大众机械技术史——古代篇·轮轴
摘录自：《大众机械技术史》“古代篇认识机械技术-第一章简单机械-轮轴”
轮轴实际上是一种能够连续旋转的杠杆。我们从常见（过去很常见，现在也只能在一些农家乐或者影视剧中见到了）的轮轴——井上的辘轳开始谈起。提到井上辘轳，不禁想起上世纪90年代一部很火的电视剧《辘轳·女人和井》。这是一部描述东北农民生活题材的电视剧，其主题歌叫《命运不是辘轳》，原唱者是当时的大歌星韦唯（1963-），有两句歌词是这样写的：
女人不是水呀，男人不是缸，命运不是那辘轳把那井绳缠在自己身上……
女人不是泥呀，男人不是筐，命运不是那辘轳要挣断那井绳，牛铃摇春光。
这里形象地用辘轳做比喻，比喻那种摆脱不了旧有命运、不与所谓命运抗争的那种生活状态。如果你有辘轳提水的经验，一定会觉得歌词写得太贴切了。
图1-4-1辘轳
图1-4-1是一具仍在使用的井上辘轳，它由支架、辘轳轮（含中心轴）、手摇柄和绳索、水桶组成。图1-4-2是该器具简化的右视图，使用中的受力关系分析如下。设水桶的重量为G，辘轳轮的半径为H，手摇柄用力为F，力点到中心轴的距离为L。据杠杆原理：FL=GH，因此F=GH/L，可见若L为H的两倍，那么提升水桶所用力就为水桶重量的一半。可见，辘轳是一种省力的机械。但是L又不能大于H太多，因为既省力又省距离的机械是没有的，L太大，人操作时就很不方便，看来大自然真不会“让我们多占一点便宜”。
图1-4-2
关于井上辘轳中的手摇柄，就是一曲柄机构，钩沉它在世界机械技术发展史上的源头以及作用，下一章会专门介绍，因为它可以延伸出大量较为复杂的机械结构。这里我们只梳理下它在我国的起源与发展。
辘轳这个词用起来还真得小心，因为在我国古代“辘轳”不但有多种写法，如鹿卢、樚栌、椟栌等，还有几个含义，有时可以指井上定滑轮那种装置，还可以指刚才谈到的省力辘轳，还可能指绞车（随后我们马上谈到它），或者指一种辘轳剑等等。在历史资料中，有时单凭“辘轳”这个词，真的很难辨别作者到底指的是那种器物。下面讲一个故事，就与辘轳的这种复杂性有关。
南朝刘义庆（403-444）在《世说新语》记载，东晋时期权臣桓玄（369-404）、大臣殷仲堪（不详-399）和大画家顾恺之（约344-约405）三人一起做游戏，规则是说一句话，看谁说的情况最危险。桓玄先说了一句：矛头淅米剑头炊。意思是说在在矛头那么一点的地方淘米，在剑头那么一点的地方做饭，这够危险的吧。殷仲堪略加思索，吟了一句：百岁老翁攀枯枝。这可够惊险的，你要知道古时候“人生七十古来稀”，那时人的平均寿命低，能活到七十岁就很少了，活到一百岁简直逆天了，估计得要到了气若游丝的地步，而且他竟然还要攀枯枝，这实在是太危险了。殷仲堪一句话，让桓玄心服口服，轮到顾恺之了，只见他眉头微微一展，脱口而出：井上辘轳卧婴儿。这个更可怕，这里姑且不论是什么样的辘轳，反正井上的辘轳是会轱辘轱辘转的，竟然再攀爬一个婴儿，这不是悬崖上翻跟头——找死吗？就在顾恺之刚说罢，他身边的一位军事参谋突然说了一种更叫绝的惊险场景：盲人骑瞎马，夜半临深池。话刚落下，语惊四座。于是，这位军事参谋获胜。
好了，我们要接着上面说“辘轳”的事情了。顾恺之提到的“井上辘轳”究竟是定滑轮滑车呢，还是手摇柄那种辘轳呢？单从文字上，我们真的不知道。那么我国到底什么时候普遍使用那种省力的手摇辘轳呢？这里笔者可要“炫耀”一下了，因为这里历史谜团可是我解决的（按：事实如此，见笔者和张柏春研究员在《农业考古》发表的“我国单曲柄辘轳普遍应用的年代考”）。
在北京读博士的时候，在导师的帮助下，笔者考证了我国这种手摇辘轳的起源，结果发现我国在北宋时期，具体说是1100年前后，这种辘轳已经普遍使用。
具体的证据不但有在山西考古出土的墓葬壁画以及墓葬砖雕中辘轳的形象，而且在大名鼎鼎的《清明上河图》（局部，图1-4-3）里竟然也发现了手摇辘轳，尽管画得非常模糊，但可以肯定不是别的东西。
