中国古代对活塞装置的利用与认识

温晓敏，段海龙

（内蒙古师范大学科学技术史研究院，内蒙古呼和浩特 010022）

活塞装置是中国古代器具中重要的组成部件，研究活塞的使用情况，可为中国古代机械史研究提供一条线索。已有学者在相关器械的研究中关注过中国古代的活塞装置，如李文、戴吾三“‘鞲鞴’译名考源”对西方活塞装置传入中国被译为“鞲鞴”的历史做了考证[1]，李约瑟对活塞装置进行专门研究，《中国科学技术史·机械卷》等书也专门对活塞装置进行相关论述等[2]。试图对活塞在中国古代的使用情况进行梳理，尝试探析古代活塞装置的演变过程，兼论中国古人对活塞的认识。

1 中国传统器具中活塞的使用

1.1 “唧筒”并非全是活塞装置

中国古代文献中，“唧筒”一词多用于灭火器具的称谓，但其装置不完全相同。有些“唧筒”结构简单，属于无活塞筒式汲喷器具。如成书于公元801年（唐贞元十七年）的《通典·兵典》中就有相关记载：

“敌若纵火焚楼堞，以粗竹长一丈，锼去节，以生薄皮合缝为袋，贮水三四石，将筒入于袋内，急缚如溅筒，令壮士三五人撮水口，急蹙之救火。每门常贮两具。如无竹，以木合桶，漆之而用，并小溅桶二十具兼助之。门内常以瓮贮水添用[3]。”

此段文献在宋代许洞的《虎鈐经》卷一五“守城具第六十五”中也有转录，显然并无活塞装置。苏轼（1036-1101）在《东坡志林》中描述了四川盐井中的“汲卤唧筒”：

“蜀去海远，取盐于井。陵州井最古，淯井、富顺盐亦久矣，惟邛州浦江县井，乃祥符中民王鸾所开，利人至厚。自庆历、皇祐以来，蜀始创筒井，用圜刃凿如碗大，深者数十丈，以巨竹去节，牝牡相衔为井，以隔横入淡水，则咸泉自上。又以竹之差小者，出入井中为桶，无底而窍其上，悬熟皮数寸，出入水中，气自呼吸而启闭之，一筒致水数斗。凡筒井皆用机械，利之所在，人无不知。”

据上述文献所述，汲卤筒主要作用是汲取盐卤。文中提及的“熟皮”实为“皮阀门”而非活塞。筒井主要是利用竹筒固定井壁隔绝淡水，并且结合竹筒空心的特性，将卤水从地下汲取上来。在提取卤水时，需要一根很长的汲卤竹筒，且汲卤竹筒的下端有一个侧洞，内置皮阀门，当汲卤竹筒往下放时，井内卤水会对竹筒末端产生向上的压力，筒内皮阀门受力向筒壁内张开，卤水灌入筒内。当提起汲卤竹筒时，筒内卤水下压，皮阀门自动封闭，使卤水不会漏出。然后把汲卤竹筒提起，用水钩勾取竹筒的侧洞，卤水自然流出。由上述描述可得知，汲卤竹筒的工作原理只是应用了简单的单向阀原理，属于一种无活塞筒式装置。

明代宋应星的《天工开物》中也明确记载有四川盐井中的吸卤器：

“盖井中空阔，则卤气游散，不克结盐固也。井及泉后，择美竹长丈者，凿净其中节，留底不去。其喉下安消息，吸水入筒，用长絙系竹沉下，其中水满。井上悬桔槔、辘轳诸具，制盘驾牛。牛拽盘转，辘轳绞絙，汲水而上。入于釜中煎练，顷刻结盐，色成至白[4]。”

此处吸卤竹筒与上述《东坡志林》所述的汲卤筒的原理相同，都无活塞装置，只是利用了单向阀门。

1.2 单筒活塞的出现

目前发现较早明确记载有活塞装置的应为北宋曾公亮著《武经总要》。其中记载“猛火油柜”（图1）：

“右放猛火油，以熟铜为柜，下施四足，上列四卷筒。卷筒上横施一巨筒，皆与柜中相通。横筒首大、细尾、开小窍，大如黍粒，首为圆口，径寸半。柜旁开一窍，卷筒为口，口有盖，为注油处。横筒内有拶丝杖，杖前缠散麻，厚寸半，前后贯二铜束，约定。尾有横拐，拐前贯圆掩，入则用闭筒口。放时以杓自沙罗中挹油注柜窍中，及三斤许。筒首施火楼，注火药于中使然（燃）。发火用烙锥。入拶丝，放于横筒。令人自后抽杖，以力蹙之，油自火楼中出，皆成烈焰[5]。”

