史曉雷

(中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所，北京 100190)

對(duì)古代腳踏風(fēng)扇車(chē)和水擊面羅復(fù)原的商榷

史曉雷

(中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所，北京 100190)

2011年，王星光、柴國(guó)生復(fù)原了元代王禎《農(nóng)書(shū)》中的腳踏風(fēng)扇車(chē)，其運(yùn)轉(zhuǎn)原理是腳踏繩索，利用葉輪旋轉(zhuǎn)的慣性進(jìn)行往復(fù)式旋轉(zhuǎn)生風(fēng)。本文根據(jù)《農(nóng)書(shū)》風(fēng)扇車(chē)的插圖，結(jié)合元代普遍采用的腳踏曲柄連桿驅(qū)動(dòng)輪軸旋轉(zhuǎn)的事實(shí)，利用新發(fā)現(xiàn)的近代腳踏風(fēng)扇車(chē)圖像，認(rèn)為古代腳踏風(fēng)扇車(chē)采用的是曲柄連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。2014—2015年，李崇州、李盛在鄭為1966年復(fù)原的基礎(chǔ)上重新復(fù)原了《閘口盤(pán)車(chē)圖》中的水擊面羅。本文在分析他們復(fù)原水擊面羅的基礎(chǔ)上，依據(jù)“攀耳-臥軸”機(jī)構(gòu)的使用傳統(tǒng)，改進(jìn)了他們的復(fù)原設(shè)計(jì)。

腳踏風(fēng)扇車(chē) 水擊面羅 復(fù)原 技術(shù)史

2011年第4期《中國(guó)科技史雜志》刊載了王星光、柴國(guó)生的《中國(guó)古代足踏式風(fēng)扇車(chē)考釋與復(fù)原》[1](以下簡(jiǎn)稱王柴文)，他們復(fù)原了元代王禎《農(nóng)書(shū)》記載的腳踏風(fēng)扇車(chē)。但該復(fù)原的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與文獻(xiàn)描繪不符，傳動(dòng)方式違背機(jī)械傳統(tǒng)，而且并不知道腳踏風(fēng)扇車(chē)在近代山西地區(qū)仍有沿用，因此復(fù)原的結(jié)果值得商榷。2014年第2期《中國(guó)科技史雜志》刊載了李崇州、李盛的《試論〈閘口盤(pán)車(chē)圖〉中水擊面羅的機(jī)械構(gòu)造與原理》[2](以下簡(jiǎn)稱李文一*下文未具體指明“李文一”或“李文二”的“李文”，乃統(tǒng)稱兩者而言。)，李崇州又在2015年第3期《農(nóng)業(yè)考古》發(fā)表了《〈閘口盤(pán)車(chē)圖〉中“水擊面羅”的興衰演變及歷史發(fā)展》[3](以下簡(jiǎn)稱李文二)，兩文的核心內(nèi)容基本一樣，他們?cè)?966年鄭為復(fù)原[4]的基礎(chǔ)上，對(duì)(傳)五代衛(wèi)賢所繪《閘口盤(pán)車(chē)圖》中“水擊面羅”進(jìn)行了新的復(fù)原。鄭為的復(fù)原僅在細(xì)節(jié)上有待改進(jìn)；李文不僅對(duì)鄭為的復(fù)原存在誤解，而且新的復(fù)原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。本文以此二古代機(jī)械為例，談?wù)劰糯鷻C(jī)械復(fù)原中的若干問(wèn)題。

1 腳踏風(fēng)扇車(chē)的復(fù)原

中國(guó)古代關(guān)于腳踏風(fēng)扇車(chē)的文獻(xiàn)記載，首見(jiàn)于元代王禎《農(nóng)書(shū)·飏扇》。

《集韻》云：飏，風(fēng)飛也。揚(yáng)谷器。其制：中置簨軸，列穿四扇或六扇，用薄板或糊竹為之。復(fù)有立扇、臥扇之別。各帶掉軸，或手轉(zhuǎn)、足躡，扇即隨轉(zhuǎn)。凡舂輾之際，以糠米貯之高檻，檻底通作扁縫下瀉，均細(xì)如簾*《農(nóng)書(shū)》明本與四庫(kù)本作“簾”，聚珍本作“篩”，此處依前者。，即將機(jī)軸掉轉(zhuǎn)扇之?？肤鸭热?，乃得凈米。

又有舁之場(chǎng)圃間用之者，謂之扇車(chē)。凡蹂打麥禾等稼，穰籺相雜，亦須用此風(fēng)扇。比之杴擲、箕簸，其功多倍。[5]

