背景简介

筒车也称流水筒车，水转筒车或简称筒轮，是一种以水流作动力，取水灌田的工具。

筒车约发明于隋唐，唐诗人刘禹锡有《机汲记》加以描述，诗圣杜甫也有“连筒灌小园”的诗句。据《太平广记》记载，唐朝初年，寺庙僧人浇园时，“以木桶相连，汲于井中。”因为结构简单，造价低廉，且维修方便，其在宋代已广泛流行于民间，直至今日，云、桂、川、甘、陕、粤等地仍使用之。

原理和结构简介

筒车其主要机构是一个水轮，其原理为：在水流很急的岸旁打下两个硬桩，制一大轮1，将大轮的轴2搁在桩叉3上。大轮上半部高出堤岸，下半部浸在水里，可自由转动。大轮轮辐外受水板上斜系有一个个竹筒4，岸旁凑近轮上水筒的位置，设有水槽5。当大轮受水板受急流冲激，轮子转动，水筒中灌满水，转过轮顶时，筒口向下倾斜，水恰好倒入水槽，并沿水槽流向田间。此种筒车日夜不停车水浇地，不用人畜之力，功效高。筒车的水筒与水轮联成一体，既是接受水力的驱动构件，又是提水倒水的工作构件，其机构简明紧凑，设计构思巧妙。

筒车包括戽车、卫转筒车、高转筒车等许多种类。如果在水轮轴外端安装一立轮，使其与一牛转平轮相啮合。这样的筒车就成为牛转筒车或卫转筒车。此外，尚有“畜力筒车”，依靠齿轮传动带动筒车；“高转筒车”，通过两大轮，将低处之水带向高处，结构均巧妙合理，为我国古代人民杰出发明。高转筒车可表于水岸陡高之处。它的特点是，盛水筒构成筒链、绕过水轮与上轮之周边，古称“筒索”。筒链上升一边，因盛水筒而加重，故作一平板槽承之。高转筒车上轮轴可设人踏、牛转之机，也可以在水轮轴上附设水转之机。

有关筒车的最早记载是约九世纪时陈廷章的《水轮赋》，其时筒车的制作已有一定的规程。唐陈廷章《水轮赋》：“水能利物，轮乃曲成。升降满农夫之用，低徊随匠氏之程。始崩腾以电散，俄宛转以风生。虽破浪于川湄，善行无迹；既斡流于波面，终夜有声。”

五代十国时期，偏安成都的后蜀，在王宫内的摩诃池畔架起高转筒车提水，持续向王宫屋顶浇水降温。南宋筒车不仅在城市、运河的供水中使用，在农田灌溉中也有应用的记载。当时有人写了一篇游记，描述了其在广西兴安的见闻，记下了田野“筒车无停轮，木枧著高格”的景象。

宋梅尧臣《水轮咏》：“孤轮运寒水，无乃农自营。随流转自速，居高还复倾。”《宋史.太祖纪三》：“六月庚子，步至晋王邸，命作机轮，挽金水河注邸中为池。”宋李处权《土贵要予赋水轮》诗：“江南水轮不假人，智者创物真大巧。一轮十筒挹且注，循环下上无时了。”明王临亨《粤剑编》卷三：“水车，每辐用水筒一枚，前仰后俯，转轮而上，恰注水槽中，以田之高下为轮之大小，即三四丈以上田，亦能灌之，了不用人力。”

元代王祯《农书》对筒车有很详细的介绍，且配有图谱。

知识点

1、筒轮是一种以水流作动力，取水灌田的工具。

2、筒轮是一种可以自行提水的灌溉机械，转动不需要其它的动力，而且大立轮愈大，所产生的驱动力矩也愈大；大立轮重量愈小，动力性能愈好。

3、筒轮是实现一个回转运动。

背景简介

筒车又称“水轮”，属于提水机械，最早出现在晚唐，用于灌溉水稻。其结构是：以木或竹制成大型立轮1，用横轴2架起，轮周斜装若干小木筒或竹筒3，轮的下部浸入水中；水激轮转，浸入水中的小筒被水灌满，当水轮转到上部时，小筒自动将水倾泻入木槽4中。

原理简介

高转筒车是筒车的一种。所谓高转筒车是指其提水高度较一般筒车加大，必须藉助湍急的河水冲动。这种筒车的适用范围是水很低而岸很高，应用其它筒车不可能将水提升到这么高，而应用高转筒车时，水的提升高度可以很高。如下图为王祯《农书》描绘的高转筒车，属于提水机械。以人力或畜力为动力，外形如龙骨车，其运水部件如井车，其上、下都有木架，各装一个木轮，轮径约四尺（明代一尺约合0.32公尺）轮缘旁边高、中间低，当中做出凹槽，更显凹凸不平，以加大轮缘与竹筒的摩擦力。下面轮子半浸水中，两轮上用竹索相连，竹索长约一尺，竹筒间距离约五寸，在上下两轮之间、在上面竹索与竹筒之下，用木架及木板托住，以承受竹筒盛满水后的重量。高转筒车也用人力或畜力转动上轮。绑着竹筒的竹索是传动件，当上轮转动时，竹索及下轮都随着转动，竹筒也随竹索上下。当竹筒下行到水中时，就兜满水，而后随竹索上行，到达上轮高处时，竹筒将水侵泻到水槽内，如此循环不已。带动连成串的小竹筒盛水，沿水槽而上，可在高岸上从低水源地区取水。

