古代科技 | 中国古代的"水泵"
原创 陈康
水泵是输送液体或使液体增压的机械。现代水泵种类繁多，用途广泛，多以电力、油汽机为动力。开启水泵，水便从管道中喷涌而出，满足人们的各种需要。那么，在没有电力、油汽机的古代，人们是如何提水的呢?一起来看中国古代的几种“水泵”。
杠杆原理的“水泵”——桔槔
桔槔 图/宋应星《天工开物》
桔槔是一种原始的提水工具，应用很广。桔槔的装置很简单，用一根长杆，中间较高的横挂在架上，长杆的一头挂水桶，另一头绑上或悬挂一块重石。汲水时，把挂水桶的一头向下拉，使桶下垂入井中或池塘里，这时绑重石的一头高高翘起。桶中装水后轻轻上提，因为长杆另一头的重石下压，所以不必费多大力气，水桶就能被提到地面上来，然后倾入田中。桔槔利用杠杆的原理，比完全凭双手从井中提水省力多了。
据考证，桔槔大约创始于商代初期。春秋时期，桔槔已有文字记载，并被普遍使用。
曲轴转动的“水泵”——刮车
刮车结构示意图 绘图/耿波
刮车是一种手摇式提水工具。转轮直径约5尺( 1尺≈0.33米，下同)，轮上幅条宽约6寸(1寸≈0.03米，下同)。使用刮车时，需先在流水岸边挖水槽，以岸的高低决定水轮大小，以人力驱动水轮运转，轮辐将水刮上岸，以便灌溉农田。刮车除用手操作外，也有在水轮轴上附设机件以便脚踏。除灌溉外，刮车也用于盐田刮卤水。王祯《农书》对刮车有记载。刮车简便易制，古代被普遍用于农业灌溉，其应用的条件是“水陂下田”。如果没有急流，只有一般的“水陂”，水面与岸高只差一两尺，在灌溉或排水时，人们一般使用刮车。直到20世纪50年代以后，大部分刮车才被现代水泵所取代。
轮轴原理的“起重机”——辘轳
辘轳 绘图/耿波
辘轳由辘轳头、支架、井绳、水斗等部分构成，是利用轮轴原理提取井水的起重装置。使用辘轳时，需在井上竖立井架，上装可用手柄摇转的轴，轴上绕足够长的绳索，绳索一端系水桶，用人力或畜力转动曲柄提起水桶。轮轴的实质是可以连续旋转的杠杆。辘轳改变了施力方向，方便用力和省力，逐渐成为使用最为普遍的提水机械。辘轳的起源很早。据《物源》记载，是“史佚始作辘轳”，史佚是公元前1100年左右周初的史官。到春秋时期，辘轳就已经流行。解放前在我国的北方缺水地区，仍有人在使用辘轳提水灌溉小片土地。
轮轴运作的“水泵”——井车
井车是由辘轳发展而来的深井提水工具，约产生于隋唐时代(公元618—907年)。它是专用于水井的提水机具，使用人力或畜力通过相应装置驱动立轮工作。井车的出现适应了雨水缺少、地下水位低的特点。在中国西南地区，井车也用于盐井汲取盐水。井车的工作原理是：在井口安装一组卧齿轮和立轮，相啮合，立轮上挂有一串盛水筒；用畜力或人力拉动套杆，随着立轮转动，盛水的水斗连续上升，绕过大轮后，里面的水流进旁边的水槽，再流入田地中，空水斗由另一边下降，如此周而复始。
高扬程的“水泵”——高转筒车
高转筒车 图/王祯《农书》
元代王祯《农书》记载的高转筒车也是一种提水机械。它以人力或畜力为动力，外形如龙骨车,运水部件如井车，其上、下都有木架，各装-一个木轮，轮径约四尺，轮缘旁边高、中间低，当中留有凹槽，以加大轮缘与竹筒的摩擦力；下面轮子半浸水中，两轮上用竹索相连，竹索长约一尺，竹筒间距离约五寸，在上下两轮之间、在上面竹索与竹筒之下，用木架及木板托住，以承受竹筒盛满水后的重量；上轮转动带动竹索及下轮转动，水筒也随筒索上下运动，当水筒下行到水中时，就兜满水，而后随筒索上行，到达上轮高处时，水筒将水倾泻到水槽内，如此循环往复。高转筒车最早出现在晚唐时期，其提水高度大于一般筒车，但必须借助湍急的河水来冲动。
齿轮和链传动装置的“水泵”——翻车
水转翻车 图/张力军、胡泽学《图说中国传统农具》
翻车，又名龙骨车、水车、踏车，是利用齿轮和链传动原理来汲水的灌溉农具。车身由木板做成槽形，长约两丈，宽四寸或七寸，高约一尺，槽中架有一条行道板，阔狭与槽接近，木板槽的上下部各安装一个转动轮轴，轴心平行；上面为大轮轴，为主动轮，下面为小轮轴，为从动轮；通过人力或畜力转动大轮轴，由链条带动小轮轴，水通过一系列行道板，被不断地带向高处。
据史书记载，翻车是汉代晚期的毕岚发明制作的。翻车的提水效率高，深受人们欢迎，因此被广泛推广使用。至唐代，翻车已经发展到手摇、脚踏、牛转数种，成为最重要的灌溉农具。到了宋代，出现了两人、四人甚至七人踩踏的脚踏翻车。宋远之际，还出现了利用水流为动力的水转翻车。水转翻车除了使用链传动装置外，还使用了多组齿轮传动。它利用水力驱动水轮，再带动翻车工作，将人力彻底解放了出来，实现了“全自动化”。水转翻车不仅省力，而且输水灌溉可日夜不息，极大提高了农业生产的工作效率。
- 作者信息 -
陈康，中国科学技术馆古代科技展览部，工程师。研究方向：展览设计。
