米糠后剩下的米粒方可食用。传统手工舂米的工具叫作杵臼。杵为一根棒槌,臼为盛米石器。工作时,双手举高棒槌,然后用力砸入石臼中,重复多次,将臼中的米糠砸掉。

碓是在杵臼的基础上加以改进的,它用到了杠杆原理。如图1所示,用柱子架起一根称作碓杆的木棍,碓杆可绕中间一固定点转动,在碓杆的一端固定一块圆柱形重石作为杵,在碓杆的另一端用脚踩踏。工作时,用力踩下碓杆的脚踏端,则固定重石的一端被举高,松开脚后,重石下落,砸入石臼。东汉谭桓在《桓子新论》中写道:“因延力借身重以践碓,而利十倍杵舂。”[2]描述了以脚力驱动的碓相较于以臂力驱动的杵之优势。

图1

2.1.2 水碓

脚力虽较臂力有优势,但终归是人力。在小农经济时代,家人数量有限,人亦需要休息。为了进一步发展生产力,古代劳动人民发明了水碓,即借用水力来驱动碓。

水碓的动力结构为一立式水轮,水轮支架固定在河边,底部浸入河水。在水轮的转轴上固定若干拨片,两个拨片为一组,互成180°固定在转轴同一位置。水流带动水轮转动,转轴和拨片也朝着同一方向以相同的角速度转动。这样,同一圈的两个拨片就可以轮流按下碓杆,故拨片的作用相当于人的脚。工作时,转动的拨片按压碓杆的一端,至碓杆另一端的重石被举到一定高度时,持续转动的拨片恰好与碓杆脱离,重石下落。当重石落回石臼后,另一个拨片很快便会转至与碓杆接触的位置,在水力的推动下,第二个拨片再次下压碓杆,举起重石,依次循环,水轮转动一周,水碓可舂米两次。

2.1.3 连机水碓

人们在继续尝试改进后发现,在水流条件允许的河岸,可以用一部水轮带动两个以上的碓,即连机水碓(图2、图3)。常见的连机水碓一般设置四个碓,显然,这种以水能驱动的机械极大地解放了劳动力,还可以做到昼夜不停地工作,既延长了工作时间,又提高了工作效率。《天工开物》述及水碓时写道:“攻稻之法省人力十倍,人乐为之。”[3]

图2

图3

2.2 磨面工具及其改良

2.2.1 磨

磨是把谷物、豆类加工成面的一种农业机械,它由两块被称为“磨扇”的圆柱形石块叠放而成,两磨扇相接触的一面均刻有细槽式磨齿。下磨扇固定,在中心处打穿一孔,穿以铁轴。在上磨扇中心处打洞,可以不打穿,使上磨扇能套在铁轴上绕铁轴转动即可。此外,在上磨扇偏离中心的位置再打穿一孔,称为“磨眼”,作为待加工谷物的输入口。

给上磨扇套上长木柄,以人力或畜力推动长木柄末端,带动上磨扇转动。这里运用了杠杆原理,起到了省力的作用。同时另一人将待加工的谷物按适当的速率向磨眼中添加谷物,谷物自磨眼进入两磨扇之间后,由于上、下磨齿间的相对运动,谷物被磨成粉末。粉末从磨扇边缘夹缝流出,撒落在下方磨盘上,即可收集保存。

2.2.2 水磨

借用水力取代人、畜力来带动磨转动的组合机械就是水磨,它的加工部分与普通磨没有区别,只是用水轮提供的动力代替人力或畜力。水轮有卧式水轮和立式水轮两种。

图4是使用卧式水轮的水磨示意图,卧式水轮在水流的冲击下,可以在水平面内转动(“·”表示水流方向由纸面内流向纸面外,且仅存在于水轮的一侧)。在水轮的上方建磨坊,坊中的磨盘与下磨扇保持固定,上磨扇与水轮共用一轴,水轮转动则上磨扇随之转动。人们只需在磨旁及时添加谷物,收集粉末,不必亲自推动上磨扇。

