渴乌迷思

麻庭光

我国历史上最著名的取水工具被称为渴乌，这种农具甚至出现在如今的小学课本中。但由于历史久远，文献缺乏，实物不存，人们对渴乌的认识也是相当模糊的，导致了对渴乌的种种迷思。最早的渴乌结构简单，利用重力差工作，没有运动部件，其工作原理却隐含了物理学三大原理：帕斯卡定律、虹吸原理和回燃现象，分别属于静力学、动力学和热力学，值得深入分析。

渴乌的工作原理

渴乌是什么？最简单的解释是古代吸水用的曲筒，就是应用虹吸原理制造的虹吸管，在中国古代又被称为“过山龙”。渴乌的最早出处是《后汉书·宦者传·张让》：“（毕岚）又作翻车渴乌，施於桥西，用洒南北郊路，以省百姓洒道之费。” 唐代章怀太子李贤在唐初为《后汉书》的这段文字作注解时认为：“翻车，设机车以引水；渴乌，为曲筒，以气引水上也。”也就是说，渴乌是一个弯曲的筒状物，其形状类似饮水的乌鸦。它的工作原理是“以气引水上也”，即利用大气压力的原理来引水。

以竹子为材料的大管径的渴乌，在唐代已经投入使用。现存的最早记载竹制渴乌的制作和使用方法的文献，是唐代历史学家杜佑的《通典》：“渴乌，隔山取水。以大竹筒雌雄相接。勿令漏泄。以麻漆封裹。推过山外。就水置筒。入水五尺。即于筒尾取松桦乾草当筒放火。火气潜通水所。即应而上。”北宋康定年间（公元1040年）曾公亮也曾记述过这种取水方法，可以看出渴乌的工作原理包括：帕斯卡定律、虹吸原理和回燃现象。

法国数学家帕斯卡发现，密闭液体上的压强，能够大小不变地向各个方向传递。帕斯卡定律保证了压强的传递不受液体流通面积的影响，因此，你脚踩刹车的压力对密封液体产生的压强，可以原封不动地传递到每一个轮胎，再通过转换机构转换出来，形成对轮轴的压力，就形成了刹车的过程。帕斯卡定律保证了连通管的工作不受管径和路径的影响，因此人们可以随意取材，就地制造渴乌。历史文献中，制造材料至少有竹子和铜材两种，直径不限，这就是帕斯卡定律的功劳。

其次是虹吸原理，指水柱产生（负）压力，导致液体源源不断供应的液面位置差带来的压差。压差是如何产生运动的？在能量守恒的前提下，由于大气压恒定，位置压头可以自由转化成运动压头，也就是说，压差带来运动。明末科学家徐光启对虹吸原理有过解释：“今之过山龙，必上水高于下水则可为之，至平则止……”点明了上游水位必须高于下游水位，地球对液体的引力差（重力），是导致液体源源不断供应的源头，这是虹吸原理的“吸”之动力来源。“虹”是指连通器之常见形状，未必像虹。根据帕斯卡原理，连通管的作用与形状无关。

其三是最关键的一条，也是让渴乌区别于普通虹吸管和连通器的关键，即如何产生最初的升力，导致液体可以跨越高坡进行远距离传输。在抽取油箱汽油之时，人们通常都是用嘴直接吸取，用肺活量产生最初的压差。而农业灌溉用的管路较大，人体的肺活量就显得不足了。古人巧妙地采用燃烧的办法制造这种较大型的虹吸管中的真空，将水“吸”入筒内，继而在重力作用下从出口端流出。具体做法是在竹筒出口端塞上细松枝、干草等易燃物，点燃柴草，筒中氧气迅速燃尽。从而短时间内使筒内空气压力低于筒外大气压力，于是水得以“自中逆上”。由于重力差的作用，水源可以源源不断地供应，直到两处水面的高度差消失为止。

上述“于筒尾取松桦乾草当筒放火”的过程，在热力学原理中就被称为回燃现象。

渴乌的流传变异

由于古人并不十分清楚渴乌的工作原理，因此人们在解释渴乌时，往往用部分指代整体，把渴乌的龙头，当成渴乌本身，于是导致了渴乌被当作铜壶滴漏上的注水部件而流传。唐代徐坚所撰的《初学记》记载：“以器贮水，以铜为渴乌。关如钩曲，以引器中水，于银龙口中吐入权器。”到了北宋天圣八年（公元1030年）在燕肃改进的莲花漏上，也“置铜渴乌引水”，在这里渴乌仅仅是一段虹吸管，而没有导致翻坡功能的回燃现象了。

接下来，人们对渴乌的认识就比较离谱了。由于把渴乌的出口龙头当作了渴乌本身，那么凡是有水龙头的取水装置，都可以看作是渴乌，这导致了人们把辘轳当作渴乌的认识，如中国佛教著作《大般涅盘经》的记述：“……今之渴乌取水者是，亦名辘轳，井上施之更互上下，即是互为因果之义。”这种渴乌，仅仅是一种龙头和管路，其后部的水源供给，却需要其他手段来供给（如辘轳），此时的渴乌，仅为原始渴乌的一部分。这也意味着，古代的渴乌技术失传了，虽然文献中仍然可以找到，但生活中已经表示一种不同的东西了。渴乌与龙头的混淆，是造成这种部分代整体的讹传得以流行的重要原因。

再如陆游在《七月十七日大雨极凉》一诗中提到渴乌时说：“吴中七月热未已，渴乌呀呀井无水。炎官护前不少敛，树头敢望秋风起。”这里发出呀呀声音的显然是辘轳，而不是按照重力原理，无需外来能量工作的渴乌。

我国一些文献在解释渴乌时，指出其别称为“注子”、“偏提”，这又是一个大误解。注子和偏提，是一种利用大气压的水壶，其中却没有渴乌的工作原理。自9世纪初起，这种器物就已十分普遍。现代茶壶把手附近通常有一个小孔，如果用拇指密封小孔，可以保持茶水不洒出，虽是巧妙利用大气压的例子，却不是利用虹吸原理了（因为没有水柱的存在）。

不过，也有正确描述渴乌功能的诗句。南宋刘仪风在描述一个引水设施时说：“箨龙亦解作水供，细绎寻丈如渴乌。”这一句因为突出了水源供应的稳定性，符合重力流动原理，因此是渴乌的本意。如果是辘轳供水，水流脉动性大，就不会产生“细绎寻丈”的局面。元朝贡师泰也有诗说：“四分井字旁通渠，浏浏野水翻渴乌。”这一句，则因为一个“翻（越高坡）”字而毫无疑问地准确表达了渴乌的原始定义。

【责任编辑】张小萌