随风摇转谈风车

陈巍，理学博士，现为中国科学院自然科学史研究所副研究员。主要研究科技知识在古代世界的传播并把世界连为一体的历程。喜爱“上穷碧落下黄泉”，品鉴各个文明在应对相似问题时展现出的智慧。

“大将军八面威风，小桅子随风转动。上戴帽子下立针，水旱两头任意动。”这首民间诗歌好似一个谜语，讲述了一种在历史上曾创造巨大效益的技术发明，它就是中国古代的大风车。

中国传统风车又叫立帆式大风车或立轴式龙骨水车，是一种由风力驱动使轮轴旋转，进而带动龙骨水车或者水磨，从而取水灌溉或者磨麦的机械。因其体形巨大，“大风车”是其民间俗名。顾名思义，大风车利用气流推动叶帆，只能设置于多风地带才可有效运行，因此它常出现在风力丰富的季风气候地区。在这些地方，它可以替代人力或畜力，改善水车的工作效率。

有从走马灯说起

关风车早期的记载比较简略，从西汉关于走马灯的记载看，当时人们已经知道利用热气创造风力，驱动绕立轴旋转的叶片。辽阳三道壕东汉晚期汉墓壁画是中国风车最早的图像，所绘风车有6 ～ 8 副像船帆那样的篷，分布在1根垂直轴周围，推测风车的发明可能受到船帆的启发。风吹起来，篷就像走马灯般带动轴转动。这种直接把篷插在轴上的风车形态还比较原始，就像直接把桨片插到轴上的水轮一样，规模较小、效率也比较低。如要加大对风力的利用程度，就须像车轮那样，把辐条与帆篷分离，让受力的帆安置在环绕辐条外端的辋上。这样立轴式大风车就出现了。

虽然还不清楚立轴式大风车的具体创始年代，不过不少古籍都描述了它的结构特点及工作原理。最早的文献记载见于南宋初年刘一止（公元1078—1160 年）的《水车》一诗（收于其《苕溪集》）：“老龙下饮骨节瘦，引水上诉声呷呀。初疑蹙踏动地轴，风轮共转相钩加。”诗人出游时看到龙骨水车，原以为水车要以人力踩动横轴驱动，仔细察看后才发现居然是挂有风帆的风轮钩在上面驱动的。刘一止居住的浙江湖州拥有丰富的风力资源，附近太湖及其支流水网密布，把水面帆船的风帆应用到龙骨水车上，是合理的发展。

2个世纪之后，童冀（约1324—1390）在《水车行》中较为详细地描述了湖南南部零陵一带风力翻车的构造尺寸和使用情景。他记录风轮的直径三丈（约9.6 米），这和民国初年渤海海滨所用风车的风轮直径10 米接近。童冀还记述这里的风车昼夜轮转不辍，对农业生产帮助很大。类似风车也见于清朝周倬的《浏阳水车歌》等作品。周倬说风车因为效益可观，常为农村集体所有，大家一起使用，也要一起出力维护它。

木构巨人

明清时期风力龙骨水车在风力丰沛的高山旷野、海滨大泽等地区都很盛行，由于它的构造与欧洲风车存在鲜明差异，17 世纪以来许多欧洲旅行者都注意到了它，从西方视角对其构造进行描述或绘图。而反过来，中国人也从外国人口中也得到了欧洲风车的信息。清初著名词人纳兰性德（1655—1685）说：“西人风车，藉风力以转动，可省人力。此器扬州亦有之，而不及彼之便易。”

20 世纪初，风车还在沿海地区的盐场大量使用。新中国成立初期，渤海湾滨海地区的传统大风车不下数千架。1957 年拍摄的电影《柳堡的故事》许多画面背景还能看到运转中的立轴式大风车，这部影片柔美缠绵的电影插曲曾风靡全国，里面两句唱词“风车呀风车那个咿呀呀地转哪，哥哥惦记着呀小英莲”即与风车有关。

随着电动机或内燃機水泵的兴起，具有体积庞大、占地面积较多等缺点的大风车在短短几十年间渐趋绝迹。幸好20 世纪末到21 世纪初技术史学者遍访苏北等地能够制作大风车的工匠，经过研究和复原，抢救保留了这项曾发挥卓越效用的传统技艺的工艺细节。

传统大风车以木结构为骨干，技艺高超的木匠把多种质地的木料经过一系列工序加工成功用各异的零部件。铁匠协助制作轴承、钉子等承重或连接件。家庭作坊则把耐水耐晒的布或蒲草加以裁剪缝合，制成风帆。经过共同协作，一部高约8 米、回转直径约10 米的壮硕巨人最终得以矗立于田间地头或河渠之畔。

