传统机械蕴含的科学技术思想*——以水排为例

丁　宏

(太原理工大学 马克思主义学院，山西　太原　030024；中国科学院自然科学史研究所博士后流动站，北京　100010)



传统机械蕴含的科学技术思想*
——以水排为例

丁宏

(太原理工大学 马克思主义学院，山西太原030024；中国科学院自然科学史研究所博士后流动站，北京100010)

[摘要]传统机械是传统工艺技术的重要组成部分，其构造、制作和推广反映了制作者和推广者自身和其所处时代的科学技术思想。水排是我国古代典型的以水力为原动力的冶铁鼓风机械。文章采用文献考察和实物考证相结合的方法，以水排为案例，从水排的构造、动力、运行、发明和推广四个方面探讨了水排所蕴含的古代科技思想。

[关键词]传统机械；水排；科学技术思想

[DOI] 10.16396/j.cnki.sxgxskxb.2016.03.024

传统机械是传统工艺的重要组成部分。自1875年开始，国外学者对地动仪、指南车的研究开启了国外中国机械史研究的先河。20世纪20年代开始，国内外许多学者开创并发展了中国机械史这一研究领域[1]。目前学界对传统机械史的研究主要是在文献、考古资料分析的基础上，对传统机械的机械原理进行阐释，对传统机械进行复原。很少有学者从科技思想的层面对传统机械的发明、使用和推广进行研究。传统机械是传统的工艺技术大师制造的，是传统工艺技术的直接体现者，有自身发展的土壤和环境，其构造、发明和推广是偶然的，更是必然的，它的发明、使用和推广必然受到当时社会思想的影响。从这个意义上说，传统机械体现了我国传统的科学技术思想。

水排是东汉建武七年(31年)，南阳太守杜诗发明和推广的我国古代典型的以水力为原动力的冶铁鼓风机械。其后，水排经过魏国的韩暨、后魏的高隆之的改进和推广，其结构不断完善，应用范围不断扩大。直至近代在四川、云南、湖南、浙江等省的土高炉还是用“水排”来鼓风，可见水排应用范围之广和生命力之强[2]。李约瑟指出，水排是机械学的重大创举，是最早的通过曲柄、连杆机构将旋转运动转变为往复运动的机械装置。刘仙洲指出：“就构造上说，水排比水磨、水碓、水碾和水力天文仪器，都重要的多。”[3]542刘仙洲、杨宽、李崇州等从现代机械学的角度对水排的机械性能进行了研究，并对水排进行了复原。因此，本文从水排的构造、动力、运行、发明和推广四个方面探讨水排所蕴含的科学技术思想，希望为我国传统机械史的研究提供新的研究路径。

一、机械思想

水排的构造反映了我国古代传统机械简单机械的思想。机械的定义有二种。第一种，刘仙洲指出：“机械者，两个以上具有抵抗力的机件的组合体，动其一件，则其余各件，除固定的机架以外，各发生一定的相对运动或限制运动，吾人得利用之使一种天然能力或机械能力发生一定之效果或工作者也。”[4]6机械的功用：改变不适宜直接做功的能力为机械能能力；改变力量的大小；改变运动的种类；改变运动的方向；改变速度的大小及第一种功用的反用[3]8-9。第二种，陆敬严等指出：机械是机器与机构的总称，它的根本目的是完成特定的运动(功能)，然后才是省力。机械的特征：它是许多构件的组合体；其各构件间具有确定的相对运动；它能转换机械能或完成有效的机械能。三个特征都具有的就是机器，仅具有前两条特征的是机构[5]1。