图4

使用卧式水轮有明显的缺点,卧式水轮不能直接置于天然河流中,这样水流冲击水轮产生的正反力矩抵消,水轮不会转动。所以使用卧式水轮,必先“别引沟渠,掘地栈木。”[4]意思是说,必须先向下掘地,挖出一块低于河流水平面的空间安置卧式水轮,再从天然河流引出一条逐渐变窄的人工沟渠,此沟渠的终点只能对准水轮的一侧。上游开闸放水后,河水自沟渠被引向水轮,由于沟渠逐渐变窄,渠内水流速度逐渐加大,最终冲刷水轮单侧叶片。这样,水轮获得了单向力矩,就可以持续转动了。如此复杂的前期土木工程促使人们思考,可否像水碓那样使用立式水轮,直接立在河边获取动力?

中国古代劳动人民发明了类似于今天的锥形齿轮,解决了这一问题。锥形齿轮如图5所示,可以传递两根交错轴之间的转动。如图6所示,立式水轮在河水的冲击下,在竖直面内转动。水轮转轴上安装的锥形齿轮1与水平的锥形齿轮2咬合,这样竖直的转动就可以转化为水平的转动。再将水平转动的锥形齿轮2和上磨扇连动起来,就可以带动上磨扇水平转动了。有了这样巧妙的传动装置,便可以避免挖渠搭栈了。

图5

图6

2.2.3 水转连磨和水碓磨

到了晋代,长安发明家杜预对水磨继续改进,发明了水转连磨。如图7所示,一台水轮最多可以同时带动九台磨。南北朝时期杰出的数学家祖冲之,还发明了水碓磨(图8)。用一台水轮,同时驱动多台磨和多台碓,实现了米和面的加工一体化。

图7

图8

2.3 灌溉工具及其发展

2.3.1 龙骨水车与水转翻车

龙骨水车又称翻车、踏车,是三国时期的马钧在一种原始提水工具的基础上改制的。它是我国古代先进的农田排灌工具,也是世界上出现最早、使用时间最为久远的农用水车。

如图9所示,龙骨水车的结构包括:固定整台水车以及操作者身体的木架、操作者脚下的大轮轴和踏板、一条由大轮轴下方倾斜延伸至水源中的木质水槽、安装于水槽另一端的小轮轴,以及绑定在大小轮轴之间的木制链条。链条上安装等间距的竖直板片若干,其中上升方向的板片可在水槽内运动,负责划水上岸,而下降方向的板片位于水槽上方,目的是回到水源中,循环往复。木质链条与板片的形状,与古代船的龙骨结构很像,由此得名龙骨水车。

人扶在木架横杆上稳定身体,以双脚交替踩踏脚踏板,驱动大轮轴、木质链条和小轮轴一起转动。木质链条一旦运动,水中的板片就可以将河水向上划入水槽。每有一个板片带水升入水槽,就必有一个板片转入水下,在板片接二连三的推动下,河水便可顺着水槽源源不断地被提取上岸。将上岸的水引向水渠,实现以低地之水灌高地之旱田。

《三国志·方技传·杜夔》中写道:“城内有地,可以为园,患无水以灌之,乃作翻车。令儿童转之,而灌水自覆。”[5]由此可见,使用龙骨水车提水,十分省力,连儿童都可以独立操作。

由于板片和水槽之间不可能做到无缝贴合,所以每一块板片在划水上岸的过程中,必然会有河水通过缝隙流失,这就决定了龙骨水车的提水高度会受到限制。对于较高地势的旱田,可用多部龙骨水车,分级提水。元代《王祯农书》中有以下记载:“车身用板木作槽,长可两丈。”“若岸高三丈有余,可用三车,中间小池倒水上之,足救三丈以上高旱之田。”[4]可以推知,一台龙骨水车槽长两丈,大约可以提水一丈,倾角可达30°。