历史记载

王帧《农书》记载：“高转筒车．其高以十丈为准，上下架木，各竖一轮，下轮半在水内，各轮径可四尺。轮之一周，两旁高起，其中若槽，以受筒索。其索用竹，均排三股，通穿为一。随车长短，如环无端。索上相离五寸，俱置竹筒。筒长一尺，筒索之底，托以木牌，长亦如之。通用铁线缚定，随索列次，络于上下二轮。复于二轮筒索之间，架刳木平底行槽一连，上与二轮相平，以承筒索之重。或人踏，或牛拽转上轮，则筒索自下兜水循槽至上轮，轮首覆水，空筒复下。如此循环不已，日所得水，不减平地车戽。若积为池沼，再起一车，计及二百余尺。如因高岸深，或田在山上，皆可及之，今平江虎邱寺剑池亦类此制，但小小汲饮，不足溉田，故不录。此近创捷法，已经较试，庶用者述之。”

由此可知，高转筒车由上1、下轮2、简索3、支架4等部件组成。下轮有一半埋于水中，汲水高程可达十丈，如两架筒车配合则可达二十丈。汲水筒5长约一尺，以索相连成链环状，筒的间距为五寸，索链用竹制成。从传动方式看，高转筒车也是链传动的实例。它以上轮为主动轮，由于动力不同。轮抽部件构成有所变化。“所转上轮，形如框制，易缴筒索。用人则于轮轴一端作棹枝，用牛则制作竖轮，如牛转翻车之法，或于轴两端造作拐木，如人踏翻车之制”。

高转筒车的发明年代，从文献考察可推断在唐代。唐人刘禹锡的《机汲记》和陈廷章的《水轮赋》都形象地描绘了高转筒车的功能。

刘禹锡记载高转筒车说：“……由是比竹以为，置于流中。中植数尺之臬、辇石以壮其趾，如建标焉。索绚以为縆，縻于标垂，上属数仞之端，亘空以峻其势，如张弦焉。锻铁为器，外廉如鼎耳，内键如乐鼓，牝牡相函，转于两端，走于索上，且受汲具。及泉而循绠下缒，盈器而圆轴上引。其往有建瓴之驶，其来有推毂之易，瓶繘不羸，如博而升。枝常澜，出高岸，拂林杪，逾峻防。刳蟠木以承澍，贯修筠以达豚，走下潺潺，声寒空中。通洞环折，唯用所在。周除而沃盥以蠲，入爨而锜釜以盈。饪餗之余。移用于汤沐。濯浣之末，池注于圃畦”。

陈延章在《水轮赋》中歌颂水车的威力说：“水能利物，轮乃曲成，……始崩腾以电散，俄宛转以风生，……观夫斵木而为，凭河而引，箭驰可能而滴沥，辐凑必循手规准。……殊辘轳以致功，就其深矣；鄙桔槔之烦力，使自趋之。……回环润手嘉毂，洊至逾于行潦，钩深致远，沿洄而可使在山……。”从“使自趋之”和“沿洄而可使在山”等字句，可以看出这种高转筒车是着重轮毂，利用水力推动把水引到高远的地方。

知识点

1、高转筒车属于提水机械，以人力或畜力为动力。

2、高转筒车由上、下轮、简索、支架等部件组成。

3、下轮有一半埋于水中，汲水高程可达十丈，如两架筒车配合则可达二十丈。

4、汲水筒长约一尺，以索相连成链环状，筒的间距为五寸，索链用竹制成。从传动方式看。高转筒车也是链传动的实例。

5、高转筒车以上轮为主动轮，由于动力不同，轮抽部件构成有所变化。“所转上轮，形如框制，易缴筒索。用人则于轮轴一端作棹枝，用牛则制作竖轮，如牛转翻车之法，或于轴两端造作拐木，如人踏翻车之制”。

6、高转筒车是一种具有搬运链性质的机械，是现代斗式提升机和刮板输送机的雏形。

7、高转筒车的发明年代，从文献考察可推断在唐代。唐人刘禹锡的《机汲记》和陈廷章的《水轮赋》都形象地描绘了高转筒车的功能。

背景简介（也叫翻车）

现在农村使用电动水泵进行农田灌溉是很普遍的，可是在二三十年前，农用水泵尚未普及使用，我国农田灌溉，基本上还是使用木制的汲水装置——龙骨水车。

原理和结构简介

龙骨水车的称呼来自民间，南宋陆游《春晚即景》：“龙骨车鸣水入塘，雨来犹可望丰穰。”目前见到的史料中，这是最早的出处。这种水车主要由木链、水、刮板等组成，节节木链似根根龙骨，因此得名龙骨水车。龙骨水车适合近距离，提水高度在1～2米左右，比较适合平原地区使用，或者作为灌溉工程的辅助设施，从输水渠上直接向农田提水。用于井中取水的龙骨水车是立式的，水车的传动装置有平轮和立轮两种以转换动力方向。它提水时，一般安放在河边，下端水槽和刮板直伸水下，利用链轮传动原理，以人力（或畜力）为动力，带动木链周而复始地翻转，装在木链上的刮板就能顺着水把河水提升到岸上，进行农用灌溉。这种水车的出现，对解决排灌问题，起了极其重要的作用。最初的龙骨水车是用人力转动的，后来我国人民又创制了利用畜力、风力、水力等转动的多种水车。

