史曉雷

(中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所，北京 100190)

對古代腳踏風(fēng)扇車和水擊面羅復(fù)原的商榷

史曉雷

(中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所，北京 100190)

2011年，王星光、柴國生復(fù)原了元代王禎《農(nóng)書》中的腳踏風(fēng)扇車，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》風(fēng)扇車的插圖，結(jié)合元代普遍采用的腳踏曲柄連桿驅(qū)動輪軸旋轉(zhuǎn)的事實，利用新發(fā)現(xiàn)的近代腳踏風(fēng)扇車圖像，認(rèn)為古代腳踏風(fēng)扇車采用的是曲柄連桿驅(qū)動機(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《閘口盤車圖》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。

腳踏風(fēng)扇車 水擊面羅 復(fù)原 技術(shù)史

2011年第4期《中國科技史雜志》刊載了王星光、柴國生的《中國古代足踏式風(fēng)扇車考釋與復(fù)原》[1](以下簡稱王柴文)，他們復(fù)原了元代王禎《農(nóng)書》記載的腳踏風(fēng)扇車。但該復(fù)原的運(yùn)動機(jī)構(gòu)與文獻(xiàn)描繪不符，傳動方式違背機(jī)械傳統(tǒng)，而且并不知道腳踏風(fēng)扇車在近代山西地區(qū)仍有沿用，因此復(fù)原的結(jié)果值得商榷。2014年第2期《中國科技史雜志》刊載了李崇州、李盛的《試論〈閘口盤車圖〉中水擊面羅的機(jī)械構(gòu)造與原理》[2](以下簡稱李文一*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《〈閘口盤車圖〉中“水擊面羅”的興衰演變及歷史發(fā)展》[3](以下簡稱李文二)，兩文的核心內(nèi)容基本一樣，他們在1966年鄭為復(fù)原[4]的基礎(chǔ)上，對(傳)五代衛(wèi)賢所繪《閘口盤車圖》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)計錯誤。本文以此二古代機(jī)械為例，談?wù)劰糯鷻C(jī)械復(fù)原中的若干問題。

1 腳踏風(fēng)扇車的復(fù)原

中國古代關(guān)于腳踏風(fēng)扇車的文獻(xiàn)記載，首見于元代王禎《農(nóng)書·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》明本與四庫本作“簾”，聚珍本作“篩”，此處依前者。，即將機(jī)軸掉轉(zhuǎn)扇之?？肤鸭热ィ说脙裘?。

又有舁之場圃間用之者，謂之扇車。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·飏扇》附有插圖，后文將對插圖做專門分析，此處不贅，僅就如何解讀上文的“立扇、臥扇”做一分析。繆啟愉、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?！?[5]，516頁)王柴文認(rèn)為，這里的“立扇”指的是漢代立扇式風(fēng)扇車([1]，530—531頁)。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，因為在談了有立扇、臥扇兩種形式之后，王禎接著說：“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，而漢代出土的畫像磚(石)上的立軸式門形飏扇圖像以及手持門形飏扇陶俑[6](見封三圖1)，從未發(fā)現(xiàn)有掉軸(曲柄)結(jié)構(gòu)，更別說“足躡”了。此外，王禎前面既然說了“列穿四扇或六扇”，后面若又指漢代那種兩片扇葉的門形風(fēng)扇車的話，豈不矛盾？可見，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(見后文圖7)的早期形態(tài)，臥式則是指插圖所繪的風(fēng)扇車(見后文圖3、圖4，后演變?yōu)閮?、三個出糧口的風(fēng)扇車)。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)扇車形態(tài)看上起像“立”起來。而無論是虎頭風(fēng)扇車還是常見多出糧口風(fēng)扇車，均可以手搖或者足踏操作，下面就分析其轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)。