从以上文献和图1 可以看出“猛火油柜”的工作原理。油柜内盛有猛火油，四个卷筒为抽油管，卷筒上横置一个粗筒，横筒与油柜相通。此横筒类似于一个唧筒装置，横筒内设有拶丝杖（图1 左）。拶丝杖充当一个往复运动的活塞，“抽杖”时，横筒中空气被抽出形成真空，大气压强将油柜中的油压入横筒内，完成吸油的过程。用力向前推拶丝杖，产生压力使猛火油喷出，完成喷油过程。当喷出的猛火油经过点火装置时，猛火油遇热燃烧成烈焰，用于烧伤敌人和焚毁战具，或在水战时焚毁敌人战舰。可见猛火油柜是古代攻防作战和水战的利器。

另外，在《武经总要》中还记载了竹质唧筒的历史，说：“唧筒，用长竹，下开窍，以絮裹水杆，自窍唧水”。此处“唧筒”，显然为活塞装置。军事上主要用它进行灭火，是我国宋代的一项伟大的发明，具有独创性的意义。此处裹絮之“水杆”显然是一个完整的“活塞”装置。

清代徐珂（1869-1928）《清稗类钞》“物品类”中“唧筒”条：

“唧筒为一圆筒，筒内有鞲鞴，柄出筒外，可上下移动。筒有二活罨，一向外开放，使水外出，而不内入；一向内开放，使水内入，而不外出；向内之活罨，外接进水管；向外之活罨，外接喷水管。抽水时以进水管入池井中，而上下其鞲鞴，鞲鞴上行时，水由进水管向活罨入筒；下行时，水由活罨向喷水管喷出。唧筒形式不一，大致相同。进水管长者曰吸上唧筒，管短而由喷水管喷至高处者曰压上唧筒，皆为激水至高处之用[6]。”

上述文献中提及的“鞲鞴”即“活塞”，在李文、戴吾三的“‘鞲鞴’译名考源”中，对西方活塞传入中国被译为“鞲鞴”的历史已做了考证。“活罨”是“阀门”。此处活塞运作时必须在一个密闭的容器内。由上述史料可知，《清稗类钞》中描述的唧筒内有活塞，抽水时（如图2 所示），进水管伸入池井中，当向上拉动活塞时，筒内的活罨（类似前文所述“皮阀门”）受压力开启，筒外的活罨闭合，使水由进水管流入筒内；当向下压活塞时（如图3所示），筒内的活罨闭合，筒外的活罨打开，水由筒外的活罨经喷水管喷出。

可见，此处“唧筒”不仅具有完整的活塞装置，还配有“阀门”，可实现持续工作状态。显然，《清稗类钞》中“唧筒”在技术方面继承了前文中“吸卤唧筒”中“皮阀门”的元素。从这个角度讲，中国古代活塞器械具有传承性和连续性。

1.3 活塞在风箱中的使用

中国古代活塞使用最普遍者，当属风箱。明代成书的《鲁班经匠家境》中有图，并附有文字描述：

“风箱的样式：长三尺，阔八寸，板片八分厚；内开风板，六寸四分大，九寸四分长。抽风擴仔八分大、四分厚，扯手七寸四分长，方圆一寸大。出风眼要取方圆一寸八分大，平中为主。两头吸风眼每头一个，阔一寸八分，长二寸二分。四边板片都用上行做准[7]。”

活塞式风箱是我国古代鼓风技术的最高成就，活塞器件的往复运动，提供了连续的风力，大大增强了工作效率，对冶金技术的发展起到了关键作用。从技术角度看，活塞式风箱便于制作，使用鸡毛就可以实现活塞的封闭功能。（图4 为其示意图）关于活塞式风箱，有好多学者从不同角度对其进行了论述。如戴念祖和张蔚河[8]、史晓雷[9]等人。

图4 双作用活塞式风箱构造图（采自冯立昇：《中国古代的双作用活塞风箱》）

清代郑复光（1780-约1853 年）在《费隐与知录》“风箱气法入大出小”中也有介绍。清人吴其濬（1789-1847 年）在《滇南矿厂图略》也记述了木风箱：

“炉器曰风箱,大木而空其中,形圆,口径一尺三四五寸,长一丈二尺。每箱每班用三人。设无整木,亦可以板箍代有,然风力究逊,亦有小者,一人可扯”。

此木风箱是呈圆筒形，口径大，长度长，故这样的风箱鼓风效果会相对好一些，但需三人操作，比较费力。这种风箱在清代后期广为流传。

清人徐珂《清稗类钞》“工艺类·制风箱”有：

“风箱以木为之，中设鞲鞴，箱旁附以空柜，前后各有孔，与箱通。孔设活门，仅能向一面开放，使空气由箱入柜。柜旁有风口，藉以喷出空气。用时，抽鞲鞴之柄使前进，则鞲鞴后之空气稀薄，箱外空气自箱后之活门入箱。鞲鞴前之空气由箱入柜，自风口出。再推鞲鞴之柄，使后退，则空气由箱后之活门入箱，鞲鞴后之空气自风口出。于是箱中空气喷出不绝，遂能使炉火盛燃[10]。”

