机械制造水驱动(古代先民利用水流的动力发明了哪些水力机械？又如何玩转水力？)

前言

水力资源一直以来都是自然界中存在的一股巨大的能源，我们现在利用水力进行发电，水力发电是现代电力组成的重要部分。

似乎我们一想到水力可以干什么就只有发电了，但是在古人手里，水力的作用可不小。古代没有电动机，没有蒸汽机，也没有内燃机，河里的水流力量是古人所能接触到的最方便，也是最大的能量源了。所以古人在水力的利用上发明了很多的东西，不仅仅只有水车这类简单的器械而已。

手工业要想发展，要满足日益增长的人口需求，要满足城市化，加深的市场需求，就要提高生产力。仅仅靠人力推拉已经行不通了，所以古人瞄准了每天奔流在家门口的小河。

从水力灌溉的筒车到水力驱动的磨坊，再到精妙绝伦的浑天仪，古人将水力发挥到了极致。

古人究竟是怎么利用水力的？

古代常规生产型水能输出机械筒车

筒车是唐朝时期发明的，用于转运水源进行灌溉的水力驱动机械。

《太平广记》里记载，在唐代初年的时候，寺庙里用筒车浇灌：“以木桶相连，汲于井中。”

这是最早的一种筒车，其主要的结构是一个水轮，然后在水轮的外圆周上绑有若干个水桶。在水流比较湍急的渠两旁打上几个个木桩，然后架上一个木叉，将水轮固定在岸边。

水轮的一半在水下一半在水上，水流冲击水轮转动，在水下部分的木桶灌满了水，随着水轮的转动到达最高点，然后自动倒出筒中的水。

外面是由竹筒连接而成的引水通道，木桶中的水倒下来正好落在竹筒水道里面，在顺着竹筒流到田地里面去。

这是一套结构简单，但是效率极高的水力驱动灌溉系统，不需要人费一点力气就可以自行灌溉水田。通过改变竹筒水道还可以“指哪打哪”，是最早的水力器械。

古人将筒车架放在水渠之上，然后利用筒车的机构以水力驱动筒车转动以此来转运水资源，通过竹筒的引导达到引导水流、灌溉农田的作用。

筒车家族是一个庞大的家族，除了一般的小筒车以外，还有一个巨无霸——高速筒车。

高速筒车与一般的筒车原理上是一样的，结构也差不太多，主要区别是，高速筒车可以运送更大的水流量，可以将水位抬得更高，同时也需要更大动力所以高速筒车对场地有要求，需要更湍急的河流。

在结构方面的主要差异是普通筒车直接水力驱动，没有传动装置，而高速筒车是有传动装置，通过齿轮和皮带（那个时候的皮带和我们现在的皮带不一样，但是原理相同）传动。高速筒车本身身躯庞大，因为抬高的水位更高，所以分成几级抬高。

同时高速筒车还设有外力辅助装置，在水力不够的时候可以加入牛拉和人踩同样通过齿轮和皮带将动力输送到高速筒车上。

水排

水排是一种水力驱动的鼓风装置，主要就是用于冶铁的时候，给煤堆进行鼓风加快煤炭的燃烧，提高燃烧效率，从而提高冶炼炉的温度。

水排是在公元三十一年由杜诗创造的，《后汉书》记载：“（建武）七年（31），遇南阳太守，……善于计略，省爱民役。造作水排，铸为农器，用力少，见功多，百姓便之。”

杜诗创造的水排在机械结构上已经相当的完善，通过曲柄连杆机构将回转运动转变成了往复运动，领先世界六百年之久。

水排分为动力机构、传动机构和工作机构三个部分，这和我们现代的大部分器械都差不多。还是木架架于水流两岸，然后上面架一个水轮，不过这个水轮得是扇叶状的叶板，以便于承受水流的冲击转动起来，这就是水排的动力结构。

然后是传动机构，水轮通过皮带与另一个小轮子连接起来，小轮子上是一个曲柄，曲柄连接着一个连杆，连杆的末端与卧轴上的一个“攀耳”相接，卧轴上的另一个“攀耳”则和一根直木相连。

最后的工作机构就是直木末端的排扇。水流驱动水轮转动，然后通过皮带带动小轮子转动，同时实现转速的扩大（水轮转一圈小轮子转很多圈），然后通过曲柄连杆将转动变为往复运动，最后通过直杆的来回运动带动排扇开开和鼓出风去。