《農(nóng)書(shū)·飏扇》附有插圖，后文將對(duì)插圖做專(zhuān)門(mén)分析，此處不贅，僅就如何解讀上文的“立扇、臥扇”做一分析?？妴⒂?、繆桂龍認(rèn)為：“扇有豎扇、臥扇的分別。軸的一端都帶著運(yùn)轉(zhuǎn)短把，或用手轉(zhuǎn)，或用腳踏，扇就跟著轉(zhuǎn)動(dòng)?！?[5]，516頁(yè))王柴文認(rèn)為，這里的“立扇”指的是漢代立扇式風(fēng)扇車(chē)([1]，530—531頁(yè))。他們均認(rèn)為原文中的“立扇”是就飏扇葉輪主軸的立式和臥式而言。但此解釋從機(jī)械結(jié)構(gòu)上講不通，因?yàn)樵谡劻擞辛⑸?、臥扇兩種形式之后，王禎接著說(shuō)：“各帶掉軸，或手轉(zhuǎn)、足躡，扇即隨轉(zhuǎn)?！边@里的“各帶”顯然是指立扇、臥扇而言，而漢代出土的畫(huà)像磚(石)上的立軸式門(mén)形飏扇圖像以及手持門(mén)形飏扇陶俑[6](見(jiàn)封三圖1)，從未發(fā)現(xiàn)有掉軸(曲柄)結(jié)構(gòu)，更別說(shuō)“足躡”了。此外，王禎前面既然說(shuō)了“列穿四扇或六扇”，后面若又指漢代那種兩片扇葉的門(mén)形風(fēng)扇車(chē)的話，豈不矛盾？可見(jiàn)，這里“立扇、臥扇”的合理解釋是指飏扇分為“立式”與“臥式”兩種，立式應(yīng)指現(xiàn)存虎頭式風(fēng)扇車(chē)(見(jiàn)后文圖7)的早期形態(tài)，臥式則是指插圖所繪的風(fēng)扇車(chē)(見(jiàn)后文圖3、圖4，后演變?yōu)閮?、三個(gè)出糧口的風(fēng)扇車(chē))。這里的“立”不是指風(fēng)扇輪軸的“立”，而是出風(fēng)口位置高，使得虎頭風(fēng)扇車(chē)形態(tài)看上起像“立”起來(lái)。而無(wú)論是虎頭風(fēng)扇車(chē)還是常見(jiàn)多出糧口風(fēng)扇車(chē)，均可以手搖或者足踏操作，下面就分析其轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

學(xué)界對(duì)手搖驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇車(chē)沒(méi)有疑義，而對(duì)腳踏風(fēng)扇車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式存在分歧。幾乎在王柴文發(fā)表的同時(shí)，筆者在《中國(guó)農(nóng)史》發(fā)表了《王禎〈農(nóng)書(shū)〉中的“飏扇”新解》[7]*2011年10月9日，中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所曾雄生研究員給筆者發(fā)來(lái)郵件，探討關(guān)于王星光、柴國(guó)生提到的腳踏風(fēng)扇車(chē)的運(yùn)轉(zhuǎn)問(wèn)題。當(dāng)時(shí)筆者在《中國(guó)農(nóng)史》的論文已經(jīng)刊發(fā)，王、柴的論文已經(jīng)被《中國(guó)科技史雜志》接受，但未發(fā)表。從投稿時(shí)間看，王、柴是2011年4月11日，筆者是同年4月28日。但在與曾聯(lián)絡(luò)之前，我們并不知道對(duì)方的工作。10月9—16日，曾雄生、王星光、柴國(guó)生與筆者通過(guò)郵件討論了腳踏風(fēng)扇車(chē)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)問(wèn)題，但未取得一致意見(jiàn)。討論內(nèi)容后來(lái)公布在曾雄生主辦的“中國(guó)農(nóng)業(yè)歷史與文化”網(wǎng)站，見(jiàn)http://agri-history.net/tools/20120229.htm。。該文就王禎《農(nóng)書(shū)》中“飏扇”的畫(huà)法提出了同王、柴一致的看法，認(rèn)為描繪的是一種開(kāi)放式風(fēng)扇車(chē)。元代風(fēng)扇車(chē)上還未出現(xiàn)圓筒狀鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)目前最早的證據(jù)出現(xiàn)在15世紀(jì)晚期杜堇繪的一幅畫(huà)中。分歧之處在于，筆者認(rèn)為《農(nóng)書(shū)》中腳踏風(fēng)扇車(chē)采用的是曲柄連桿機(jī)構(gòu)，而王、柴認(rèn)為采用的是一種利用慣性原理往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)制(圖2)。

圖2 王、柴復(fù)原的腳踏風(fēng)扇車(chē)(摹繪圖①)

足踏式風(fēng)扇車(chē)使用時(shí)，需要先將固定于掉軸端的合適長(zhǎng)度的拉繩均勻纏繞于掉軸上，之后將拉繩另一端選擇恰當(dāng)?shù)奈恢霉潭ㄓ诘孛?，要使得未被纏繞于掉軸上的拉繩能夠被拉直，處于伸展?fàn)顟B(tài)；然后，用腳向下用力踩踏拉繩，即可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生風(fēng)流工作。由于慣性的作用，拉繩被完全放開(kāi)后，會(huì)被反向自動(dòng)纏繞到掉軸上，待拉直后，操作者再次踩踏拉繩，葉輪即反向轉(zhuǎn)動(dòng)，如此葉輪即可轉(zhuǎn)動(dòng)不停，生風(fēng)進(jìn)行清選作業(yè)。兩側(cè)的導(dǎo)風(fēng)板，則是匯聚風(fēng)流到儲(chǔ)料斗處，保證足夠的風(fēng)力。這種依據(jù)慣性原理，通過(guò)柔性拉繩驅(qū)動(dòng)機(jī)具工作軸雙向旋轉(zhuǎn)做功的驅(qū)動(dòng)方式，在傳統(tǒng)木工鉆孔工具——壓鉆上也得到了很好的利用，即使是今天這種壓鉆仍有廣泛的應(yīng)用，這很好地說(shuō)明了該種驅(qū)動(dòng)方式所具有的科學(xué)性和可行性，同時(shí)也反映了古代勞動(dòng)人民所具有的高超技藝和聰明才智。([1]，536—537頁(yè))*筆者摹繪，對(duì)虛線圓內(nèi)機(jī)構(gòu)精確摹繪，其余結(jié)構(gòu)據(jù)王柴文示意摹繪。