目前发现最早记录活塞式风箱的一条文字史料，出自明嘉靖三十一年（1552 年）韩邦奇的《苑洛集》卷十八：“观今风匣可知进而吹固生风，退而缩亦生风。”另外一条是出自万历癸年的《重刻来瞿塘先生日录》的“内篇”第1 卷和第7 卷：“譬如扇铁扯风厢似，将手推去又扯转来。来复者是扯转来者，皆一气也。”除这些文献外，还发现在辽宁博物馆藏仇英本《清明上河图》在《石渠宝笈》著录[11]，也绘有活塞式风箱图，它完成于嘉靖二十二年（1534年）。

活塞式风箱不仅使用在冶铁等手工业中，还被作为日常鼓风工具广泛使用在各家各户中。直到上世纪八九十年代，在很多农村中还有一直在使用。将风箱和唧筒相比，共同之处是都同时采用了“活塞”和“单向阀门”，不同之处是唧筒主要用于液体（水或油）的抽取和喷射，风箱则用于气体的收集与鼓风。二者结构相似原理相同，成为中国古代器械体系中重要的组成部分。

2 西方传入中国的活塞器具

2.1 《泰西水法》中的“恒升车”和“玉衡车”

《泰西水法》是由徐光启和意大利耶稣会士熊三拨（Sabbathin of Ursis，1575-1620 年）合作著成，于1612 年（明万历四十年）出版。在《泰西水法》中，提及到一种机械“恒升车”：

《恒升车记》曰：“恒升车者，井泉挈水之器也，其用与玉衡车相似，而更速焉，更易焉，以之灌畦治田，致为利益矣。”

《恒升图说》：“恒升者，从下入而不出也，从上出而不息也。恒升之物有四:一曰筒。筒者，水所由入也，所以束水而上也。二曰提柱。提柱者，水所由恒升也。三曰衡轴。衡轴者，所以挈双提上下之也。四曰架。架者，所以居庶物也。四物者备，斯成器矣。更为之机轮焉，巧者运之，不可胜用也[12]。”

据上述记载，恒升车由筒，提柱、衡轴、架四部分组成，主要用来灌溉农田。恒升车工作原理如下：当压下衡的右端（即长端）时，恒升车的砧上升，砧上的舌闭合，砧下将形成真空，筒底的舌会开启，此时，大气压将井里的水压入筒内。提起衡的长端时，恒生车的砧将下降，砧上的舌开启，筒内水会升入砧上部。提砧时，水将会从出水管流出。可见，恒升车也是利用砧的往复运动达到持续出水灌溉的目的。

清初纳兰成德认为恒升车的工作原理与中国古代风箱相同。的确，恒升车和风箱都是利用往复运动的活塞达到自身要实现的目的。

《泰西水法》中提到的玉衡车，也是取井泉之水的器具，是一种双筒活塞式压水机，见图5所示。

《玉衡车记》曰：“玉衡车者，井泉挈水之器也。”

《玉衡图说》：“玉衡者，以衡挈柱，其平如衡，一升一降，井水上出，如趵突焉。玉衡之物有七:一曰双筩(即双筒)。双筒者，水所由代入也。二曰双提。双提者，水所由代升也。三曰壶。壶者，水之总也，水所由续而不绝也。四曰中筒。中筒者，壶水所由上也。五曰盘。盘者，中筒之水所由出也。六曰衡轴。衡轴者，所以挈双提下上之也。七曰架。架者，所以居庶物也。七物者备，斯成器矣。更为之机轮焉，巧者运之，不可胜用也[13]。”

图5 玉衡车（采自《泰西水法》卷六，中华书局1956年版）

据上述文字描述，玉衡车具灌溉效率高、比较轻便，而且结构牢固，提高了农业灌溉效率。关于玉衡车的工作原理，《泰西水法》卷三十八中有这样的记载：

“旋坚木以为砧（此处“砧”就是指现代意义的“活塞”），砧入于双筒也，展转之。砧之心而立之柱。砧升，则舌开而水为之入；砧降，则舌合而水为之不出。水之入而不出者，舌也。舌之开阖者，砧也。砧之上下者，柱也。舌阖矣，水不出矣，砧又下焉，水将安之？则由筒之管而升于壶，左右相禅也。故曰双提者，水所由代升也。”

可见，玉衡车如同将两个恒升车并联到一起，两个恒升车此起披伏，持续供水，大大提高了工作效率。《泰西水法》中详细介绍的这两种农用提水机械，为当时中国农业引进新的机械而注入新的活力。

2.2 《奇器图说》中的“水铳”