古人利用水排，将水轮架放在水流之上，然后借助水流的力量驱动水排运作，带动风箱鼓出风来以此给正在冶铁的熔炉供应更多的氧气，提高冶炼的效率。

水磨

水磨的起源比较早，大概在晋朝就已经有了，很容易理解，水力驱动的石磨。

在南宋以前，中国的经济中心都在北方，主食是小米和小麦。小麦不磨成面是没办法食用的，所以磨坊是古代小麦粮食加工的重要机构。传统的石磨通过人力或者骡子驱动，效率底下，一般作为小农经济自给自足还可以。但是如果小麦制粉产业化生产这就远远不够了，所以水磨出现了。

结构比较简单，驱动装置依然是一个水轮，但是水磨不像筒车那么简单，也是要传动装置的。区别于水排的曲柄连杆将转动变成往复的平动，水磨的传动机构要简单一点，只需要将转动面改了就行。水轮是竖直面内转动，石墨是水平面内转动，因此需要一套简单的齿轮和轴的搭配就可以做到。

水轮上面安装一个立着的齿轮然后在轮轴上面也安装一个齿轮，轮轴与水轮齿轮相接，轮轴上的齿轮和磨盘下方的齿轮相接，就可以水流带动水轮带动轮轴带动磨盘了。

古人利用水磨，将水轮架放在水流之上，借助水流的力量来驱动石磨转动从而实现无需消耗人力就可以自动工作磨米磨面。

这样只是一个简单的水力直接驱动磨盘转动，后来还发展出来了多功能的磨坊，整个磨坊都依靠水力和各种的传动机构进行运转，就好比一个小型的工坊。需要巨大的水力带动同时带来的是巨大的生产力和巨大的效率、效益。

非生产型水力机械

除了直接利用水力去驱动一些机械结构，直接做功进行农业灌溉、工业生产等等，水力还有更加多样的利用。相比于这些冷漠运转的大机器，它们可能更加的精密、巧妙，更加的有意思。

水运仪象台

这个东西就不是一般的发明家用一些巧妙的机械结构就可以做出来的了，这个是由我国古代宋朝的著名科学家苏颂的领导和倡议之下，完成的一个天文计时器。顾名思义，它最主要的目的就是为了记录时间。

这台巨星时钟是苏颂和一众人物吸收了前人关于水运仪的全部总结与长处，再结合民间使用的水车等机械构建做出来的，集观测、演示和报时为一体的自动化天文台。

通过水运仪象台这个机器，古人借助天然水流作动力，驱动机器运转可以极为精确自动计时和报时系统，方便于人们的日常生产工作，农业运作。而且此仪象台还可以夜观天象进行天文研究。

水运仪象台体积巨大，底座是一个正方形的下宽上窄的木质底座，形状和中国传统建筑“亭台楼阁”里面的“台”一样，起到承重和稳定的作用。

整个仪器的高度大概有十二米之多，底座宽度大概有七米，三层楼的结构。最上层是一个露天的平台，供夜观天象使用，面放有一座浑天仪，用一根柱子进行支撑和固定，下面放有一个水槽是测水平的。浑天仪的上面是一个可以遮风挡雨的屋顶便于观察，屋顶可以随时开关，相当的方便。

顶层平台下面有五层木阁：

第一层木阁是一个钟鼓楼，负责标准报时的，木阁里面有三个屋子，每间屋子分别住着一个木人，分别是左房穿红衣服的小红，中间穿紫衣服的小紫，还有右房穿绿衣服的小绿。每到一个时辰的时初小红就要开始摇铃，每逢时正的时候小紫开始敲钟，每过一刻钟小绿击鼓。设计精巧结构巧妙，报时准确有辨识度。

第二层木阁可以报告十二个时辰的时初、时正名称，比如子正、子初、丑正等。这样下来一共就需要二十四个木人。

第三层专门报告刻钟的，比如子正：初刻、二刻、三科，丑初：一刻等，这样就需要就是六个木人，其中二十四个只报第二层那种，其余的报刻。

第四层专门报告晚上的时间，木人可以根据四季的不同击钲报更数。

第五层有三十八个木人，可以根据节气的变化报告昏、晓、晨等，还可以报告更加详细的天色变化。

如此复杂的报时系统，内部需要极其复杂的机械结构，基本上其他的水力驱动装置的机械结构在这里都能够找的到。

整个系统需要恒定而巨大的水流量驱动，如果水流量不够稳定，内部机械运转就做不到间歇性工作，那报时也就不准确。好在全国就着一台，放在当时世界上最大的城市开封府，拥有最好的条件来驱动和维护它。

总结

古人利用自然环境中的巨大而且便利的水力资源，驱动着许多设计精巧的机械结构进行运转。从而进行生产生活、计时报钟等等各种各样的活动。达到节省人力或者完成一些人力所完成不了的工作。除了这些机械结构，还有用水力运送木材的，也极大的节省了人力物力的消耗。

如今的我们有了各种各样的能源