下面從《農(nóng)書(shū)·飏扇》的插圖及機(jī)械傳統(tǒng)兩個(gè)角度分析王柴文復(fù)原的不合理之處。

1.1 對(duì)《農(nóng)書(shū)·飏扇》的插圖分析

元代王禎《農(nóng)書(shū)》版本流傳系統(tǒng)分為明刻本與四庫(kù)本，現(xiàn)把最早的明嘉靖九年(1530)刻本與四庫(kù)文淵閣本的插圖對(duì)比如下(見(jiàn)圖3、圖4)。這兩幅圖中，四庫(kù)本的插圖很清楚，是一曲柄連桿機(jī)構(gòu)，伸出的偏心曲柄上套有腳踏繩環(huán)，右側(cè)的操作者通過(guò)腳踏繩索，使葉輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而生風(fēng)。問(wèn)題出現(xiàn)在明刻本的插圖上，該插圖把繩索繞過(guò)曲柄后與葉輪中心軸外端連接起來(lái)，顯然是繪錯(cuò)了，因?yàn)槿绻赐?、柴所言是拉繩的話，依此插圖，拉繩如何與葉輪軸連接呢？又如何與垂直的縱向短桿連接呢？如果“拉繩”是木質(zhì)材料，又如何實(shí)現(xiàn)圖示中的扭曲效果，并且還要纏繞到曲柄上？再退一步，假設(shè)當(dāng)時(shí)真有一種特殊的材料可以做成這種拉繩，按照王、柴提出的驅(qū)動(dòng)方式，曲柄機(jī)構(gòu)便是多余的，因?yàn)榘牙K索一端先固定在葉輪軸外端然后纏繞一樣可以實(shí)現(xiàn)這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)。此外，王、柴也意識(shí)到這種驅(qū)動(dòng)方式“無(wú)法根據(jù)實(shí)際需要產(chǎn)生恒定的風(fēng)流”，而且操作上需要較高的技巧：“如果操作者掌握不好拉繩的踩、放時(shí)機(jī)，在拉繩拉直后沒(méi)有及時(shí)踩踏，或者踩踏完成后沒(méi)有及時(shí)抬腳松放拉繩，抑或在拉繩拉直前即進(jìn)行踩踏，都會(huì)嚴(yán)重影響葉輪旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，甚至造成葉輪停轉(zhuǎn)，從而對(duì)清選作業(yè)造成影響?！?[1]，537頁(yè))如此復(fù)雜的操作，王禎在其《農(nóng)書(shū)》中對(duì)技術(shù)細(xì)節(jié)竟然以“或手轉(zhuǎn)、足躡，扇即隨轉(zhuǎn)”一筆帶過(guò)，有些不可思議，因?yàn)橥醯潓?duì)較復(fù)雜農(nóng)器的技術(shù)細(xì)節(jié)通常描述得比較詳細(xì)，如《農(nóng)書(shū)》中的油榨、翻車(chē)、水磨等。

圖3 明嘉靖本《農(nóng)書(shū)》“飏扇”[8]

圖4 四庫(kù)文淵閣本《農(nóng)書(shū)》“飏扇”[9]

1.2 從機(jī)械傳統(tǒng)的角度分析

圖5 明嘉靖本《農(nóng)書(shū)》“冷盆”([8]，655頁(yè))

這里的機(jī)械傳統(tǒng)，是指某項(xiàng)機(jī)械技術(shù)產(chǎn)生的歷史淵源，同時(shí)期社會(huì)上類(lèi)似機(jī)械采用的機(jī)構(gòu)以及傳承到后世的相關(guān)情況。

腳踏風(fēng)扇車(chē)在元代之前沒(méi)有記載，但當(dāng)時(shí)社會(huì)上類(lèi)似機(jī)構(gòu)已經(jīng)比較普遍，在王禎《農(nóng)書(shū)》中除了腳踏風(fēng)扇車(chē)外還有4幅通過(guò)腳踏機(jī)構(gòu)產(chǎn)生水平軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的插圖，它們是南繅車(chē)、北繅車(chē)、熱釜、冷盆(圖5)。它們均是繅絲的絲車(chē)，對(duì)比腳踏風(fēng)扇車(chē)而言，不過(guò)是把葉輪換作了絲軖，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)一例外用的是曲柄連桿機(jī)構(gòu)。這種腳踏曲柄連桿機(jī)構(gòu)使軖輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械可以追溯到南宋樓璹《耕織圖》，現(xiàn)存最早的南宋吳皇后本《蠶織圖》(前者“織”部分)“生絲”便有腳踏繅車(chē)的圖形，只是圖的細(xì)節(jié)看不清楚。元代程棨摹繪的《耕織圖·繅絲》[10](封三圖6)清晰地描繪了曲柄連桿機(jī)構(gòu)，可見(jiàn)在元代這種由腳踏裝置通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)常見(jiàn)。王柴文放棄這種常見(jiàn)、便捷的機(jī)構(gòu)不用，而采用文獻(xiàn)并未記載、操作又不便利的往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種特殊的設(shè)計(jì)必須拿出足夠的證據(jù)才具有說(shuō)服力。至于他們提到的壓鉆，固然用到了慣性原理，但兩者操作形式不可同語(yǔ)，何況迄今還沒(méi)發(fā)現(xiàn)中國(guó)在元代或之前有使用壓鉆的證據(jù)。

另一關(guān)鍵證據(jù)是，腳踏風(fēng)扇車(chē)竟然在近代史料中找到了記載，而且還繪有圖像。1920年，在山西督軍兼省長(zhǎng)閻錫山授意下，山西農(nóng)學(xué)編輯會(huì)編輯了一冊(cè)《山西農(nóng)學(xué)農(nóng)具圖說(shuō)》，在“第二編選種器·第一章扇車(chē)”記載了一種腳踏扇車(chē)。