由以上资料可以看出，机械的特点首先是进行能量转换，其次才是改变运动的种类、改变力的大小、速度、方向。

水排的分类和形制。最早关于水排分类和形制的记载见于王祯的《农书》，王祯在书中指出：

其制，当选湍流之侧，架木立轴，做二卧轮。用水激下轮，则上轮所周纟玄索通缴轮前旋鼓，棹枝一侧随转。其棹枝所贯行桄而推车免卧轴左右攀耳，以及排前直木，则排随来去，搧冶甚速，过于人力。……其又一法，先于排前直出木簨，约长三尺，簨头竖置偃木，形如初月，上用秋千索悬之。复于排前植一劲竹，上带纤索，以控排扇，然后却假水轮卧轴所列拐木，自然打动排前偃木，排即随入，其拐木即落，纤竹引排复回，如此间打，一轴可供数排，宛若水碓之制，亦甚便捷*见王祯《农书》：“农器图谱集之十四”“利用门”。。

根据王祯《农书》的记载，可知古代水排有立轮式和卧轮式两种。经过修正的图片见图1、图2。

1.水轮；2.卧轴；3.拐木;4.偃木；5.秋千索；6.木簨；7.劲竹；8.牵索；9.皮囊；10.冶铁炉图1　立轮式水排结构图[6]28

1.水轮卧轴；2.拐木;3.偃木;4.秋千索；5.木簨；6.劲竹；7.纤索；8.皮囊图2　立轮式水排结构图[5]251

从王祯《农书》的记载和水排的结构图可以看出，水排已经基本具备了发动机、传动机和工具机(工作机)三个结构。如图1，立轮式水排的发动机为：1.水轮；传动机为机构2—8的组合体；工作机为9.皮囊。如图3，卧轮式水排的发动机为：1.下卧轮；传动机为机构2—10的组合体；工作机为11.排扇。

1.下卧轮；2.上卧轮；3.竖轴；4.弦索；5.行桄；6.棹枝;7.旋鼓；8.攀耳；9.卧轴；10.直木；11.排扇图3　卧轮式水排结构图[6]36

1.活门；2.木扇；3.攀耳；4.卧轴；5.行桄；6.棹枝；7.小轮；8.绳索;9.大轮图4　卧轮式水排结构图[4]52

立轮式和卧轮式水排都体现了简单机械的思想。首先，水排体现了能量转换思想。水排将水能转换为风能，实现了机械能的转换。其次，水排实现了运动方式的转变。水排尤其是卧轮式水排，使用连杆机构将旋转运动转变为连杆的往复运动。圆周运动和直线运动之间的相互转化是人类机械思维重要的突破。卧轮式水排的装置同蒸汽机车甚至内燃机上的转轮、偏心曲柄、连杆和活塞杆机械原理相同,区别只在于动力来源不同[2]。中国是水能驱动，欧洲的原始发动机是以蒸汽力作用于活塞。李约瑟曾评价说，中国机械将圆周运动转化为直线运动，反过来，欧洲机械把直线运动转化为圆周运动。两者在其余各方面是完全一样的[7]。再次，水排可以改变力的大小、方向和速度。可以通过控制水流来控制水排鼓风的大小、速度和方向。杜诗因为“造作水排，铸为农器，用力少，见功多，百姓便之”，被南阳人尊称为“杜母”(《后汉书·卷31·杜诗传》)。《三国志》载：“旧时冶作马排，每一熟石用马百匹；更作人排，又费功力；暨乃因长流为水排，计其利益，三倍于前。在职七年，器用充实。”(《三国志·卷24·魏书·韩暨传》)后魏的高隆之，更是因为通过人工引水推动水排的运行，被后人称为“冶炼老祖”。清嘉庆《安阳县志》卷5引《水冶图经》说：“后魏(386—534年)时引水鼓炉，名水冶，仆射高隆之监造。”

二、无为思想

水排以水力为原动力反映了汉代的无为思想。“无为”是《老子》思想的精髓，是老子“道”的本质。“为”字的最初意思是指“从事农业生产”，殷商时期泛指人们进行的各种实践活动。从“生而不有，为而不恃”(王弼著《老子注》二章)，“为大于其细，……天下大事，必作于细”(王弼著《老子注》六十三章)等，将“为”和“生”“作”相比，可知“为”还有“创造之作活动”的意思。汉代黄老的“无为思想”占统治地位，它的影响扩展到当时的各个领域。西汉建国初期，社会残破，民生凋敝，与民修养的“无为”政策是高、惠、文、景四代皇帝施政的基本国策，其声誉在司马谈的《论六家要旨》中达到了高峰。武帝时期，虽然确立了“独尊儒术”的国家政策，但这并没有使“无为思想”销声匿迹，相反在哲学上还着力发展“崇尚自然”和“无为”的思想。东汉初年，虽然思想领域谶纬、今文经学、古文经学三足鼎立，但黄老的无为思想仍然有着深远的影响，肯定对东汉的杜诗产生了比较大的影响，促使他发明和推广了水排。