唐宋以来农田灌溉、排水及运河供水中，龙骨水车是使用最普遍的提水机械，特别是南方大兴围田之后，对低水头提水机械的需求更加普遍。元代王祯《农书》绘制了不同动力的龙骨水车的图谱，其中人力水车有脚踏、手摇等，畜力水车有牛车、驴车等。

由于这种龙骨水车结构合理，可靠实用，所以能一代代流传下来。直到近代，随着农用水泵的普遍使用，它才完成了历史使命，悄悄地退出历史舞台。龙骨水车作为灌溉机具现在已被电动水泵取代了，然而这种水车链轮传动、翻板提升的工作原理，却有着不朽的生命力。就拿我们的海岸、港口经常能见到的疏浚河道的斗式挖泥机来说吧，那一只只回转挖泥的泥斗，就是从水车的提水翻板脱胎而来的。因此一看到挖泥机，人们就仿佛见到了古老的龙骨水车。

知识点

1、龙骨水车是使用最普遍的提水机械。

2、用于井中取水的龙骨水车是立式的，水车的传动装置有平轮和立轮两种以转换动力方向。

3、利用链轮传动原理。

在利用人力获取水的同时，中国古人也注意到了水中所蕴含的能量，并因此创造出水碓、水排和水磨等机械工具将水能转化为机械能，用于农业和手工业生产。

中国西汉时期就已出现水碓，它除加工粮食外，还有捶纸浆、碎矿石等多种用途。水碓的传动方式是由水流冲动立式水轮，轮轴上的短横木拨动碓梢，促使碓头一起一落进行舂捣。水排是一种水力驱动的冶炼鼓风机，它由水轮带动连杆以推动鼓风。水排在东汉初年即已成形，比欧洲类似机械的出现要早1000多年。水磨在魏晋南北朝时期已见记载，又称水□。水磨的水力传动部分有卧轮式和立轮式两种，通常由一只立轮或一只卧轮与若干齿轮相接，每只齿轮则对应一只石磨。流水推动立轮或卧轮转动，轮盘再将能量传递至齿轮，从而带动石磨转动。

背景简介

我国劳动人民不仅创造了用水力推动鼓风机铸铁，而且进一步利用水力、杠杆和凸轮的原理去加工粮食，这种用水力把粮食皮壳去掉的机械叫水碓。

原理和结构简介

水碓，又称机碓、水捣器、翻车碓、斗碓或鼓碓水碓，是脚踏碓机械化的结果。西汉末年出现的水碓，是利用水力舂米的机械。水碓的动力机械是一个大的立式水轮，轮上装有若干板叶，转轴上装有一些彼此错开的拨板，拨板是用来拨动碓杆的。每个碓用柱子架起一根木杆，杆的一端装一块圆锥形石头。下面的石臼里放上准备加工的稻谷。流水冲击水轮使它转动，轴上的拨板臼拨动碓杆的梢，使碓头一起一落地进行舂米。值得注意的是，立式水轮在这里得到最恰当最经济的应用，正如在水磨中常常应用卧式水轮一样。利用水碓，可以日夜加工粮食。凡在溪流江河的岸边都可以设置水碓，还可根据水势大小设置多个水碓，设置两个以上的叫做连机碓，最常用是设置四个碓，《天工开物》绘有一个水轮带动四个碓的画面。

最早提到水碓的是西汉桓谭的著作。《太平御览》引桓谭《新论·离车第十一》说：“伏义之制杵臼之利，万民以济。及后世加巧，延力借身重以践碓，而利十倍；又复设机用驴骡、牛马及投水而舂，其利百倍。”这里讲的“投水而舂”，就是水碓。

从《新论》一书看来，早在公元前后，水轮带动杆碓，已非新奇之事。汉安帝永建四年（公元129年），尚书仆射虞诩上疏，建议在陇西羌人住地筑河槽、造水碓。从此边远地区遍布“水舂河漕”、“用功省少，军粮饶足”。更有甚者，晋王爵公主的水碓多到“遏塞流水，转为浸害”，以致不得不下令罢水碓，方使百姓获其便利。

魏末晋初（公元二百六十至二百七十年）杜预总结了我国劳动人民利用水排原理加工粮食的经验，发明了连机碓。水碓的构造大概是水轮的横轴穿着四根短横木(和轴成直角)，旁边的架上装着四根舂谷物的碓捎，横轴上的短横木转动时，碰到碓捎的末端。把它压飞，另一头就翘起来，短横木转了过去，翘起的一头就落下来，四根短横木连续不断地打着相应的碓梢，一起—落地舂米。

应当特别指出，晋代杜预造连机碓，可能是一个大水轮驱动数个水碓。入唐以后，水碓记载更多，其用途也逐渐推广。大凡需要捣碎之物，如药物、香料、乃至矿石、竹篾纸浆等等，皆可用省力功大的水碓。