立轴风车与船帆存在许多技术上的联系。例如作为整部风车骨架的枢纽和中心转轴的中轴又称“车心”或“大将军”，这与古人对帆船桅杆的称呼相同。中轴上端安装“将军帽”，下端嵌入“地扁担”，由一根针状铁柱顶起，两端构件形成两副滑动轴承。中轴及其所支撑共计700 余千克重量的风车，在铁针上自由转动，这样可以最大限度减小摩擦力，能够在风力吹动下轻松旋转。

中轴尺寸决定着风车的大小与形式，它向外延伸出类似八棱柱的框架结构，即上下各接8 根辐杆，辐杆外侧与竖立的桅子两端榫接。为加固这一框架，可在桅子下部设置斜向支撑“剪”，形成稳定的三角形结构。8 张风帆每张长约4 ～ 4.5 米，宽2 米，均用提头悬挂在箍头，侧面用绳索附着于桅子，就可以构成风轮。

在下部辐杆以下，是用辐条榫接成的水平大齿轮。风车旋转带动齿轮，再通过啮合的小齿轮传动到龙骨水车的上轮。小齿轮上的装置能调节齿轮之间的啮合与分离，起到离合器的作用。

立轴大风车的风帆巧妙借用了中国式船帆的结构与操控方式。每面帆上端吊挂脚索，通过收放脚索，可以调节帆与风向的相对角度及挂帆高度，从而在不同风速时保持稳定转速。风帆升起后，不论风向如何，当风帆转到顺风一边，它自动与风向垂直，受风面积最大；当风帆转到逆风一边时，就自动与风向平行，所受阻力最小。风车可以接受任何方向的来风，且不需要增设迎风装置，操控运行便捷、灵活。调整好帆角和挂帆高度，经过测试，在3 ～ 4 级风速条件下，风车运转可达每分钟3 转以上，可以同时驱动2 台甚至3 台翻车。

西式风车

前面提到早在纳兰性德时代，中国人就知道西方风车了。而风车在西方起源和发展的时间也很早。公元1 世纪生活在埃及亚历山大城的希罗（Hero ofAlexandria）发明过一种汽转球，和走马灯很类似，学者们将其视为地中海沿岸风车的雏形。

与中国用于提水的风车不太一样的是，其他文化里的风车常用于磨坊。公元700—900 年间，位于现在伊朗东部的锡斯坦和呼罗珊南部等地区，兴起一种风车。这个地方每年5 月到9 月多刮从伊朗中部和阿富汗西部沙漠吹来的强风，称作“120 天风”。风速通常为每小时30 ～ 40 千米（相当于5 级风），甚至100 ～ 110 千米，从而促使这里发明了称作“阿斯巴德”（Asbad）的风磨。锡斯坦人往往在城镇上风向的高处并排修建风车，一串风车的数量时常可达40 座，共同担负起一座城镇碾磨面粉的任务，同时消耗掉风能，降低风速，抑制狂风袭击城镇的风险。

李约瑟等学者曾认为蒙古帝国统治期间，伊朗风车传入中国。但伊朗风车的帆位于辐而不是辋上，不管形态结构、并排分布还是具体用途，和中国风车都有较明显差异，二者更可能是分别独立起源的。荷兰技术史家福布斯则提出伊朗风车带给欧洲的影响。11 世纪，与伊斯兰文化接触的西班牙、葡萄牙和地中海北岸出现了风车。但其立轴变成略为倾斜的水平轴。在西西里，人们也和中国人一样，修建风车抽出海水晒盐。

现代我们熟悉的以十字架风翼为代表的西欧风车形态又很独特，它最早可确定于1185 年出现在英国的约克郡。由于中世纪英国水能的产权通常属于教会和贵族，因而风车更多被平民或资产阶级修建使用。14 世纪，荷兰人使用风车为低洼地带排水，由此开启了这个风车王国的传奇历程。

19 世纪末之后，欧洲人开始赋予风车以新的功能，那就是发电。这类机械到20 世纪30 年代开始小型化，成为多风的偏远小岛和乡村首选的供电来源。进入21 世纪后，中国风电更是发展迅速，在多项统计中都远超其余国家。从立轴式大风车到今天的风力发电，虽年代相隔遥远，但其本质并非全然差异。可以说中国先民在利用这项清洁能源方面作出了伟大贡献。