陆敬严将中国机械史分为简单机械、古代机械、近代机械、现代机械四个时期[8]。冯立升进一步对机械史的分期进行了细化，将中国科技史分为六个时期：即形成和积累时期，从远古到西周时期；迅速发展和成熟时期，从春秋时期到东汉末年；全面发展和鼎盛时期，从三国时期到元代中期；缓慢发展时期，从元代后期到清代中期；转变时期，从清代中后期到解放前的发展时期；复兴时期，解放后的发展时期[9]。无论采用哪一种分期方法，我国古代机械设备的原动力都经历了“人力—畜力—自然力(风力、水力)”这样一个过程。以水力为原动力的机械主要出现在汉代*汉代桓谭的《桓子新论》中记载：“宓牺之制杵舂，万民以济，及后人加功，因延力借身重以践碓，而利十倍杵舂。又复设机关，用驴、骡、牛、马及役水而舂，其利乃且百倍。”在东汉服虔《通俗文》和孔融的《肉刑论》中也有“水碓”一词，此后，各代文献中都有文献记载水碓。由此可以推断，汉代已经开始利用水碓来杵舂，也就是说汉代已经开始使用水力机械。。水排是我国古代以水力为原动力的冶铁鼓风机械，它的发明和使用比欧洲早1200年[10]，水排原动力的变化具有代表性。

水排的主要作用是对冶铁炉进行鼓风。古代的鼓风设备从殷商时代铸造“司母戊大方鼎”的“皮囊”，经过春秋末期利用人工鼓风冶炼利剑干将、莫邪的“橐(皮制风囊)”，以及后来利用畜力的兽排(牛排、马排)，到东汉的水排。鼓风设备从利用人力、畜力，到利用自然力的转换，这其中反映了人们从“改造自然”到“利用自然”思想模式的转变，也是汉代“无为思想”的具体体现。

三、五行思想

水排的运行机理反映了汉代的五行思想。“五行思想”被顾颉刚和庞朴称为“中国人的思想律”和“中国文化的骨架”。它起源于商周，发展于春秋，战国时基本定型，是中国古人用于认识和解释自然的世界观和方法论。汉代虽然“罢黜百家，独尊儒术”，事实上，汉代儒学综合了先秦百家思想，特别是阴阳五行思想。正如顾颉刚先生所说：“汉代人的思想骨干是阴阳五行。无论在宗教上，在政治上，在学术上，没有不用这套方式的。”[11]在汉代无论是水排的发明者杜诗还是具体制作的工匠都必然受到“五行思想”的影响。“五行”作为哲理性思想，最先见于《尚书·洪范》。此书指出：

一曰水，二曰火，三曰木，四曰金，五曰土。水曰润下，火曰炎上，木曰曲直，金曰从革，土爰稼穑。润下作咸，炎上作苦，曲直作酸，从革作辛，稼墙作甘。

汉代的大儒董仲舒指出：

天地之气，合二为一，分为阴阳，判为四时，列为五行。行者，行也。其行不通，故谓之五行。五行者，五官也，比相生而间相胜。(董仲舒《春秋繁露五行相生》)

天有五行：一曰木，二曰火，三曰土，四曰金，五曰水。木，五行之始也；水，五行之终也；土，五行之中也。此其天次之序也。(董仲舒《春秋繁露五行之义》)