腳踏扇車(chē)也是虎頭扇車(chē)一種，全體不甚大差。惟攪軸是木的，下拴踏板，用腳踏轉(zhuǎn)，所以叫他腳踏扇車(chē)。河?xùn)|一帶多使用他，他的構(gòu)造見(jiàn)第二十七圖……踏板用木料制成，共長(zhǎng)二尺八寸，使用時(shí)用腳踏住踏板，上下掀動(dòng)，風(fēng)輪就要旋轉(zhuǎn)，比手打省力。普通多用一個(gè)，也有用兩個(gè)的。[11]

圖7 《山西農(nóng)學(xué)農(nóng)具圖說(shuō)·腳踏扇車(chē)》([11]，20頁(yè))

這里說(shuō)的用兩個(gè)踏板的情況不是很清楚，但圖7所繪是常見(jiàn)的一塊踏板的情形，清楚得顯示了使用的是曲柄連桿機(jī)構(gòu)。

綜上，無(wú)論是從《農(nóng)書(shū)》插圖描繪的腳踏風(fēng)扇車(chē)，以及元代腳踏裝置曲柄連桿機(jī)構(gòu)的普遍情況，還有腳踏風(fēng)扇車(chē)傳承到近代的事實(shí)，其驅(qū)動(dòng)機(jī)制不會(huì)是繩索纏繞式的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而是常見(jiàn)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)。

2 《閘口盤(pán)車(chē)圖》“水擊面羅”的復(fù)原

“水擊面羅”一詞最早也出現(xiàn)于元代王禎《農(nóng)書(shū)》，其結(jié)構(gòu)與該書(shū)中“水排”基本相同(圖8)，王禎寫(xiě)道：

水擊面羅，隨水磨用之，其機(jī)與水排俱同。按圖視譜，當(dāng)自考索。羅因水力互擊樁柱，篩面甚速，倍于人力。又有就磨輪軸作機(jī)擊羅，亦為捷巧。([5]，613—614頁(yè))

圖8 劉仙洲重繪的水擊面羅[12]

這里王禎談到了兩種情形的水擊面羅，一種是獨(dú)立架設(shè)的，一種是“就磨輪軸作機(jī)擊羅”——水擊面羅與臥輪水磨交替共用一軸的情況。對(duì)《閘口盤(pán)車(chē)圖》[13](封三圖9)而言，水擊面羅是獨(dú)立的設(shè)置，因此鄭為和李文的復(fù)原均是第一種情形。

2.1 對(duì)鄭為復(fù)原圖的分析

圖10 鄭為復(fù)原的水擊面羅結(jié)構(gòu)圖([4]，25頁(yè)) 1.下輪 2.立軸 3.上輪 4.弦索 5.旋鼓 6.掉枝 7.行桄 8.鼓木 9.撞柱 10.面羅 11. 旋鼓和掉枝部分另一種結(jié)構(gòu)的可能

1966年鄭為復(fù)原《閘口盤(pán)車(chē)圖》的水擊面羅圖，主要結(jié)構(gòu)是繩帶傳動(dòng)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)，只是在致使面羅做(近似)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的原理是杠桿原理。這種機(jī)構(gòu)在運(yùn)行上是沒(méi)有問(wèn)題的，只是在細(xì)節(jié)上有待改進(jìn)(后詳述)。李文一、二均質(zhì)疑了鄭為的復(fù)原機(jī)構(gòu)，認(rèn)為其存在三個(gè)問(wèn)題([2]，199頁(yè)；[3]，205頁(yè))。這里有必要對(duì)李的質(zhì)疑做一番考察。

(1)將臥水輪的上轉(zhuǎn)軸同樁柱*王禎《農(nóng)書(shū)·水擊面羅》中的“樁柱”即鄭為復(fù)原圖中的“撞柱”。共用一軸，兩者的機(jī)械作用怎么體現(xiàn)？

從機(jī)械作用角度看，并無(wú)問(wèn)題。在鄭為的復(fù)原圖中，因?yàn)闃吨窃谒喌膸?dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，面羅與樁柱的碰撞是瞬間作用，對(duì)樁柱的摩擦及運(yùn)動(dòng)影響可以忽略不計(jì)。在《閘口盤(pán)車(chē)圖》中，從視覺(jué)效果上看，臥輪的立軸的確與上方的樁柱在一條直線上，這也是鄭為復(fù)原圖考慮的依據(jù)。

(2)在夾層，以弦索、旋鼓取代了偏心輪—偏心連桿機(jī)(構(gòu))組的位置，可是它們能將臥水輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改為直線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)嗎？

鄭為復(fù)原圖的機(jī)械結(jié)構(gòu)沒(méi)有問(wèn)題，只是在樓板下方采用了視點(diǎn)稍高的正投影，而樓板以上采用了軸測(cè)圖畫(huà)法，可能因此而產(chǎn)生了視覺(jué)誤導(dǎo)。旋鼓是在上層樓板方框內(nèi)鼓形木(鄭誤繪，應(yīng)為圓柱形)的正下方，通過(guò)旋鼓上方的偏心立柱及連桿機(jī)構(gòu)，就可以把臥輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槊媪_的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式是：

臥輪旋轉(zhuǎn)(立軸旋轉(zhuǎn)、上輪旋轉(zhuǎn))→繩帶傳動(dòng)→旋鼓旋轉(zhuǎn)→偏心連桿→杠桿機(jī)構(gòu)→面羅往復(fù)運(yùn)動(dòng)