发现有辘轳的这块地方属于北宋都城汴梁（今开封）市郊的菜园旁，画面上有一口井，井口置有一架手摇辘轳，其中曲柄能清楚地看到。井架的前方，能看到纵向的一条沟渠，它是浇灌用的干渠。在井架旁，有一准备汲水或者即将要离开的人，在画面的左上角有一位正挑水远去的人。结合绘画者张择端（约1085-约1145）的绘画时间以及其他考古资料，得出这种辘轳已经出现900多年了。
图1-4-3《清明上河图》中的手摇辘轳
到了元代，王祯《农书》收录了“辘轳”条，其描绘的辘轳与现在仍可见到的辘轳没什么不同。此外，他还提到一种“双辘轳”，说它“所悬之器，虚者下，盈者上，更相上下，次第不辍，见功甚速。”你可能还不很清楚它的结构，因为王祯也没有绘出它的图像，不过这种“双辘轳”一直在民间使用着，只是不一定必须用于提水。到了1920年代，一位对中国生产工具抱有浓厚兴趣的美国人霍梅尔（Rudolf P. Hoommel，1887-1950）来我国进行考察时，在江西曾发现了两处这样的辘轳，一处是在矿井中，用于提升煤；一处是在挖井的地面上，用于提升井洞中的泥土（图1-4-4）。霍梅尔的原文描写得很详细，这里照录如下：
两个X形木支架插入地里，在支架上面放一个粗圆木轴，用它来当辘轳。木轴的两端都有榫眼，在榫眼里牢固地插入天然形的曲柄，利用割下来的弯曲树枝做成。在两支架间的木轴上，用三个竹片做的三角框架分成了两部分，在实际使用中，一根绳子在限定的一个区间内缠绕起来，而另一个分隔区的另一根绳子则向下伸到井底。每根绳子末端都栓有一只木桶，当向上缠绕的绳子末端的木桶到达地面靠近支架时，向下松开的绳子末端则到达井底。井下的木桶装满挖出的泥土，工人转动辘轳提升，缠绕在木轴上的另一根绳子松开，使空桶降到井下；而此时装满泥土的木桶随绳子在木轴上的缠绕提升到地面。把井口装满泥土的桶倒空，在井底的那只桶装满，之后辘轳再反向运动，使空桶下降，满桶提升。两根不同的绳子围绕木轴缠绕的方向相反，故当一根绳子在木轴上缠绕时，另一根绳子则从上面松开。
图1-4-4江西的双辘轳
尽管霍梅尔的话略有繁琐，但对于绝大多数没有见过这种机械的读者而言，如此详实的描述并非多余。
这种辘轳在使用中有两个优点，首先是省去了空桶下放的时间，提高了效率；其次是空桶一端也能平衡一点另一根绳子上满桶的重量。
接下来，我们转向绞车，它可以说是上面谈过的井上辘轳的孪生兄弟，在机械原理上完全一样，只是在结构上略有不同。我们先看下北宋《武经总要》中的绞车（图1-4-5）。《武经总要》是我国古代最早的官修兵书，成书于1040年。书中说，“绞车，合大木为床，前建二叉手，柱上为绞车，下施四卑轮，皆极壮大，力可挽二千斤。”可见，绞车的基本结构就是图中上半部分，无非是把井上辘轳的曲柄改作了直柄，然后在支架内侧两周榫眼中安装几根罢了。我国最早的绞车实物（残件）发掘于江西铜绿山一座战国晚期的矿井遗址，它也是世界上最早的绞车实物。
图1-4-5《武经总要》绞车
铜绿山矿井遗址出土的绞车残件为绞车木轴，轴上凿有两排榫眼，排列方式类似《武经总要》中的绞车。
我国首次记载绞车是在《晋书·石季龙载记》。“载记”是古代史书记载的题材之一，与本纪（帝王传记）、列传（名臣传记）等不同的是，它专门记载少数民族统治者的传记。这位石季龙（295-349）是十六国时期后赵的第三位皇帝，后赵是北方少数民族羯族建立的政权。季龙是他的字，名叫石虎，其“载记”说他在位期间（335-349年），曾经盗了春秋时期著名军事家赵简子（不详-约前475）的墓，是位不折不扣的盗墓分子。那么他身为后赵的皇帝，为何干这种缺德的事呢？别忘了，那是什么年代，十六国时期，弱肉强食、战乱频仍，打仗靠什么？得靠钱往里砸，钱怎么来，除了向活人横征暴敛外，就要向死人要了，所以他不断盗墓，挖掘些珠宝什么的，以补充军饷。正是在盗赵简子墓时，《晋书》记载了盗墓的器具之一绞车，书上是这么写的，这里直接用白话文：