由以上资料可以看出：(1)汉代“五行”的基本顺序为：“木—火—土—金—水”，这一顺序与最初《洪范》中五行的顺序已经不一样了，这里将“木”放在了首位；(2)汉代五行有“比相生而间相胜”的规律，即“相生序”和“相胜序”两种顺序。这两种基本“规律”以及它们推导出的“相制原理”和“相化原理”对水排的发明产生比较大的影响。

汉代的冶铁业分工已经比较精细，根据南阳的考古遗址可以将汉代南阳地区的冶铁作坊分为三类：单纯冶铁作坊；单纯铸造作坊；冶铁、铸造二合一的作坊[12]。此处以冶铁作坊为例：水排的驱动力为“水”，水排自身为“木”，燃料为“火”，冶铁炉为“土”，冶铁炉中的铁矿石或铁为“金”。水排的运行暗合了“五行思想”。

水排鼓风的过程反映了五行的“相生”和“相胜”思想。五行的“相生”思想为：水生木，木生火，火生土，土生金，金生水。水排的运行过程为：水驱动水排的转轮，转轮将水力转化为连杆的往复运动，连杆带动皮囊(木扇)，皮囊(木扇)对空气压缩产生风，风对燃料木炭(煤炭)进行助燃，木炭(煤炭)对炼铁炉进行加热，铁矿石在炼铁炉内化为铁水。简单地表述这个过程为“水—水排—燃料—炼铁炉*杨宽在《中国古代冶铁技术发展史》中指出，在初期，炼铁炉很小，构造也很简单，炉身一般用石头和耐火粘土砌成，或用石头砌成后涂上耐火粘土。炼铁时也是，将碎矿石和木炭一层加一层地从炉子上加进去，点燃木炭，然后鼓风炼铁。虽然，到西汉为至，我国已开始使用高炉炼铁，但其使用的还是耐火砖、耐火土、土坯和草拌泥等。李京华在《南阳汉代冶铁》中通过对汉代南阳冶铁遗址的发掘整理指出，炼铁炉的耐火材料就是就地挖掘的粘土。因此，从材料上看，可以将炼铁炉视作“土”元素。—铁矿石(铁水)”。也就是说，水推动水排运行，水排通过皮囊对燃料进行鼓风助燃，燃料被鼓风后对炼铁炉中的铁矿石和木炭进行加热，炼铁炉中的铁矿石受热融化。水排鼓风冶铁的过程正好体现出“五行相生”的思想。五行“相胜”思想为：木胜土、金胜木、火胜金、水胜火、土胜火。水排控制炼铁炉的温度，铁矿石的炼化程度决定了水排鼓风的快慢，燃料燃烧的快慢又决定了铁矿石炼化程度，水流度控制着水排鼓风的大小进而控制了火的大小，炼铁炉的承受力又决定着燃料燃烧的快慢*炼铁炉温度的控制也很重要，《汉书·五行志》中记载：“成帝和平二年正月，沛郡铁官铸铁，铁不下，隆隆如雷声，又如鼓音，工十三人惊走。音止，环视地，地陷数尺，炉分为十一，炉中销铁散如流星，皆上去。”由此可见炼铁炉温度控制的重要性。。水排鼓风冶铁的过程体现出“五行相胜”的思想。

水排鼓风的冶铁过程还体现了，“相制原理”和“相化原理”。“相制原理”为：特定的毁灭过程是由毁灭着毁灭者的那种元素所“控制”，同时，起“控制”作用的元素总是由那种被毁灭的元素所产生。也就是说，水排冶铁过程，毁灭的是“金(铁矿石)”，按相制原理的推导“火灭金，但水控制其过程”。水流速的大小决定了铁矿石熔化的过程。控制冶铁过程的“水”与生成物“铁水”在形态上都为“水”元素。“相化原理”为：由另外一种过程来相化一种变化过程，那另一种过程产生了更多的基质，或者所产生的基质比被初级过程所能毁灭的基质更快。也就是说，“火灭(胜)金，但土相化这一过程。”要煅烧铁矿石，必须用适宜的炼铁炉来控制整个过程。否则，炼铁的高炉会发生破裂。