學(xué)界對手搖驅(qū)動風(fēng)扇車沒有疑義，而對腳踏風(fēng)扇車的轉(zhuǎn)動方式存在分歧。幾乎在王柴文發(fā)表的同時，筆者在《中國農(nóng)史》發(fā)表了《王禎〈農(nóng)書〉中的“飏扇”新解》[7]*2011年10月9日，中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所曾雄生研究員給筆者發(fā)來郵件，探討關(guān)于王星光、柴國生提到的腳踏風(fēng)扇車的運(yùn)轉(zhuǎn)問題。當(dāng)時筆者在《中國農(nóng)史》的論文已經(jīng)刊發(fā)，王、柴的論文已經(jīng)被《中國科技史雜志》接受，但未發(fā)表。從投稿時間看，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，我們并不知道對方的工作。10月9—16日，曾雄生、王星光、柴國生與筆者通過郵件討論了腳踏風(fēng)扇車的驅(qū)動機(jī)構(gòu)問題，但未取得一致意見。討論內(nèi)容后來公布在曾雄生主辦的“中國農(nóng)業(yè)歷史與文化”網(wǎng)站，見http://agri-history.net/tools/20120229.htm。。該文就王禎《農(nóng)書》中“飏扇”的畫法提出了同王、柴一致的看法，認(rèn)為描繪的是一種開放式風(fēng)扇車。元代風(fēng)扇車上還未出現(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中。分歧之處在于，筆者認(rèn)為《農(nóng)書》中腳踏風(fēng)扇車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(摹繪圖①)

足踏式風(fēng)扇車使用時，需要先將固定于掉軸端的合適長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)動葉輪轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生風(fēng)流工作。由于慣性的作用，拉繩被完全放開后，會被反向自動纏繞到掉軸上，待拉直后，操作者再次踩踏拉繩，葉輪即反向轉(zhuǎn)動，如此葉輪即可轉(zhuǎn)動不停，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)流到儲料斗處，保證足夠的風(fēng)力。這種依據(jù)慣性原理，通過柔性拉繩驅(qū)動機(jī)具工作軸雙向旋轉(zhuǎn)做功的驅(qū)動方式，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，這很好地說明了該種驅(qū)動方式所具有的科學(xué)性和可行性，同時也反映了古代勞動人民所具有的高超技藝和聰明才智。([1]，536—537頁)*筆者摹繪，對虛線圓內(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·飏扇》的插圖及機(jī)械傳統(tǒng)兩個角度分析王柴文復(fù)原的不合理之處。

1.1 對《農(nóng)書·飏扇》的插圖分析

元代王禎《農(nóng)書》版本流傳系統(tǒng)分為明刻本與四庫本，現(xiàn)把最早的明嘉靖九年(1530)刻本與四庫文淵閣本的插圖對比如下(見圖3、圖4)。這兩幅圖中，四庫本的插圖很清楚，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)的操作者通過腳踏繩索，使葉輪順時針旋轉(zhuǎn)，從而生風(fēng)。問題出現(xiàn)在明刻本的插圖上，該插圖把繩索繞過曲柄后與葉輪中心軸外端連接起來，顯然是繪錯了，因為如果按王、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)動方式，曲柄機(jī)構(gòu)便是多余的，因為把繩索一端先固定在葉輪軸外端然后纏繞一樣可以實現(xiàn)這種往復(fù)運(yùn)動。此外，王、柴也意識到這種驅(qū)動方式“無法根據(jù)實際需要產(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、放時機(jī)，在拉繩拉直后沒有及時踩踏，或者踩踏完成后沒有及時抬腳松放拉繩，抑或在拉繩拉直前即進(jìn)行踩踏，都會嚴(yán)重影響葉輪旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，甚至造成葉輪停轉(zhuǎn)，從而對清選作業(yè)造成影響?！?[1]，537頁)如此復(fù)雜的操作，王禎在其《農(nóng)書》中對技術(shù)細(xì)節(jié)竟然以“或手轉(zhuǎn)、足躡，扇即隨轉(zhuǎn)”一筆帶過，有些不可思議，因為王禎對較復(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》中的油榨、翻車、水磨等。

圖3 明嘉靖本《農(nóng)書》“飏扇”[8]

圖4 四庫文淵閣本《農(nóng)書》“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》“冷盆”([8]，655頁)

這里的機(jī)械傳統(tǒng)，是指某項機(jī)械技術(shù)產(chǎn)生的歷史淵源，同時期社會上類似機(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)扇車在元代之前沒有記載，但當(dāng)時社會上類似機(jī)構(gòu)已經(jīng)比較普遍，在王禎《農(nóng)書》中除了腳踏風(fēng)扇車外還有4幅通過腳踏機(jī)構(gòu)產(chǎn)生水平軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的插圖，它們是南繅車、北繅車、熱釜、冷盆(圖5)。它們均是繅絲的絲車，對比腳踏風(fēng)扇車而言，不過是把葉輪換作了絲軖，驅(qū)動機(jī)構(gòu)無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)，可見在元代這種由腳踏裝置通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動輪軸轉(zhuǎn)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)常見。王柴文放棄這種常見、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)動機(jī)構(gòu)，這種特殊的設(shè)計必須拿出足夠的證據(jù)才具有說服力。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，何況迄今還沒發(fā)現(xiàn)中國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，在山西督軍兼省長閻錫山授意下，山西農(nóng)學(xué)編輯會編輯了一冊《山西農(nóng)學(xué)農(nóng)具圖說》，在“第二編選種器·第一章扇車”記載了一種腳踏扇車。