《奇器图说》是由德国传教士邓玉函（Jeannes Terrenz）口授，王徵笔述和绘图，两人于1627年（明天启7 年）在我国出版的一部介绍西方机械原理的专著。其中此书卷三中，介绍了当时流行于欧洲用于灭火机械水铳。（如图7所示）

“先铸两铜筒，如甲，其容之广，从二寸或至十寸，任人意为之，其高少或一尺多或一尺有半，内容务上下相等，其底要最坚厚，其气眼如乙，有鞲或在旁或在底或在底旁少许，但在底更便，旁安管少弯曲，向上如丙，各有小鞲，如丁上。有两乂总管，如戊，紧压合于两弯管上，无丝毫漏隙，为则鞲共四个，气眼入水处两个，弯管出入处两个，另有柁二具，如已，其柄以铁为之，其柁则铜，柁用两层铜，柁周围以满铜筒之，容为度铜柁。两层中间用软皮数层，挤实为则。两铜筒俱安一铜锅内，要极稳勿动为则，锅底要平。如无铜锅，坚大木桶亦可。于两铜筒之上，安横梁如庚，两旁中央安两铁孔，是两柁所由上下者，居中有铁天平立柱，其柱顶头有小转轴，眼上横安天平，长木担于两柁上下处，用环连于担上两端，多设平木桩，以便多人攀举。又有直角小管如辛，贯于总管出水上口之外，要最严密又要可周旋转动，使之四面八方去也。就中有小圆槽，施以短钉，务令可转而不可上，其必用槽用钉者，水力最大，不则冲之去矣。此管上又有直角管，但其嘴少长于辛为壬，其长少亦三尺，愈长其出愈远，但嘴必少弱于管身，为出水之势耳。直角长管与短管相贯处，亦必用槽用钉如前法，此管则一人用手可转，或上或下或正或斜，皆可向有火处施放之也。”

《奇器图说》中还特别指出了水铳的性能：

“此水铳可以灭火，可以御火，可以防火，乃新有之器其能力最便、最大、最奇，诸器所难比其功用者也，盖仓卒之际，火力正胜人不可近，但有此器则五六人可代数百人之用，又不空费一滴之水，不拘多高多远，皆可立到，有似大雨喷空无处不沾，不但可灭已焰之火，仍可预阻未燃之火。”

可见上述“水铳”结构颇为复杂，但其关键部件仍为活塞，即文中“铜柁”。而文中“鞲”“小鞲”等却指皮阀门。简单来说，水铳是利用两个铜筒（缸）中的两个铜柁（活塞）的往复运动，为水铳的两个铜筒中制造一个真空的环境，然后再利用人力往复的拉动铜筒内的铜柁，使水槽内的水压入弯管，最后使水沿出水口喷射出来，达到灭火的功效。可见，水铳巧妙地利用了两个同时交替工作的活塞装置，达到持续供水的灭火效果。其巧妙之处在于，利用两个相互连通的同时工作的唧筒，一个负责吸水，另一个负责喷水，如此循环往复，保证喷出的水具有连续性，并且射程较远，灭火效果更好，达到了理想的灭火效果，其原理与“玉衡车”类似[14]。

无论是《泰西水法》中的“恒升车”“玉衡车”，还是《奇器图说》中的“水铳”，核心部件都采用了活塞，其原理都是利用活塞往复制造真空，利用大气压强，达到吸取（或喷射）气体或液体的目的。

3 结语

中国和西方的机械中，都出现在了活塞装置，并广泛使用在生产生活中。不论是中国的“猛火油柜”还是西方传进的“恒升车”“玉衡车”，其原理、结构都大同小异，都利用大气压强达到作功的效果。

在古代中国，没有对“活塞”的统一称谓，大多以结构形制或功能称之，如北宋《武经总要》中“拶丝杖”“絮裹水杆”、郑复光《费隐与知录》中的“橐龠”以及“鞲鞴”等。包括西方活塞器械传入，在翻译过程中，也大都按照中国原有的习惯，将其称之为“砧”（《泰西水法》）、“铁键”（《博物新编》）、“柁”（《奇器图说》）或者“鞲鞴”。当然，也有文献较早译作“活塞”（见1871年的《格物中法》、1892年薛福成的《出使英法义比四国日记》、1918 年许景澄的《许文肃公遗稿》等）。可见，中国古代活塞使用广泛，实践丰富，但并没有将其系统化、抽象化，难以上升到理论层面。

从技术角度来看，《清稗类钞》中“唧筒”在技术方面继承了前文中“吸卤唧筒”中“皮阀门”的元素，中国古代活塞器械具有传承性和连续性。活塞装置在古代的发明与发展是中国机械史中的一个重点，且活塞装置的发展和同时代社会整体机械设计与制造水平息息相关，也对于认识活塞装置的形成、传播和演变具有重要的意义。