四、民本思想

水排的发明和推广反映了汉代的民本思想。“民本思想”就是以民为国家根本的思想。该思想起源于先秦时期，直至现在还是国家维护统治的根本出发点。《吕氏春秋》指出，人民是统治稳固的基础和国家根本的存在。孟子指出：“桀、纣之失天下也，失其民也。”“得天下有道，得其民，斯得天下矣。”(《孟子·离娄上》)“诸侯有三宝：土地、人民、政事”，“民为贵，社稷次之，君为轻”(《孟子·尽心下》)。对汉代思想产生很大影响的陆贾与贾谊指出：民为“万世之本”(《新书·大政上》)，《淮南子》称，“为治之本，务在于安民”，“安民之本，在于用足”(《淮南子·诠言训》)；“食者，民之本也；民者，国之本也；国者，君之本也。”(《淮南子·主术训》)国家为了“富民”必然想法提高和推广生产工具，因此，水排的发明和推广体现了“民本思想”。

汉代从建国开始就经历了不同程度的战争，整个社会的科学技术就在战争与和平的循环交替中发展前进。西汉初年，为了鼓励冶铁业发展，统治者认可民间的盐铁业：“汉兴，海内为一，开关梁，弛山泽之禁，是以富商大贾周流天下，交易之物莫不通。”(《汉书·食货志》)到汉武帝时期，又将盐铁收归国有，“攘公法，申私利，跨山泽，擅官市。”(《盐铁论·刺权》)无疑，这些政策在其初期都促进了冶铁业的发展，也为水排的发明创造了一定的技术条件。经过汉武帝时期的混乱战争，在始元六年(公元前81年)为了达到“以明休息，思富养民”目的，开展了一次有关“盐铁专卖”大辩论。在辩论中，文学、贤良一方提出“衣食者民之本，稼墙者民之务也。二者修，则国富而民安也”(《盐铁论·力耕》)。他们主张在农本商末的基础上，重农通商，既保证农业的基础地位，又发挥商业调剂余缺作用。这次“盐铁会议”成为汉代中期思想领域的重大转折，标志着“民贵君轻”的孟子思想成为儒家思想的正宗[13]。

事实上，在“民本思想”指导下，汉代很重视农业技术的推广和普及。公元前89年，搜粟都尉赵过在全国推广了耦犁和耧车这两种新式畜力播种的工具。此外，朝廷还组织全国各县的县令、三老、力田和老农到京师学习，然后回去推广养苗法、带状田耕种法。同时，各地农夫和工匠对铲、镢、锄、耙、镰、铧等作了改进。西汉晚期的民间技工还发明了带动石磨脱粒的风车。《后汉书·西羌传》载：顺帝永建四年(129年)虞诩上奏章道：“雍州之域，……因渠以溉，水舂河槽，用功盛少，而军粮饶足。”“水舂河槽”指的就是水碓，“用功盛少”的水碓也得到推广。

在国家建国初期和不稳定的时期，统治阶级更需要发挥“民本思想”来促进生产，维护国家的统治，东汉初年、三国和后魏时期正是这样的环境。同时，冶铁业是极费人力的行业。《汉书·贡禹传》说：“今汉家铸钱及诸铁官，皆置吏卒徙，攻山取铜铁，一岁功十万人已上。”杜诗正是在“民本思想”影响下发明和推广了水排。“杜诗字君公，河内汲人也。……建武元年，岁中三迁为侍御史，安集洛阳。时，将军萧广放纵兵士，暴横民间，百姓惶扰，诗敕晓不改，遂格杀广，还以状闻。……七年，迁南阳太守。性节俭而政治清平，以诛暴立威，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。又修治陂池，广拓土田，郡内比室殷足。时人方于召信臣，故南阳为之语曰：‘前有召父，后有杜母。’……诗自以无劳，不安久居大郡，求欲降避功臣……司隶校尉鲍永上书言诗贫困无田宅，丧无所归。诏使治丧郡邸，赙绢千匹。”[7]