需要說(shuō)明的是，在旋鼓上方偏心連桿(掉枝)的左端與杠桿下端的連接，鄭為處理得不夠好。若采用自由度較大的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)副，機(jī)構(gòu)運(yùn)行起來(lái)才順暢。

(3)鄭為說(shuō)，“當(dāng)羅框被鼓木拉往撞柱后，由于撞擊的作用，使羅框反向運(yùn)動(dòng)，于是構(gòu)成了羅框往復(fù)運(yùn)動(dòng)的可能性?！崩钗囊徽J(rèn)為這里“鼓木”大概是指機(jī)械杠桿最上面所安裝的一組帶鐵瓦的木輪軸及軸承，這一組雖與面羅相銜接，但不是推動(dòng)面羅進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力([2]，199頁(yè))。

此處李的質(zhì)疑有道理。面羅向左撞擊樁柱顯然是杠桿機(jī)構(gòu)使然，但面羅左側(cè)推拉框向右撞擊樁柱并非由之前的撞擊運(yùn)動(dòng)造成(盡管從理論上講會(huì)有一點(diǎn)反彈，但木質(zhì)材料這種反彈很小，不是主導(dǎo)因素)，仍然是由杠桿機(jī)構(gòu)直接作用于面羅推拉桿而實(shí)現(xiàn)的，這種情形的機(jī)械結(jié)構(gòu)下文再分析。

2.2 對(duì)李文復(fù)原圖的分析

首先指出李文在文獻(xiàn)引用上有兩處錯(cuò)誤。

圖11 李文復(fù)原的水擊面羅示意圖([2]，200頁(yè))

第一，在討論《閘口盤(pán)車(chē)圖》時(shí)，誤把李約瑟對(duì)元代另一幅《山溪水磨圖》的評(píng)論[14]當(dāng)作了對(duì)《閘口盤(pán)車(chē)圖》的評(píng)論，出現(xiàn)了張冠李戴。更奇怪的是，李文一、二均犯了同樣的錯(cuò)誤，以至于李文二仍大談《閘口盤(pán)車(chē)圖》的年代為何被判定為1300年，其實(shí)那是《山溪水磨圖》的創(chuàng)作年代?！堕l口盤(pán)車(chē)圖》現(xiàn)藏于上海博物館，而《山溪水磨圖》現(xiàn)藏于遼寧省博物館。

第二，不宜將《閘口盤(pán)車(chē)圖》認(rèn)定為南唐衛(wèi)賢的作品。李文沿襲了鄭為的說(shuō)法，認(rèn)為此畫(huà)乃南唐衛(wèi)賢所繪。但上海博物館在20世紀(jì)70年代對(duì)該畫(huà)重新裝裱時(shí)發(fā)現(xiàn)僅存一半的“衛(wèi)賢恭繪”的題款并非原款，而是后人所改添[15，16]。因此后來(lái)學(xué)界一般并不聲稱此畫(huà)為衛(wèi)賢所繪，而用“佚名”代之，但此畫(huà)的創(chuàng)作年代通常判斷為宋代。

李文的復(fù)原(圖11)是直接依靠輪軸上部的偏心機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成推桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，然后和鄭為復(fù)原的結(jié)構(gòu)一樣——利用杠桿原理驅(qū)動(dòng)面羅的左右運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式如下。

機(jī)房二樓樁柱的左側(cè)，有三組裝有鑲嵌鐵瓦木輪軸及軸承的機(jī)械杠桿穿過(guò)夾層的樓板口之下。樓板口處之鐵瓦木輪軸及軸承部分是機(jī)械杠桿的支點(diǎn)；最上面的鐵瓦木輪軸因與面羅相銜接，是機(jī)械杠桿的重點(diǎn)；機(jī)械杠桿的最下端部分，其鐵瓦木輪軸及軸承應(yīng)與偏心連桿的末端相銜接，是機(jī)械杠桿的力點(diǎn)。從圖中可以清楚地看出，力臂大于重臂。又因?yàn)榱?、支、重三點(diǎn)都裝有鐵瓦木輪軸，所以操縱力臂時(shí)，則顯得格外省力。還有，既然力點(diǎn)下端與偏心連桿的末端銜接，而偏心結(jié)構(gòu)的功能是專(zhuān)司向機(jī)械桿輸送推動(dòng)力量。由于機(jī)械杠桿在力點(diǎn)和重點(diǎn)輪番起伏方式的運(yùn)動(dòng)中，則可把偏心連桿送來(lái)的推動(dòng)力量傳遞到面羅，以達(dá)到推到指定位置篩選的目的，并通過(guò)間隔一次的(地)碰撞樁柱完成面粉篩選的動(dòng)作。([3]，200頁(yè))

當(dāng)機(jī)房一樓的臥水輪因來(lái)自木水槽中水流的沖擊而快速旋轉(zhuǎn)時(shí)，置于夾層的偏心輪—偏心連桿通過(guò)機(jī)械作用便使臥水輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變?yōu)橹本€的往復(fù)運(yùn)動(dòng)之后，而偏心連桿的末端就能推動(dòng)機(jī)械杠桿的下端向前方(引者注：左方)擺動(dòng)；而其上端因與面羅相銜接，便會(huì)自然地帶動(dòng)面羅向后方(引者注：右方)擺動(dòng)并使面羅順便完成篩選活動(dòng)。反之……([2]，202頁(yè))

