從桔槔到翻車:從汲水勞動看古人對槓桿原理和鏈傳動原理的應用

2020-12-03 格物小書齋

孔子的學生子貢,有一次在路上看到老人在取水澆灌,老人抱著重重的瓦罐往返在水井和菜地之間,費時費力,效率極低。子貢來到老人面前,傳授了老人使用桔槔的方法,建議老人利用桔槔工具。這個故事說明,在孔子所在的春秋時代,古人就已經學會了利用桔槔提水了,桔槔是一種原始的提水工具,在古代應用很廣泛。

桔槔利用的是槓桿原理,在豎立的架子上設一支點,將長杆橫掛於上,長杆的一端用繩子綁著水桶,一端掛著石頭,掛著水桶在一端落下井盛滿水後,水桶在另一端的重石作用下可以省力地提上來,有效減輕勞動強度。子貢高度評價了桔槔這種工具:「有械於此,一日浸百畦,用力甚寡而見功多。」專家考證,很可能最早在商代就出現了桔槔這種工具。

在「水陂下田」,水面與岸高距離只有一兩尺的地方,一種新的提水工具在唐代開始被廣泛使用,那就是刮車。刮車是一種手搖式提水工具,分為手搖操作腳踏驅動兩種,作用點都在刮車的轉輪上,根據水平面與岸邊的高度確定水輪的大小。然後將刮車安裝在岸邊的水槽內,轉動水輪,水被輪輻颳起送上岸,用以農業灌溉,直到20世紀50年代以後,大部分刮車才被現代水泵所取代。

在較為乾旱、地下水位較低的地區,在隋唐時期還發明了深井提水工具—井車,這是利用鏈傳動原理驅動的水泵,在井口安裝一組互相咬合的臥齒輪和立輪,盛水筒掛在立輪上,利用套杆驅動立輪轉動,推動水鬥連續上升,繞過大輪後,裡面的水流進旁邊的水槽,再流入田地中,空水鬥由另一邊下降,如此周而復始。

在水位很低而岸很高的區域,古人還發明了專門的汲水工具—高轉筒車,也是發明於晚唐,劉禹錫還專門寫文章描繪過這種提水工具。其構造是上部和下部均有木架支撐,分別安裝一個轉輪,在上面輪帶與竹筒之下安裝承重的木板託架作為承重;下面轉輪一半浸入水中,兩輪之間有輪帶相連,輪帶上安裝盛水的竹筒。驅動作為主動輪的上輪,帶動下輪,竹筒隨輪上下輪動,周而復始,有效減輕人力負擔。

在農業灌溉中,古人還發明了翻車,俗稱龍骨水車,這是利用齒輪和鏈傳動原理來汲水的一種機具。古籍記載,三國時期的馬鈞通過改進翻車大大提高了汲水效率。在人力驅動翻車的應用基礎上,我國古代勞動者還發明了利用畜力、風力、水力驅動的多種水車。直到近代,翻車才被電動水泵所取代。

從汲水這個簡單的勞動出發,古人們基於不同地域條件,不同水勢特點,發明了不同的汲水工具,體現了巧妙的工程思維,有效減輕了人力負擔,很多一直沿用到上世紀五六十年代。不得不說,古代勞動人民的智慧真是博大精深、餘韻悠長的。

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