继后不久，水磨又根据此原理被发明了。刘宋时代祖冲之造水碓磨，可能是一个大水轮同时驱动水碓与水磨的机械。这些成就表明古代水碓技术的大发展。至少可以说，杜预发明的连碓，是蒸汽锤出现之前所有重型机械锤的直系祖先。18世纪西方的锻锤，其实是水碓之复制品而已。

知识点

1、利用水力、杠杆和凸轮的原理去加工粮食。

2、水碓是脚踏碓机械化的成果。

3、使用立式水轮结构。

4、连机碓是一个大水轮驱动数个水碓，即一个原动机带动数个工作机的形式。

5、回转运动带动上下摆动输出运动。

背景和原理简介

水排是我国古代一种冶铁用的水力鼓风装置，在公元31年由杜诗创制，其原动力为水力，通过曲柄连杆机构将回转运动转变为连杆的往复运动。人类早期的鼓风器大都是皮囊，我国古代又叫“橐”。一座炉子用好几个橐，放在一起，排成一排，就叫“排囊”或“排橐”。用水力推动这种排橐，就叫“水排”。

关于水排的记载，最早见于《东观汉记》、《后汉书》等文献。《后汉书?杜诗传》称：“（建武）七年（31），遇南阳太守，……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。”唐李贤注：“冶铁者为排以吹炭，今激水以鼓之也。”这是关于杜诗在东汉初年（公元31年）到南阳做太守时制造水排之事的记载。杜诗创制的水排，具体的结构当时缺乏记载，直到元朝王祯在他著的《王祯农书》中，才对水排作了详细的介绍。

根据王祯的介绍，水排的结构是：选择湍急的河流的岸边，架起木架，在木架上直立一个转轴，上下两端各安装一个大型卧轮，在下卧轮（水轮）的轮轴四周装有叶板，承受水流，是把水力转变为机械转动的装置；在上卧轮的前面装一鼓形的小轮（“旋鼓”），与上卧轮用“弦索”相联（相当于现在的传送皮带）；在鼓形小轮的顶端安装一个曲柄，曲柄上再安装一个可以摆动的连杆，连杆的另一端与卧轴上的一个“攀耳”相联，卧轴上的另一个攀耳和盘扇间安装一根“直木”（相当于往复杆）。这样，当水流冲击下卧轮时，就带动上卧轮旋转。由于上卧轮和鼓形小轮之间有弦索相连，因此上卧轮旋转一周，可使鼓形小轮旋转几周，鼓形小轮的旋转又带动顶端的曲柄旋转，这就使得和它相连的连杆运动，连杆又通过攀耳和卧轴带动直木往复运动，使排扇一启一闭，进行鼓风。——（“其制，当选湍流之侧，架木立铀，作二卧轮；用水激下轮。则上轮所用通缴轮前旋鼓，棹枝一侧随转。其棹枝所贯行桄而推卧铀左右攀耳，以及排前直木，则排随来去，冶甚速，过于人力。”——王帧《农书》）

现传本王帧《农书》所绘原图有误，刘仙洲先生参考文字叙述绘出了稍加修正的水排图。

杜诗创制的水排，不仅运用了主动轮、从动轮、曲柄、连杆等机构把圆周运动变为拉杆的直线往复运动；还运用了皮带传动，使直径比从动轮小的旋鼓快速旋转。它在结构上，已具有了动力机构、传动机构和工作机构三个主要部分，因此实际上可以看作是现代水轮机的前身，水排的出现标志着中国复杂机器的诞生。

远在一千四百多年以前的今天，就能创制出这样完整的水力机械，确实显示了中国古人的高度智慧和创造才能，在世界科技史上占有重要的地位。在欧洲，使用水力鼓风设备的鼓风炉到公元十一世纪才出现，而普遍使用却是十四世纪的事了。

水力鼓风有十分重要的意义，它加大了风量，提高了风压，增强了风力在炉里的穿透能力。这一方面可以提高冶炼强度，另一方面可以扩大炉缸，加高炉身，增大有效容积。这就大大地增加了生产能力。足够强大的鼓风能力，足够高大的炉子，是炼出生铁的必要条件。欧洲人能在十四世纪炼出生铁来，和水力鼓风的应用是有一定关系的。水排的发明是人类利用自然力的一次伟大胜利。

同济大学陆敬严教授课题组研究与复原的实物模型照片见右侧。

知识点

1、水排是我国古代一种冶铁用的水力鼓风装置。

2、利用水力作为原动力。

3、通过曲柄连杆机构将回转运动转变为连杆的往复运动。

4、不仅运用了主动轮、从动轮、曲柄、连杆等机构把圆周运动变为拉杆的直线往复运动；还运用了皮带传动。

5、在结构上，已具有了动力机构、传动机构和工作机构三个主要部分，因此实际上可以看作是现代水轮机的前身，水排的出现标志着中国复杂机器的诞生。远在一千四百多年以前的今天，就能创制出这样完整的水力机械，确实显示了中国古人的高度智慧和创造才能，在世界科技史上占有重要的地位。