邯郸城西石子岗上有赵简子墓，石虎命令打开墓穴。开始的时候挖到一丈多深的木炭，之后挖到了一尺厚的木板，最终堆积起来有八尺厚，然后发掘到了清冷的泉水，阻止了进一步挖掘。这时，石虎命令架绞车用牛皮囊汲水。这样干了一个多月，泉水依然涌溢，最后石虎不得不取消了计划。
专家推测，石虎当年所用的绞车应该就是铜绿山出土的那种省力轮轴。
※思考题：为什么墓穴中会挖到木炭？——答案见本节末尾。
我们再来看下西方绞车的运用。维特鲁威（Vitruvius，约前70-约前15年）是古罗马时期一位杰出的建筑师，生活年代大致相当于我国西汉后期。他系统总结了古希腊和罗马早期的建筑经验，完成了《建筑十书》。所谓“十书”也即十个部分，在第十部分他专门论述了当时的建筑机械，其中多种机械就用到了绞车。图1-4-6是根据他的描述复原的一台起重机，这架起重机的支架有∧形木构成，后端拉有两根稳固绳，∧形木垂下一根绳子，系有五个滑轮组成的滑轮组，滑轮组上端的拉绳缠绕在绞车横轴上。当时这种绞车可以提起约600千克的重量。类似这种起重的绞车，我国也有应用，不过不是用在建筑方面，而是用于捕鱼，这种捕鱼工具叫“罾”（音曾，平声）。
图1-4-6《建筑十书》一种起重机
罾，是我国传统的一种捕鱼网具，目前有些渔民还在使用（图1-4-7）。它基本的结构是用四根竹竿或木棍按照图上那种形式把方形的渔网撑开。罾小的话，只需要另一根长竹竿插到水边的泥土中，然后用一根绳子一端通过长竹竿的顶端连接到渔网上部四根竹竿的结合处，一端拿在渔民手中。然后松开绳子，把渔网沉入到水中，等待鱼进入网中。牵罾的话，只要把绳子拉起来，就知道有没有收获。这种小罾利用的其实是杠杆原理。但是如果是大罾，有时捕的鱼可能会很多，牵起来就费力，这时就用到绞车了。因为比较费力，一般说是扳罾。五代十国时南唐画师赵幹（生卒年不详）有一幅《江行初雪图》就绘有一具用绞车的大罾（图1-4-8）。画中呈现的是三人合作在捕鱼，罾已经被扳起，前面一人正用一个前端带有网兜的竹竿在捞大网中的鱼。后面两个孩童正坐在那里扳着绞车。大罾的支架结构与小罾也不同，在船头能看到安装着一根可以活动的横轴，轴上插有三根竹竿，两根斜向右上，上端拢在一起，作提升罾的支架，另一根斜向左上的竹竿作提绳的支撑。可见，在这件大罾中，用到了两次轮轴原理。
图1-4-7布罾捕鱼
图1-4-8《江行初雪图》扳罾图
※答案：石虎在挖赵简子墓穴时发现了一丈多深的木炭。木炭的吸附能力比较强，因此古人有时在墓穴外放置很多木炭，以保持棺木的干燥、不渗水。上世纪70年代，考古工作者在湖南长沙马王堆一号汉墓——辛追墓的发掘中，在棺木四周和上部发现了厚30-40厘米的木炭，总重达1万多斤。
补充：在写此书过程中，后面近代工业革命时期的机械技术，由于手头参考资料有限，特别是插图的使用上，比较局限，尽管用了英国科学博物馆等处的图片。在美国访学期间，搜集到不少非常好的插图，特别是一些中世纪、近代科学革命、技术革命的图像资料，包括19世纪以来的新闻图片资料（与机械技术相关的），但书已经交稿，留下的遗憾，待未来有机会增补吧。
下面传两张刚扫描的，供欣赏，一张是牛磨(选自a theatre of machines)，一张是1869年两种自行车(选自victorian inventions)。
《大众机械技术史》的体量不大，但写起来颇费力气。丛书编委会和出版社的意见大致有两条：首先中外兼顾，并且是通史，就要从古代写到现代；其次雅俗共赏，学术性与通俗性交融。这真不是一个轻松的任务。《大众机械技术史》的用意，是希望大众能对古今中外的机械技术有大体的了解，但随着机械技术的不断进展，机器本身也变得复杂、庞大，而且与相关技术（比如冶金技术、材料技术、能源技术、自动化技术等）的关系愈来愈密切，这就加大了普及的难度。《大众机械技术史》尽可能用浅显的语言，辅以故事、诗歌、小说以及插入的“延伸阅读”、“思考题”等栏目，降低理解的难度，增加可读性。此外，笔者搜集和绘制了大量插图，它们对理解相关机械技术大有裨益，相信读者能体会到。