既然碓和磨可以用水能驱动,那么龙骨水车有何不可?于是水转翻车应运而生,迁移的智慧被古代劳动人民发挥得淋漓尽致!如图10所示,在河流中安置一台立式水轮,再通过锥形齿轮传动,就可以驱动龙骨水车的大轮轴转动,实现用水能自动提水。只要河流不息,则提水不止,昼夜灌溉不停。王祯对此以诗赞曰:谁知人机盗天巧,因凭水力贷疲民。

图10

2.3.2 筒车

筒车是一种汲水工具,在明代宋应星的《天工开物》和徐光启的《农政全书》中均有详细记载,它是我国古代劳动人民的又一智慧结晶。

在《农政全书》中可以找到筒车的插图(图11),筒车两侧的轮框是直径略有差异的同心圆,并非等圆。[6]两轮框之间安装等间距的竹筒和板片,竹筒略有倾斜,筒口安装在小圆的一侧。筒车在水流的冲击下转动,由于筒口始终距离转轴更近,所以当竹筒在下方打水时,筒口朝上,河水自动灌入筒中。而当竹筒转到较高处时,筒口开始朝下,筒内之水便可倾入筒口下方事先安置好的水槽里。由于每一个竹筒的安装角度、筒口形状都相同,所以每个竹筒都会在同一位置将水倒出。这样便实现了用流水驱动筒车,自动将河水送至高处,再通过水槽引导,将提上来的水源源不断地输送至附近农田,“昼夜不息,百亩无忧。”[3]筒车工作时主要是将河水的动能转化为筒车的转动动能以及竹筒内所装水的重力势能。如果遇到雨季,不用提水灌溉时,只需用木栓卡住筒车,阻止其转动便可。前文所述的水轮动力装置,都是用类似的方法暂停工作的。

图11

2.4 其他古代水力机械

我国古代围绕水能利用的发明远不止以上几例。在冶金领域,用来鼓风入炉,促进燃烧的皮橐换用水力驱动之后,就改进为水排。“排”是指将多个皮橐排列起来,对同一座炼炉进行多管鼓风。由此可见,水能的应用促进了单管鼓风向多管鼓风转变,极大地提高了冶金效率与产品质量。

此外,在纺织领域,古人发明了水转纺车;在天文领域,有水运浑天仪、水运仪象台等。

3 我国古代机械发明在教学中的运用

3.1 为知识应用提供现实案例

我国古代农业机械涵含着丰富的物理知识,如杠杆、轮轴、动能与势能的相互转化、功能关系等。学习完相关知识后,可以通过观看古代农业机械,请学生运用所学知识,解释其中原理,体会其中妙处。

3.2 为综合实践活动打开思路

面对苏科版教材第11章综合实践活动“设计、制作一个机械模型”,学生往往因缺乏生活经验,难以跳出习题思路的“禁锢”,鲜有创新。在教学中引入古代机械的相关视频,简单介绍平时教学中没有涉及的动力装置(如水轮、风车等)和传动装置(如同轴传动、齿轮传动、链条传动等),可以帮助学生拓宽眼界,打开思路,激发他们的创造热情和潜能。

3.3 为跨学科实践提供主线

跨学科实践也是课标中的一级主题,目前在实践方面,相对于其他四个主题来说,成熟案例较少。研究古代农业机械,为物理跨学科实践课程的研发提供了优秀素材。农业机械的发明创造史与历史学科相关,农业机械的因地制宜与地理学科相关,古代农业著作的翻译与语文学科相关,根据所收集的资料进行绘图与美术学科相关,模型的制作与劳技学科相关……

3.4 为课程思政提供优秀素材

通过研究我国古代杰出的发明创造,可以帮助学生树立文化自信;通过挖掘我国古代辉煌的文明成果,可以引导学生思考国家的未来与自身肩负的使命,自觉地将个人的前途同国家的命运相联系,树立远大理想,成为全面发展的社会主义事业的建设者和接班人。

致谢

文中的图1、图2、图5、图9分别由笔者的学生俞虹璟、张靖泽、周樟宸、徐子君绘制,在此向四位同学表示感谢!