背景和原理简介

水磨是用水力作为动力的磨，大约在晋代就发明了。水磨的发展与杜诗发明水排有关。马钧大约在公元227至239年间创造一个由水轮转动的大型歌舞木偶机械，包括以此水轮带动舂、磨。无疑，这是根据当时流行的水碓、水磨而设计的。在马钧之后，杜预造连机碓，其中也可能包括水磨。祖冲之在南齐明帝建武年间（公元494至498年）于建康城（今南京）乐游苑造水碓磨，这显然是以水轮同时驱动碓与磨的机械。几乎与祖冲之同时，崔亮在雍州“造水碾磨数十区，其利十倍，国用便之”，这是以水轮同时驱动碾与磨的机械。可见水磨自汉代以来，发展蓬勃，而到三国时代，多功能水磨机械已经诞生成型。

水磨的动力部分是一个卧式水轮，在轮的立轴上安装磨的上扇，流水冲动水轮带动磨转动，这种磨适合于安装在水的冲动力比较大的地方。假如水的冲动力比较小，但是水量比较大，可以安装另外一种形式的水磨：动力机械是一个立轮，在轮轴上安装一个齿轮，和磨轴下部平装的一个齿轮相衔接。水轮的转动是通过齿轮使磨转动的。这两种形式的水磨，构造比较简单，应用很广。

从机械角度来看。它是由水轮、轴和齿轮联合传动的机械。从车轮到水轮是技术史、也是人类文明史进步的标志。仅从水碓、水磨的发展可见古代中国人在这方面取得的成就。从古代绘画中的卧轮水磨、立轮水磨和立轮式水转大纺车，可见在中国古代的各种机械中，安装卧轮还是立轮的决定，已经是根据当地水利资源、水势高低、齿轮与轮轴的匹配原则，从经济、便利等角度予以研究，并具体解决的。

王祯在其《农书》中所提及的水转纺车，其原理与水转碾磨相同：水轮轴带动纺车大轮，通过绳带传送，纺车大轮将运动传递到纺车各机件，这样，便可使整个机器转动起来。

知识点

1、水磨的发展与杜诗发明水排有关。

2、以水轮同时驱动舂、磨，同时驱动碓、磨，同时驱动碾与磨，多功能水磨机械到三国时代已经诞生成型。

3、从车轮到水轮是技术史、也是人类文明史进步的标志。仅从水碓、水磨的发展可见古代中国人在这方面取得的成就。

4、在中国古代的各种机械中，安装卧轮还是立轮的决定，已经是根据当地水利资源、水势高低、齿轮与轮轴的匹配原则，从经济、便利等角度予以研究，并具体解决的。

4、水转纺车，其原理与水转碾磨相同。

背景和原理简介

连机碓是谁发明的？明徐光启《农政全书·水利》说：“杜预作连机碓。”杜预（222～284年）西晋将领，又是学者，初为河南尹，继督荆州，拜镇南大将军，封当阳县侯，博学多通。所谓的连机碓，可能就是以水为动力的一种谷物加工工具。《晋书》记载，“今人造作水轮，轮轴长可数尺，列贯横木，相交如枪之制。水激轮转，则轴间横木，间打所排碓梢，一起一落舂之，即连机碓也。”即其工作时，以一个大型卧式水轮带动装在轮轴上的一排互相错开的拨板，拨板拨动碓杆，使几个碓头间断地相继舂米。

像洛阳一带，由于使用了连机碓来加工谷物，生产效率大大提高，使这一地区的米价得以下跌。到东晋时，连机水碓已经被广为应用，一直到清末民国初，历久不废，直至20世纪20年代以来才逐渐为柴油机碾米机所替代。显然，杜预发明连机碓对我国古代乃至近代的谷物加工做出了重要贡献。连机碓不仅用于粮食加工，还用于舂碎陶土、香料等，至今有的地方仍在使用。

知识点

1、连机碓，是以水为动力的一种谷物加工工具，使生产效率大大提高。

2、连机碓不仅用于粮食加工，还用于舂碎陶土、香料等，至今有的地方仍在使用。

背景和原理简介

加热空气，造成气流，并以气流推动轮轴旋转，按此原理造成的玩具就是走马灯。走马灯的发明，至晚在宋代。宋代吴自牧的著作《梦粱录》述及南宋京城临安夜市时，已指出其中有买卖走马灯的。周密《武林旧事》在记述临安“灯品”时也说：“若沙戏影灯，马骑人物，旋转如飞”。可见，走马灯在南宋时巳极为盛行。（引自明·徐光启《农政全书》）

历史记载

槽碓已开始利用水力，但非以水运转轮轴，而是以水槽取代踏碓人位置，槽容积约容一斗多的水，一般设在泉流较低处，用笕（竹管）引水注入槽中，槽水注满因重而下垂，而前稍翘起，槽水则泻下，则又后稍较轻，而前稍落下，如此即完成一舂。使用槽碓，没有时间限制，日夜不停运作，可得谷米两斛，至少可省两个人工。《农书》做了详细描述：“凡所居之地，间有泉流梢细，可选低处置碓一区，一如常之制，但前头减细，后梢深阔为槽，可贮水斗余，上芘以厦，槽在厦外，乃自上流用笕引水下注于槽，水满则后重而前起，水泻则后轻而前落，即为一舂，如此昼夜不止。”