腳踏扇車也是虎頭扇車一種，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。河?xùn)|一帶多使用他，他的構(gòu)造見第二十七圖……踏板用木料制成，共長二尺八寸，使用時用腳踏住踏板，上下掀動，風(fēng)輪就要旋轉(zhuǎn)，比手打省力。普通多用一個，也有用兩個的。[11]

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

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

綜上，無論是從《農(nóng)書》插圖描繪的腳踏風(fēng)扇車，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)扇車傳承到近代的事實，其驅(qū)動機(jī)制不會是繩索纏繞式的往復(fù)運(yùn)動，而是常見的曲柄連桿機(jī)構(gòu)。

2 《閘口盤車圖》“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》，其結(jié)構(gòu)與該書中“水排”基本相同(圖8)，王禎寫道：

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)

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《閘口盤車圖》[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) 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《閘口盤車圖》的水擊面羅圖，主要結(jié)構(gòu)是繩帶傳動和曲柄連桿機(jī)構(gòu)，只是在致使面羅做(近似)往復(fù)直線運(yùn)動的原理是杠桿原理。這種機(jī)構(gòu)在運(yùn)行上是沒有問題的，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)為其存在三個問題([2]，199頁；[3]，205頁)。這里有必要對李的質(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·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，并無問題。在鄭為的復(fù)原圖中，因為樁柱是在水輪的帶動下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，面羅與樁柱的碰撞是瞬間作用，對樁柱的摩擦及運(yùn)動影響可以忽略不計。在《閘口盤車圖》中，從視覺效果上看，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)動改為直線的往復(fù)運(yùn)動嗎？

鄭為復(fù)原圖的機(jī)械結(jié)構(gòu)沒有問題，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圖畫法，可能因此而產(chǎn)生了視覺誤導(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)動轉(zhuǎn)變?yōu)槊媪_的往復(fù)運(yùn)動，其機(jī)構(gòu)實現(xiàn)方式是：

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

需要說明的是，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運(yùn)動副，機(jī)構(gòu)運(yùn)行起來才順暢。

(3)鄭為說，“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，于是構(gòu)成了羅框往復(fù)運(yùn)動的可能性?！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，但不是推動面羅進(jìn)行運(yùn)動的動力([2]，199頁)。

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)動造成(盡管從理論上講會有一點(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現(xiàn)的，這種情形的機(jī)械結(jié)構(gòu)下文再分析。

2.2 對李文復(fù)原圖的分析

首先指出李文在文獻(xiàn)引用上有兩處錯誤。

圖11 李文復(fù)原的水擊面羅示意圖([2]，200頁)

第一，在討論《閘口盤車圖》時，誤把李約瑟對元代另一幅《山溪水磨圖》的評論[14]當(dāng)作了對《閘口盤車圖》的評論，出現(xiàn)了張冠李戴。更奇怪的是，李文一、二均犯了同樣的錯誤，以至于李文二仍大談《閘口盤車圖》的年代為何被判定為1300年，其實那是《山溪水磨圖》的創(chuàng)作年代?！堕l口盤車圖》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《閘口盤車圖》認(rèn)定為南唐衛(wèi)賢的作品。李文沿襲了鄭為的說法，認(rèn)為此畫乃南唐衛(wèi)賢所繪。但上海博物館在20世紀(jì)70年代對該畫重新裝裱時發(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]。因此后來學(xué)界一般并不聲稱此畫為衛(wèi)賢所繪，而用“佚名”代之，但此畫的創(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，然后和鄭為復(fù)原的結(jié)構(gòu)一樣——利用杠桿原理驅(qū)動面羅的左右運(yùn)動，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。又因為力、支、重三點(diǎn)都裝有鐵瓦木輪軸，所以操縱力臂時，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)的功能是專司向機(jī)械桿輸送推動力量。由于機(jī)械杠桿在力點(diǎn)和重點(diǎn)輪番起伏方式的運(yùn)動中，則可把偏心連桿送來的推動力量傳遞到面羅，以達(dá)到推到指定位置篩選的目的，并通過間隔一次的(地)碰撞樁柱完成面粉篩選的動作。([3]，200頁)