李文在杠桿下端與偏心連桿左端連接的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遜于鄭為的設(shè)計(jì)，因?yàn)榧热黄倪B桿要推動(dòng)杠桿下端左右運(yùn)動(dòng)，那么夾層中的“鐵瓦軸承”便是多余的，按照鄭為那種設(shè)計(jì)完全可以做得到。而且按照李的解釋?zhuān)鞘芎币瞬?chē)溪民俗風(fēng)景區(qū)*車(chē)溪民俗風(fēng)景區(qū)位于宜昌點(diǎn)軍區(qū)土城鄉(xiāng)，20世紀(jì)末便以巴楚民俗為特色開(kāi)發(fā)為旅游景點(diǎn)。2002年推出“水車(chē)博物館”，李崇州見(jiàn)到的“水轉(zhuǎn)羅柜篩”就位于該館內(nèi)。筆者2009年7月為博士畢業(yè)論文搜集資料也考察過(guò)該水車(chē)博物館及同在景區(qū)內(nèi)的農(nóng)家博物館(后文“腳打羅”照片即拍攝于此)。該景區(qū)復(fù)原的牛轉(zhuǎn)翻車(chē)(臥輪在牛上方)及水轉(zhuǎn)高車(chē)的結(jié)構(gòu)及名稱與王禎《農(nóng)書(shū)》所載相同，筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)者可能見(jiàn)過(guò)王禎《農(nóng)書(shū)》或受其影響的《農(nóng)政全書(shū)》等，當(dāng)時(shí)也親自到他家探訪、詢問(wèn)，結(jié)果被婉拒，至今原因不明。應(yīng)當(dāng)注意的是，該水車(chē)博物館內(nèi)的部分機(jī)械，純粹是為了游客互動(dòng)設(shè)計(jì)的，比如“人轉(zhuǎn)水車(chē)(筒車(chē))”。因此對(duì)該館“水轉(zhuǎn)羅柜篩”的機(jī)械設(shè)計(jì)，不能不加考察地認(rèn)為是當(dāng)?shù)氐臋C(jī)械傳統(tǒng)。李文二部分文字討論元代之后水擊面羅在車(chē)溪地區(qū)的流傳，未免輕率。“水轉(zhuǎn)羅柜篩”啟發(fā)而想到這一結(jié)構(gòu)的，而按照他的復(fù)原，偏心連桿機(jī)構(gòu)是在夾層樓板上直線滑行，而鐵瓦木輪軸在向右行進(jìn)的過(guò)程中，其實(shí)軌跡是條弧線(圓心在上樓板軸承)，可是李的設(shè)計(jì)，垂直方向并無(wú)自由度，因此一定會(huì)發(fā)生滯卡。解決這一問(wèn)題，仍需要在杠桿下端與偏心連桿左端連接處使用自由度較大的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)副。

此外，李文二認(rèn)為王禎《農(nóng)書(shū)》的“羅因水力互擊樁柱”暴露了王禎對(duì)水擊面羅無(wú)知的“馬腳”，理由如下：

樁柱本是“水擊面羅”諸機(jī)件之中一根固定的木柱，在機(jī)械作用中是被動(dòng)的一方，全賴他方的碰撞才能產(chǎn)生橫擊波并傳遍面羅全身而促使面羅中過(guò)多的堆積物迅速蠕動(dòng)及細(xì)面粉乘機(jī)由羅孔中篩下。既然如此，那“互擊”一詞，豈不荒謬!([3]，204頁(yè))

李顯然沒(méi)有理解《農(nóng)書(shū)》中此句的原意，原句中的“互擊”是指羅從左右兩個(gè)方向撞擊樁柱。對(duì)水擊面羅而言，羅不僅包括方形框架本身，還有一側(cè)伸出來(lái)的推拉木框。鄭為和李文都繪出了這一機(jī)構(gòu)，可惜李并不認(rèn)為此推拉木框也可以撞擊樁柱，導(dǎo)致了常識(shí)性錯(cuò)誤。1964年李約瑟(Joseph Needham)在山西拍攝到的水擊面羅(圖12)就是對(duì)樁柱左右(照片位置上是前后向)互擊的。其實(shí)，不僅是水擊面羅，歷史上的腳打羅也是雙向互擊，比如明末《天工開(kāi)物》中的面羅(圖13)，可以清楚地看到在面羅伸出面柜的推拉框中有兩個(gè)撞擊木柱，位于撞機(jī)(樁柱)左右兩側(cè)。同在車(chē)溪民俗風(fēng)景區(qū)，也有傳統(tǒng)的腳打羅，當(dāng)?shù)亟辛_柜篩(圖14)，與《天工開(kāi)物》中的面羅一樣，也是左右互擊的。

圖12 李約瑟拍攝的水擊面羅[17]1.臥輪立軸 2.偏心立柱 3偏心連桿 4.攀耳 5.臥軸 6.攀耳 7.樁柱 8.面羅推拉桿 9.面羅推拉桿末端圓柱木

圖13 《天工開(kāi)物·面羅》[18]

圖14 宜昌車(chē)溪腳打羅(局部)

*筆者2009年7月23日拍攝于宜昌車(chē)溪民俗風(fēng)景區(qū)。

2.3 遵循機(jī)械傳統(tǒng)的改進(jìn)復(fù)原

前文分析腳踏風(fēng)扇車(chē)時(shí)提到從“機(jī)械傳統(tǒng)”角度的審視，下面考察歷史上水擊面羅及其相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用情況，以及沿承到近代的相關(guān)情況，從而復(fù)原《閘口盤(pán)車(chē)圖》水擊面羅的可能結(jié)構(gòu)。