知识点

1、槽碓是东汉时发明的粮食加工机械，用于谷物脱壳或粉碎。槽碓直接靠水的自重，通过杠杆原理上下运动而工作，多引山溪或泉水。

背景和原理简介

水力碾是魏晋南北朝时发明的谷物加工机械，用于谷物脱壳或去麸。水碾是中古时期较为先进的生产加工工具，特点主要是在技术上充分利用水利资源，借助水力带动碾硙进行加工生产。碾与磨比较，磨有上、下两扇磨盘，中轴直穿，下层固定，上层旋转，作滑动磨擦，而碾则只有一扇磨盘，中轴固定，上安横轴，轴上装滚轮旋转，作滚动磨擦。水碾的基本结构是在一扇大磨盘中设中轴，并装一根横轴，横轴一端装一个滚轮，利用水轮带动轴转，使滚轮滚动摩擦，将谷物脱壳或去麸，工效高于畜力碾。

历史记载

水碾是石碾里面的一种，下图1为元王祯《农书》描绘的石碾。石碾最早见于东汉文献记载，可用人力、畜力或水力驱动。王祯《农书》记载：“下作卧轮或立轮，如水磨之法，轮轴上端穿其碢榦，水激则辗随轮转，循槽轹谷，疾若风雨，日所毇米，比于陆辗，功利过倍。”

《魏书》记载崔亮“读《杜预传》，见为八磨，嘉其有济时用，遂教民为碾。及为仆射，奏于张方桥东堰谷水造水碾磨数十区，其利十倍，国用便之”。由此可见，不仅水碾的加工效率大有提高，而且其生产效益也颇丰厚，对于社会生产有着重要意义。

魏晋南北朝时，当时日趋发展的寺院经济势力，也开始主动谋取自身的经济利益，介入到各种经济活动中。北魏杨街之在《洛阳伽蓝记》中就描述当时的景明寺已经利用水碾进行生产加工：“寺有三池，萑蒲菱藕，水物生焉。或黄甲紫鳞，出没于蘩藻；或青凫白雁，沉浮于绿水。碾硙舂簸，皆用水功”。

东汉顺帝永建四年，尚书仆射庾虞诩曾上书说“禹贡雍州之域，厥田惟上。……北阻山河，乘陀据险。因渠以溉，水舂河漕。用功省少，而军粮饶足。故孝武皇帝及光武筑朔方，开西河，置上郡，皆为此也”。

知识点

1、水力碾是魏晋南北朝时发明的谷物加工机械，用于谷物脱壳或去麸。

2、水碾的基本结构是在一扇大磨盘中设中轴，并装一根横轴，横轴一端装一个滚轮，利用水轮带动轴转，使滚轮滚动摩擦，将谷物脱壳或去麸。

背景和原理简介

“水轮三事”是王祯创制的。他在普通水磨的基础上，通过改变它的轴首装置，使它兼有磨面、砻稻、碾米三种功用。水轮三事的结构组成为：一个由水力驱动的立式大水轮，在延长的水轮轴上装上一列凸轮或拨杆和一个立轮（齿轮），凸轮或拨杆拨动碓杆末端，使碓上下往复摆动，即可舂米或使谷物脱壳。立轮（齿轮）同时驱动一个平轮（齿轮）和一个立轮（齿轮），平轮所在轴上装有磨，用以磨面。立轮所在轴上装有水车，用以取水灌溉。

历史记载

水轮三事在《农书》中记载 “水轮三事，谓水转轮轴，可兼三事，磨、砻、碾也。初则置立水磨，变麦作面，一如常法，复于磨之外周造碾圆槽，如欲毇米，惟就水轮轴首易磨置砻，既得粝米，则去砻置碾、碢干循槽碾之，乃成熟米。夫一机三事，始终俱备，变而能通，兼而不乏，省而有要，诚便民之活法，造物之潜机。”

数百年来，这项发明使人们从繁重的体力从劳动里解放出来，大幅度的减轻了农民的工作量。

知识点

1、水轮三事”它兼有磨面、砻稻、碾米三种功用。结构复杂，是古代农业机械的最高成就。

背景和原理简介

水砻主要用以水稻脱壳。水砻的下圈中间有一个与水轮相连接的轴，下圈随水轮转动。上圈用绳索吊在木梁上。在太原晋祠镇发现的古砻上圈直径80厘米，高70厘米，下圈高38厘米，一日能脱谷3000斤。水砻通常用柳条或竹条编成底圈，中间用粘土充填，并打入硬木齿，上下两圈相叠。

知识点

1、水砻主要用以水稻脱壳。水砻的下圈中间有一个与水轮相连接的轴，下圈随水轮转动。

宋元佑三年（公元1088年）在著名科学家苏颂的倡议和领导下，一座杰出的天文记时仪器──水运仪象台，在当时的京城开封制成。水运仪象台的构思广泛吸收了以前各家仪器的优点，尤其是吸取了北宋初年天文学家张思训所改进的自动报时装置的长处；在机械结构方面，采用了民间使用的水车、筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等机械原理，把观测、演示和报时设备集中起来，组成了一个整体，成为一部自动化的天文台。