从后汉书对杜诗的记载可看出，首先，杜诗是一位爱民官员，在萧广不听其爱惜百姓劝告后，将其格杀。其次，在南阳任太守期间，也是极爱民力。造作水排的缘由是“便民”。南阳作为汉代冶炼中心，又位于中原核心地带，在国家战争不断或和平时期下，无论是制作兵器还是制作农具，这里都有着繁重的冶铁任务。东汉初年，刚经历过战争，人力很少，为解决这一难题，杜诗发明了水排来节省民力。同时，水排的推广也是“民本思想”的体现。

韩暨：“韩暨字公至，南阳堵阳人也。……举孝廉，司空辟，皆不就。……荆州牧刘表礼辟，遂遁逃，南居孱陵界，所在见敬爱，而表深恨之。……太祖平荆州，辟为丞相士曹属。后迁乐陵太守，徙监冶谒者，旧时冶作马排，每一熟石用马百匹；更作人排，又费功力。暨乃因长流为水排，计其利益，三倍于前。在职七年，器用充实。制书褒叹，就加司金都尉，班亚九卿。”(《三国志·魏书·韩暨传》)

高隆之：“隆之身长八尺，美须髯，深沉有志气。……高祖之临晋州，引为治中，行平阳郡事。从高祖起义山东，以为大行台右丞。……转并州刺史，封平原郡公，邑一千七百户。隆之请减户七百，……又领营构大将军，京邑制造，莫不由之。增筑南城，周回二十五里。以漳水近于帝城，起长堤以防泛溢之患。又凿渠引漳水周流城郭，造治水碾硙，并有利于时。……”(《北齐书·卷18·列传第十·孙腾高隆之司马子如》)

由以上资料可以看出，正是在“民本思想”的指导下，出于爱惜民力的考虑，韩暨和高隆之对水排做出了进一步的改进和推广。魏国的韩暨，将马排改作水排，极大地节省了人力和畜力；后魏的高隆之有明确记载的是第一位通过人工导引水流来驱动水排的官员，这一举措使得水排不再受地理位置的局限，可以在较为远离水流的地方，人工创造条件驱动水排进行鼓风，更加方便了水排的推广。

总之，中国传统机械技术随着社会发展，在不断改进。但这种改进是由人来完成，作为特定时代的匠人，他们不可能脱离其所处的时代，他们的发明创造必然体现了其特定时代的思想，他们所发明创造的机械设备也必然打上时代的印记。正如柳宗悦所说：“人类智慧的异常的进展，促进了机械的发明，显示了人的智慧的种种胜利。”[14]这种“人类智慧的异常发展”必然通过具体的机械设备或工艺技术反映出来。作为中国机械史研究的一部分，也许发掘传统机械中的科学技术思想，才能更好地理解文献，才能更好地做好传统机械的复原工作。

[参考文献]

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[14] 柳宗悦.工艺文化[M].徐艺乙，译.北京：中国轻工业出版社，1991：61．

Thought of Science and Technology Embodied in Traditional Machinery——Acasestudyoflograft

DING Hong

(CollegeofMarxismStudies,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;Post-doctoralResearchCenteroftheInstituteforHistoryofNaturalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100010,China)

[Abstract]Traditional machinery is an important part of the traditional technology, whose construction, production and marketing reflect the producer and promoters themselves and their ideas of science and technology of the times. Log raft is a typical ancient hydraulic machinery for smelting iron and airing. The article studied the ancient thinking on science and technology embodied in log raft from its structure, power, operation and its invention and promotion by using the method of literature investigation together with physical research.

[Key words]traditional machinery;log raft;thought of science and technology

[收稿日期]2015-12-11

[作者简介]丁宏(1979-)，男，山西乡宁人，太原理工大学讲师；中国科学院自然科学史研究所博士后流动站研究人员。研究方向：中国古代史、科学思想史。

[中图分类号]G3

[文献标识码]A

[文章编号]1008-6285(2016)03-0092-06

*国务院综改项目“山西省构建新型农业社会化服务体系试点项目”理论子课题；山西省软科学项目“山西高校在太榆科技创新城中的作用研究——以太原理工大学为例”(0204178)之成果。