目前年代最接近《閘口盤(pán)車(chē)圖》創(chuàng)作年代的水擊面羅圖像是王禎《農(nóng)書(shū)·水擊面羅》插圖，如果前者創(chuàng)作于北宋初年的話，兩者相距有300多年，這也是現(xiàn)存古代水擊面羅的唯一圖像。近代形式的，除了宜昌車(chē)溪民俗風(fēng)景區(qū)的水擊面羅，前述李約瑟在山西拍攝的一張照片外，還有1917—1919年間美國(guó)甘博(Sidney Gamble)在四川威州拍攝到的一張可能為水擊面羅*Sidney D. Gamble. Mill Rocker Wheel [EB/OL]. [2015-12-26]。見(jiàn)http: //library. duke. edu/digitalcollections/gamble_52A-282/。圖中數(shù)字分別表示：1.臥輪立軸；2.偏心立柱；3.偏心連桿；4.攀耳；5.臥軸。(封三圖15)的圖像，他對(duì)照片題記寫(xiě)作“mill rocker wheel”，直譯是“磨的搖桿輪”或者“磨的偏心輪”。這有兩種可能，第一種正如甘博的題記一樣，它的確是用來(lái)驅(qū)動(dòng)磨的，但由于磨要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此在木房?jī)?nèi)部，臥軸上必定有另一只攀耳把臥軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)致使磨盤(pán)旋轉(zhuǎn)；另一種可能便是木房?jī)?nèi)部便是面羅，它并不需要曲柄連桿機(jī)構(gòu)，而像李約瑟拍攝的那張類(lèi)似，直接由攀耳把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為面羅的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。從臥軸孔外附著的粉狀物推斷，更像是一部水擊面羅，方形木屋便是羅柜。遺憾的是，面柜內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)無(wú)法看到。不過(guò)，對(duì)比圖12與圖15的機(jī)構(gòu)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的結(jié)構(gòu)非常類(lèi)似，只不過(guò)圖15羅柜內(nèi)部的攀耳應(yīng)該在臥軸的上側(cè)(與攀耳4平行)。

從上面的分析可知，除了車(chē)溪民俗風(fēng)景區(qū)的水擊面羅外，《農(nóng)書(shū)·水擊面羅》插圖和兩幅老照片均有“攀耳—臥軸”這一機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且歷史上其可以追溯到更早。早在五代南唐趙幹的《江行初雪圖》的捕魚(yú)情景[19](封三圖16)中就有呈現(xiàn)。在江面漁船上，三人布罾捕魚(yú)，其中一人正在船頭罾中撈魚(yú)，罾被船頭臥軸上左右兩根竹竿懸吊起來(lái)，兩兒童坐在船尾利用絞車(chē)牽罾。牽罾的原理是，一方面利用船頭臥軸中間的竹竿末端為杠桿支點(diǎn)，向后方牽伸；一方面通過(guò)繩索向下拉中間竹竿的同時(shí)旋轉(zhuǎn)臥軸，從而使另兩根竹竿逐漸立起來(lái)，同時(shí)把罾提上來(lái)。這里布罾、拉罾的臥軸、三根竹竿，就相當(dāng)于水擊面羅中的臥軸和攀耳?？梢?jiàn)，攀耳、臥軸機(jī)構(gòu)的使用歷史至少不晚于《江行初雪圖》。

需要注意的是，兩幅老照片中的水擊面羅、水輪立軸與樁柱不在一條直線上，它們都利用了兩只攀耳，如果立軸、攀耳、樁柱在一個(gè)平面的話，此時(shí)兩攀耳可以合二為一，自然演變?yōu)楦軛U式機(jī)構(gòu)。這便形成了鄭為與李文兩種復(fù)原方案。

一種是水輪立軸與樁柱一體的情況，這是鄭為復(fù)原的出發(fā)點(diǎn)，把立軸的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為偏心立柱的圓周運(yùn)動(dòng)，他借助了繩帶傳動(dòng)方式。繩帶傳動(dòng)在古代常見(jiàn)于手搖紡車(chē)，至晚于五代時(shí)期，我國(guó)手搖紡車(chē)中出現(xiàn)了這種傳動(dòng)形式[20]，而且在《農(nóng)書(shū)》中明確使用了這一方式，因此鄭為的復(fù)原在機(jī)械傳統(tǒng)上有歷史依據(jù)，另繪其機(jī)械結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖17。其中偏心連桿與下攀耳的連接方式改進(jìn)為圖18，上攀耳與面羅推拉桿的連接方式改進(jìn)為圖19——這樣上攀耳在帶動(dòng)柱形木右擊樁柱時(shí)，面羅也一起帶動(dòng)產(chǎn)生撞擊，否則在圖10中不易理解其右擊機(jī)制。

圖17 鄭為的復(fù)原圖(結(jié)構(gòu)示意圖)

圖18 旋鼓、偏心連桿、下攀耳連接圖(正視、俯視)

圖19 上攀耳、柱形木、面羅推拉桿的連接圖

另一種情況，是水輪立軸與樁柱各自獨(dú)立的情況，這是李文復(fù)原的出發(fā)點(diǎn)。前文已經(jīng)說(shuō)明立軸與樁柱一體時(shí)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上并無(wú)妨礙，不過(guò)從《閘口盤(pán)車(chē)圖》大小兩水輪及樓上水磨立軸、臥軸中心及樁柱底部位置判斷，有跡象顯示小水輪的立軸與樁柱各自獨(dú)立。從兩水輪輪轂中心的相對(duì)位置判斷，以圖9兩條基線b、c參考，可判斷小水輪的位置明顯靠前，但是在樓板平面上，水磨立軸與樓板交匯處、臥軸攀耳底端中心、樁柱下端幾乎在一條直線a上，這說(shuō)明樁柱的位置相對(duì)于水輪立軸的位置靠后，因此水擊面羅的臥軸、攀耳機(jī)構(gòu)可能采用了雙攀耳機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖20。上攀耳與面羅推拉桿連接，下攀耳與偏心連桿連接，其細(xì)節(jié)改進(jìn)設(shè)計(jì)同圖18、19。