苏颂主持创制的水运仪象台是十一世纪末我国杰出的天文仪器，也是世界上最古老的天文钟。国际上对水运仪象台的设计给予了高度的评价，认为水运仪象台为了观测上的方便，设计了活动的屋顶，这是今天天文台活动圆顶的祖先；浑象一昼夜自转一圈，不仅形象地演示了天象的变化，也是现代天文台的跟踪器械——转仪钟的祖先；水运仪象台中首创的擒纵器机构是后世钟表的关键部件，因此它又是钟表的祖先。从水运仪象台可以反映出中国古代力学知识的应用已经达到了相当高的水平。

原理和结构简介

在苏颂所著的《新仪象法要》中详细介绍了水运仪象台的设计和制作情况，并附有多幅绘图。根据《新仪象法要》记载，水运仪象台是一座底为正方形、下宽上窄略有收分的木结构建筑，高大约有十二米，底宽大约有七米，共分为三大层。

上层是一个露天的平台，设有浑仪一座，用龙柱支持，下面有水槽以定水平。浑仪上面覆盖有遮蔽日晒雨淋的木板屋顶，为了便于观测，屋顶可以随意开闭，构思比较巧妙。露台到仪象台的台基有七米多高。

中层是一间没有窗户的“密室”，里面放置浑象。天球的一半隐没在“地平”之下，另一半露在“地平”的上面，靠机轮带动旋转，一昼夜转动一圈，真实地再现了星辰的起落等天象的变化。

下层设有向南打开的大门，门里装置有五层木阁，木阁后面是机械传动系统。

第一层木阁又名“正衙钟鼓楼”，负责全台的标准报时。木阁设有三个小门。到了每个时辰（古代一天分做十二个时辰，一个时辰又分为时初和时正）的时初，就有一个穿红衣服的木人在左门里摇铃；每逢时正，有一个穿紫色衣服的木人在右门里敲钟；每过一刻钟，一个穿绿衣的木人在中门击鼓。

第二层木阁可以报告十二个时辰的时初、时正名称，相当于现代时钟的时针表盘。这一层的机轮边有二十四个司辰木人，手拿时辰牌，牌面依次写着子初、子正、丑初、丑正等。每逢时初，时正，司辰木人按时在木阁门前出现。

第三层木阁专刻报的时间。共有九十六个司辰木人，其中有二十四个木人报时初、时正，其余木人报刻。例如：子正：初刻、二刻、三刻；丑初：初刻、二刻、三刻，等等。

第四层木阁报告晚上的时刻。木人可以根据四季的不同击钲报更数。

第五层木阁装置有三十八个木人，木人位置可以随着节气的变更，报告昏、晓、日出以及几更几筹等详细情况。

五层木阁里的木人能够表演出这些精彩、准确的报时动作，是靠一套复杂的机械装置“昼夜轮机”带动的。而整个机械轮系的运转依靠水的恒定流量，推动水轮做间歇运动，带动仪器转动，因而命名为“水运仪象台”。

1、水运仪象台是我国古代用于天文观测和记时的一部自动化的天文台。

2、水运仪象台，于宋元佑三年（公元1088年），在著名科学家苏颂的倡议和领导下，在当时的京城开封制成。

3、水运仪象台吸取了北宋初年天文学家张思训所改进的自动报时装置的长处；在机械结构方面，采用了民间使用的水车、筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等机械原理，把观测、演示和报时设备集中起来，组成了一个整体，成为一部自动化的天文台。

4、水运仪象台为了观测上的方便，设计了活动的屋顶，这是今天天文台活动圆顶的祖先。

5、浑象一昼夜自转一圈，不仅形象地演示了天象的变化，也是现代天文台的跟踪器械——转仪钟的祖先。

6、水运仪象台中首创的擒纵器机构是后世钟表的关键部件，因此它又是钟表的祖先。

7、从水运仪象台可以反映出中国古代力学知识的应用已经达到了相当高的水平。

背景和原理简介

刻漏又称漏刻、漏壶。是古代计时工具。刻漏主要有泄水型和受水型两类。早期的刻漏多为泄水型。水从漏壶底部侧面流泄，使浮在漏壶水面上的漏箭随水面下降，由漏箭上的刻度指示时间。后来创造出受水型，水从漏壶以恒定的流量注入受水壶，浮在受水壶水面上的漏箭随水面上升指示时间，提高了计时精度。

刻漏也分单壶式和多壶式两种，漏是古代中国人的习惯用语，含义就是现在的“钟”。 为了获得恒定的流量，首先应使漏壶的水位保持恒定。其次，向受水壶注水的水管截面面积必须固定，水管采用“渴乌”（虹吸）原理，便于调整和修理。有两种保持水位恒定或接近恒定的方法。

历史记载

刻漏的最早记载见于《周礼》。已出土的文物中最古老的刻漏是西汉遗物，共3件，均为泄水型。宋代杨甲着《六经图》（刊于1153年）中的“齐国风挈壶氏图。”唐吕才（约公元600～650） 制刻漏是在漏壶上方加几个补偿壶，燕肃（1030）定刻漏采用溢流法，多余的水由平水壶（下匮）通过竹注筒流入减水盎。燕肃创制的漏壶叫莲花漏，北宋时曾风行各地。

《全上古三代秦汉三国六朝文·全后汉文》中桓谭（卒于公元56年）的文章里说刻漏度数因干、湿、冷、暖而异，在白天和夜间需要分别参照日晷和星宿核对。这说明当时已认识到水温和空气湿度对刻漏计时精度的影响。