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

李文在杠桿下端與偏心連桿左端連接的設(shè)計遠(yuǎn)遜于鄭為的設(shè)計，因為既然偏心連桿要推動杠桿下端左右運(yùn)動，那么夾層中的“鐵瓦軸承”便是多余的，按照鄭為那種設(shè)計完全可以做得到。而且按照李的解釋，他是受湖北宜昌車溪民俗風(fēng)景區(qū)*車溪民俗風(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發(fā)為旅游景點(diǎn)。2002年推出“水車博物館”，李崇州見到的“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該水車博物館及同在景區(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(臥輪在牛上方)及水轉(zhuǎn)高車的結(jié)構(gòu)及名稱與王禎《農(nóng)書》所載相同，筆者認(rèn)為設(shè)計者可能見過王禎《農(nóng)書》或受其影響的《農(nóng)政全書》等，當(dāng)時也親自到他家探訪、詢問，結(jié)果被婉拒，至今原因不明。應(yīng)當(dāng)注意的是，該水車博物館內(nèi)的部分機(jī)械，純粹是為了游客互動設(shè)計的，比如“人轉(zhuǎn)水車(筒車)”。因此對該館“水轉(zhuǎn)羅柜篩”的機(jī)械設(shè)計，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溪地區(qū)的流傳，未免輕率?！八D(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)的過程中，其實軌跡是條弧線(圓心在上樓板軸承)，可是李的設(shè)計，垂直方向并無自由度，因此一定會發(fā)生滯卡。解決這一問題，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運(yùn)動副。

此外，李文二認(rèn)為王禎《農(nóng)書》的“羅因水力互擊樁柱”暴露了王禎對水擊面羅無知的“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多的堆積物迅速蠕動及細(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)

李顯然沒有理解《農(nóng)書》中此句的原意，原句中的“互擊”是指羅從左右兩個方向撞擊樁柱。對水擊面羅而言，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)致了常識性錯誤。1964年李約瑟(Joseph Needham)在山西拍攝到的水擊面羅(圖12)就是對樁柱左右(照片位置上是前后向)互擊的。其實，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撞擊木柱，位于撞機(jī)(樁柱)左右兩側(cè)。同在車溪民俗風(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 《天工開物·面羅》[18]

圖14 宜昌車溪腳打羅(局部)

*筆者2009年7月23日拍攝于宜昌車溪民俗風(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)扇車時提到從“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《閘口盤車圖》水擊面羅的可能結(jié)構(gòu)。

目前年代最接近《閘口盤車圖》創(chuàng)作年代的水擊面羅圖像是王禎《農(nóng)書·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，他對照片題記寫作“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，它的確是用來驅(qū)動磨的，但由于磨要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此在木房內(nèi)部，臥軸上必定有另一只攀耳把臥軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)致使磨盤旋轉(zhuǎn)；另一種可能便是木房內(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似，直接由攀耳把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為面羅的往復(fù)運(yùn)動。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)無法看到。不過，對比圖12與圖15的機(jī)構(gòu)，就會發(fā)現(xiàn)它們的結(jié)構(gòu)非常類似，只不過圖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，除了車溪民俗風(fēng)景區(qū)的水擊面羅外，《農(nóng)書·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，其中一人正在船頭罾中撈魚，罾被船頭臥軸上左右兩根竹竿懸吊起來，兩兒童坐在船尾利用絞車牽罾。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；一方面通過繩索向下拉中間竹竿的同時旋轉(zhuǎn)臥軸，從而使另兩根竹竿逐漸立起來，同時把罾提上來。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?，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、樁柱在一個平面的話，此時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)動轉(zhuǎn)換為偏心立柱的圓周運(yùn)動，他借助了繩帶傳動方式。繩帶傳動在古代常見于手搖紡車，至晚于五代時期，我國手搖紡車中出現(xiàn)了這種傳動形式[20]，而且在《農(nóng)書》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——這樣上攀耳在帶動柱形木右擊樁柱時，面羅也一起帶動產(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)說明立軸與樁柱一體時在機(jī)械結(jié)構(gòu)上并無妨礙，不過從《閘口盤車圖》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，這說明樁柱的位置相對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)史研究的一項重要工作，對探究古代機(jī)械技術(shù)的應(yīng)用、演變以及文博場館的展覽具有重要意義。早在20世紀(jì)30年代，王振鐸就對漢代張衡地動儀的運(yùn)作機(jī)制做過探索；此后，他復(fù)原了多件我國古代機(jī)械，比如漢代冶鐵鼓風(fēng)機(jī)、宋代水運(yùn)儀象臺、宋代燕肅指南車等[21]。1982年，陸敬嚴(yán)在同濟(jì)大學(xué)成立了中國古代機(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)械有我國古代多用水輪[23]、古代懸棺的升置技術(shù)等[24]。2004—2006年，中國科學(xué)院自然科學(xué)史所、臺灣南臺科技大學(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[25]。2006年，臺灣林聰益、顏鴻森提出了對古代機(jī)械復(fù)原的研究程序[26]?？偨Y(jié)他們的研究經(jīng)驗，結(jié)合本文的兩個案例，提出在古代機(jī)械復(fù)原中應(yīng)該注意的兩個問題。

