桔槔汲水的科技应用

李广进

在中国古代的农业社会，掌握利用水资源的能力是不可或缺的。古人除了修建大大小小的水利工程充分地利用地表水之外，掘凿水井提取地下水来满足小规模的农业生产和日常所需也是寻常之事。

中国古人对水井的利用大概源自日常饮水的需求，至汉代逐步发展到“上可治田”的灌溉领域。当然，灌溉所需的井口数量要远远多于日常生活所需。北京复兴门外蔡公庄附近曾有古井群的遗址发现，井口密集度最大的地方每平均1.5平方米就挖有一口水井，因此考古学家推测，如此高密度的井口应为灌溉所用。

把井水从地下提出到地面，主要会用到辘轳和桔槔（jié gāo）两种提升装置。辘轳的发明稍晚于桔槔，但是它不受井水水位高低的影响，而桔槔受自身汲綆（悬吊汲瓶的绳索）长短的限制，则只适用于浅井。

据科学推测，桔槔的发明不晚于春秋时代，至秦汉时期，它的使用已经非常普遍了，这在诸多的汉画像石上也有所体现。

用一根木棒，围绕一个固定的支点转动而进行工作，可以达到省力的目的，智慧的古人似乎很早就明白了这个道理。比如“耒（lěi）”的应用便是一例。耒是中国最古老的农具，它由尖头木棒发展而来，添加上脚踏横木后便应是最初的古耒样式。耒的用途主要是翻松土壤，或点播种植谷物。

而桔槔的设计内涵则可称作中国古人利用杠杆原理的典范。桔槔树立的木桩或木架是固定不变的，与竖桩垂直的水平方向设有横木，竖桩与横木交叉的地方是“支点”，横木依支点可以上下左右转动;横木的一端捆绑有石块类的重物，另一端则用绳索悬吊汲瓶进行汲水。在汲水的过程中，绑有重物的一端，受重力的作用会产生辅助提升的效果，从而达到省力的目的。

汲水所用的汲瓶呈尖底状，这在“武荣石室”的画像中，也能清晰地观察到。尖底状的陶瓷器物，无论是在考古发掘中还是在各大博物馆的收藏中，数量都委实不少。但是，尖底状的陶瓷器物发明在先，水井应用在后，也是考古事实。不过，无论桔槔所用的尖底瓶形制如何，尖底瓶于汲水过程中所体现的科学原理则是一样的。

由于尖底瓶的底部呈尖状，因此它的重心便在其腰部以上，空瓶时呈现出不平稳的状态，容易倾倒。当把空瓶置于水中时，倾倒之后，水便从口部流入，瓶内底部随着注水量的增多而不断加重，此时重心也会随之慢慢下移;重心下移后的表现便是汲瓶在水中的自动扶正，而此时的水还会不断地涌入瓶内，待瓶中灌满水后，重心会再次上移。此时如果把汲瓶提出地面，由于汲瓶仍然处在不稳固的状态，如果欲把水灌于渠中或倒入其他器皿，正是这种倾倒的状态节省了抬翻汲瓶的步骤，从这个层面来讲也属于省力的巧妙应用了。

桔槔的使用历史非常悠久，在电气化灌溉和汲水装置没有被普及以前，曾广泛应用于人们的生产和生活中，以简单的方式为中国的古代农业生产和人类的日常所需提供了巨大的便利。