知识点

1、刻漏又称漏刻、漏壶。是古代计时工具。

2、泄水型刻漏，水从漏壶底部侧面流泄，使浮在漏壶水面上的漏箭随水面下降，由漏箭上的刻度指示时间。

3、受水型刻漏，水从漏壶以恒定的流量注入受水壶，浮在受水壶水面上的漏箭随水面上升指示时间。

对于欧洲文明来说，在相当长的一段时间里，水力机械作为一种最主要的动力机械系统，被广泛应用在农业经济为特征的欧洲土地上，成为当时主要的粮食加工机械。人们在河流旁边设置水轮，建立磨坊，进行粮食加工，逐渐将其发展为一个十分重要的行业。在法国南部的阿尔勒，有公元四世纪罗马人修建的大型水磨坊，整套装置的粮食加工能力每天可达28吨，足够供应居住在阿尔勒地区的1万多居民。到十世纪之后，水力机械在欧洲取得了较大发展，水磨坊的数量稳步增长。公元1086年，威廉一世时期编写的《舆地志》列出当时的英国有5000座水磨坊，整个英国人口中，平均约400人就有一座这样的水磨坊。在法国奥布，11世纪时有14座磨坊，到12世纪发展到60座，而到13世纪早期接近200座。在中世纪的欧洲，这样的粮食加工业对于当地经济发展具有重要作用，在一些地方甚至属于支柱产业。这一时期，水力机械也在漂染布料、冶炼鼓风和锯木等方面得到应用。

古典文化时期（公元前600～公元400年）

在史前时期，水钟、虹吸管、鼓风箱和活塞式唧筒等流体机械已经得到初步的发展和应用。

到了古典文化时期，古希腊诞生了一些著名的哲学家和科学家。他们对古代流体机械的发展作出了杰出的贡献。

在原动流体机械方面，首先是扩大了桔槔式提水工具和吊桶式水车的使用范围；新创造的流体机械有涡形轮和诺斯 （Norse）水磨。前者靠转动螺纹形杆，将水由低处提到高处，主要用于罗马城市的供水。后者用来磨谷物，靠水流推动方叶轮而转动，其功率不到半马力。功率较大的有维特鲁维亚（Vitruvia）水磨。水轮靠下冲的水流推动，通过适当选择大小齿轮的齿数就可调整水磨的转速，其功率约3马力，后来提高到50马力，成为当时功率最大的原动机。希罗的汽转球（又叫风神轮）则是最早应用喷气反作用原理的装置。汽转球下部的蒸锅盛水，其上用支管连接着一只空心球。球上有两支方向相反的切向喷口。当锅下烧火、球内的水沸腾变成蒸汽喷出时，如产生的喷气反作用推力足够大，便会推动球体不断转动。汽转球作为第一个把蒸汽压力转化为机械动力的装置而闻名于世。

在从动流体机械方面，利用活塞和气缸制成的压力泵和吸水泵，在此时期也有发展。最早出现的是用来灭火的菲罗 （Philo）压力泵。后来又有了从井中提水的吸水泵和压力泵，以及罗马人用于灭火的双筒柱塞泵。

中世纪时期（1400~1500年）

中世纪前期延续约600年，流体机械的发展因古希腊和罗马的文化处于低迷期而停止发展。后期，随着农业和手工业的发展，各国纷纷兴办大学，发展自然科学和人文科学，培养人才，同时又吸取了当时东方国家的先进科学技术，流体机械技术开始恢复和发展。随着流体机械技术的发展，水轮机也得到一定的发展，已有足够的动力来带动用皮革制造的大型风箱，以获得较高的熔化温度，铸造大炮和大钟的作坊逐渐增多，铸件重量渐渐增大。同时也出现了下冲或上冲式水轮机（水磨），以及风磨和风轮机。水平下冲式水轮机是由早期水磨改进而成的，到12、13世纪已用作采矿、粉碎、冶炼等作业的动力。14世纪，西欧在水力利用方面有很大进展，水轮机作坊迅速增加。水平下冲式水轮机经过改进后于又发展成为大型上冲式水轮机，用于提升矿石。

临近工业革命前期（1500～1750年）

工业革命即将开始，此时流体机械技术发展极为迅速，水泵在此时期也有了发展，它主要用于解决当时矿井排水和城市供水问题，包括矿井排水泵、正向旋转泵和离心泵等。这时意大利发明了水压空气压缩机（俗称水风箱）。它可用作熔炼钢铁的鼓风机，以取代旧式的皮老虎。1759年又出现了大型鼓风机。风力机械如风磨的应用也更广泛，数量增加，仅英国就已有数千台之多，用于磨粉、泵水和锯木。1698年英国的T.萨弗里制造的矿井蒸汽水泵，被称为“矿工之友”，它开创了用蒸汽作功的先河。1705年英国的T.纽科门发明大气式蒸汽机，它虽然很不完善，但却是第一台工作比较可靠的蒸汽机，主要用于提水，功率可达6马力，这种蒸汽机在1750在前已在欧洲推广，后来又传到美国。这一时期，在欧洲诞生了工程科学。许多科学家，如牛顿、伽利略、莱布尼兹、玻意耳和胡克等，为流体机械的发展奠定了多方面的理论基础。