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。有時古代文獻(xiàn)的記載還有插圖，此時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)該沒有見過王禎《農(nóng)書》版本流傳系統(tǒng)中最早的明本和四庫本，否則不會用《農(nóng)書》萬有文庫本的插圖*萬有文庫本《農(nóng)書》插圖直接來源是武英殿聚珍本，屬于四庫本系統(tǒng)，但與四庫本的插圖差異較大。而李約瑟在《中國科學(xué)技術(shù)史機(jī)械工程分冊》“水打羅(水擊面羅)”中采用的是清《授時通考》的插圖，其來源是明本《農(nóng)書》。因此李崇州的指責(zé)不當(dāng)。說李約瑟使用了水擊面羅的錯誤圖像。

其次，遵循機(jī)械傳統(tǒng)。古代機(jī)械的產(chǎn)生、流傳，社會因素是一方面，但就機(jī)械傳動方式而言，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，除非有過硬的否定證據(jù)。就前述元代腳踏風(fēng)扇車而言，正是宋元間已經(jīng)普遍使用的腳踏裝置通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動輪軖旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，才產(chǎn)生了利用此種方式驅(qū)動的腳踏風(fēng)扇車；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)原方式就不具說服力。

總之，只有在對原始文獻(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 對曾雄生研究員、王星光教授、柴國生博士就腳踏風(fēng)扇車初期的討論表示感謝。

1 王星光, 柴國生. 中國古代足踏式風(fēng)扇車考釋與復(fù)原[J]. 中國科技史雜志, 2011,(4): 530—539.

2 李崇州, 李盛. 試論《閘口盤車圖》中水擊面羅的機(jī)械構(gòu)造與原理[J]. 中國科技史雜志, 2014,(2): 198—203.

3 李崇州. 《閘口盤車圖》中“水擊面羅”的興衰演變及歷史發(fā)展[J]. 農(nóng)業(yè)考古, 2015,(3): 198—206.

4 鄭為. 閘口盤車圖卷[J]. 文物, 1996,(2): 17—25.

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10 王紅誼. 中國古代耕織圖[M]. 北京: 紅旗出版社, 2009. 97.

11 山西農(nóng)學(xué)編輯會. 山西農(nóng)學(xué)農(nóng)具圖說[M]. 1920年鉛印本. 19—20.

12 劉仙洲. 中國古代農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)明史[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1963. 83.

13 馬承源. 上海博物館藏寶錄[M]. 上海: 上海文藝出版社, 1989. 46.

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15 楊新. 清明上河圖的故事[M]. 北京: 紫禁城出版社, 2012. 96.

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

18 (明)宋應(yīng)星. 天工開物[M]. 楊素卿刻本.

19 石守謙. 故宮書畫菁華特輯[R]. 臺北: “故宮博物院”, 2005. 56.

20 史曉雷. 再探中國古代手搖紡車的歷史變遷[J]. 絲綢, 2012,(8): 67.

21 王振鐸. 科技考古論叢[M]. 北京: 文物出版社, 1989.

22 陸敬嚴(yán), 虞紅根. 古代機(jī)械復(fù)原研究的幾個理論問題[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報, 2001,(6): 677.

23 陸敬嚴(yán), 高申蘭. 中國古代多用水輪及其復(fù)原[J]. 自然科學(xué)史研究, 1996,(2): 189—195.

24 陸敬嚴(yán),(美)程貞一. 中國懸棺升置技術(shù)研究[J]. 江西文物, 1991,(2): 39—45.

25 孫烈, 張柏春等. 傳統(tǒng)立軸式大風(fēng)車及其龍骨水車之調(diào)查與復(fù)原[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(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, 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，中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所副研究員，研究方向為技術(shù)史。

國家社科基金青年項目“宋金元時期農(nóng)具的考證研究”(編號：14CZS016)。

N092

A

1673- 1441(2017)02- 0214- 14