圖20 改進(jìn)李文的復(fù)原圖(結(jié)構(gòu)示意圖)

3 余論

古代機(jī)械的復(fù)原研究是技術(shù)史研究的一項(xiàng)重要工作，對(duì)探究古代機(jī)械技術(shù)的應(yīng)用、演變以及文博場(chǎng)館的展覽具有重要意義。早在20世紀(jì)30年代，王振鐸就對(duì)漢代張衡地動(dòng)儀的運(yùn)作機(jī)制做過(guò)探索；此后，他復(fù)原了多件我國(guó)古代機(jī)械，比如漢代冶鐵鼓風(fēng)機(jī)、宋代水運(yùn)儀象臺(tái)、宋代燕肅指南車(chē)等[21]。1982年，陸敬嚴(yán)在同濟(jì)大學(xué)成立了中國(guó)古代機(jī)械制作室，從事古代機(jī)械的復(fù)原研究[22]，代表性的復(fù)原機(jī)械有我國(guó)古代多用水輪[23]、古代懸棺的升置技術(shù)等[24]。2004—2006年，中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史所、臺(tái)灣南臺(tái)科技大學(xué)等單位幾位學(xué)者利用田野調(diào)查的方法，成功復(fù)原了傳統(tǒng)立軸式大風(fēng)車(chē)[25]。2006年，臺(tái)灣林聰益、顏鴻森提出了對(duì)古代機(jī)械復(fù)原的研究程序[26]?？偨Y(jié)他們的研究經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本文的兩個(gè)案例，提出在古代機(jī)械復(fù)原中應(yīng)該注意的兩個(gè)問(wèn)題。

首先，重視原始文獻(xiàn)。復(fù)原古代機(jī)械的出發(fā)點(diǎn)或動(dòng)機(jī)往往是根據(jù)古代文獻(xiàn)的記載，重視并仔細(xì)研讀原始文獻(xiàn)，這是復(fù)原工作的第一步。有時(shí)古代文獻(xiàn)的記載還有插圖，此時(shí)尤要注意插圖版本的差異，并需特別留意早期版本的插圖。李崇州應(yīng)該沒(méi)有見(jiàn)過(guò)王禎《農(nóng)書(shū)》版本流傳系統(tǒng)中最早的明本和四庫(kù)本，否則不會(huì)用《農(nóng)書(shū)》萬(wàn)有文庫(kù)本的插圖*萬(wàn)有文庫(kù)本《農(nóng)書(shū)》插圖直接來(lái)源是武英殿聚珍本，屬于四庫(kù)本系統(tǒng)，但與四庫(kù)本的插圖差異較大。而李約瑟在《中國(guó)科學(xué)技術(shù)史機(jī)械工程分冊(cè)》“水打羅(水擊面羅)”中采用的是清《授時(shí)通考》的插圖，其來(lái)源是明本《農(nóng)書(shū)》。因此李崇州的指責(zé)不當(dāng)。說(shuō)李約瑟使用了水擊面羅的錯(cuò)誤圖像。

其次，遵循機(jī)械傳統(tǒng)。古代機(jī)械的產(chǎn)生、流傳，社會(huì)因素是一方面，但就機(jī)械傳動(dòng)方式而言，又有其技術(shù)基礎(chǔ)。在復(fù)原中若采用特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，必須拿出特殊的證據(jù)，否則不具有說(shuō)服力。此外，遵循機(jī)械傳統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)留意古代機(jī)械的流傳情況，如果在近代文獻(xiàn)、圖像資料或者田野調(diào)查中發(fā)現(xiàn)實(shí)物記載或應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為其與古代有密切的關(guān)系，除非有過(guò)硬的否定證據(jù)。就前述元代腳踏風(fēng)扇車(chē)而言，正是宋元間已經(jīng)普遍使用的腳踏裝置通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪軖旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，才產(chǎn)生了利用此種方式驅(qū)動(dòng)的腳踏風(fēng)扇車(chē)；而且這種機(jī)械在近代仍有應(yīng)用，那么采用另一種不合常理的復(fù)原方式就不具說(shuō)服力。

總之，只有在對(duì)原始文獻(xiàn)充分解讀、分析的基礎(chǔ)上，遵循機(jī)械傳統(tǒng)，才能復(fù)原出符合或者盡可能接近歷史真相的古代機(jī)械。

致 謝 對(duì)曾雄生研究員、王星光教授、柴國(guó)生博士就腳踏風(fēng)扇車(chē)初期的討論表示感謝。

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25 孫烈, 張柏春等. 傳統(tǒng)立軸式大風(fēng)車(chē)及其龍骨水車(chē)之調(diào)查與復(fù)原[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2008,(3): 5—13.

26 林聰益, 顏鴻森. 古機(jī)械復(fù)原研究的方法與程序[J]. 廣西民族學(xué)院學(xué)報(bào), 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

史曉雷，男，1979年生，河北涉縣人，博士，中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所副研究員，研究方向?yàn)榧夹g(shù)史。

國(guó)家社科基金青年項(xiàng)目“宋金元時(shí)期農(nóng)具的考證研究”(編號(hào)：14CZS016)。

N092

A

1673- 1441(2017)02- 0214- 14