这些古老的水力机械，竟然藏着如此超前的智慧

水车、翻车等古代水力灌溉工具我们早已耳熟能详，实际上，潺潺流水不仅滋养田地，也推动着更广阔的生产图景——古代工匠早已将水力机械的应用扩展至农产品加工和手工业生产领域，发明了如水磨、水排等一系列高效的水能驱动器械。这些发明不仅提升了生产效率，更深刻影响了当时的社会经济结构与日常生活。

水碓

水碓（duì）最初是一种去掉谷、麦皮壳的水力机械，最迟发明于西汉时期，东汉初年桓谭在其所著《新论》中提到，比之人力杵舂，“役水而舂，其利乃且百倍”。

水碓的传动方式是由水流冲动水轮，轮轴上的短横木拨动碓梢，碓头即一起一落舂捣。

【水轮】立式水轮下半部分浸在河流中，被水流推着转动。

【板叶】均匀分布在水轮上，有较大的面积接受水流的冲击，带动水轮转动。

【横轴】立式水轮的横轴随着水轮的转动而转动。

【拨板】被固定在横轴上，随着横轴的转动而拨动。

【碓杆】一头连接碓头，另一段被架起，随着拨板的拨动，反复抬起。

【碓头】用于捶打重物，它本身就分量十足，再加上重力的作用，捶打起来十分高效。

【石臼】里面盛放需要捶打的物品，为了捶打效果更好，有时需要人工翻动。

东晋学者杜预作“连机水碓”，即一个水轮带动几个或十几个杵舂。

连机水碓

另有一种称作“懒碓”的，碓梢为能容水二三十斤的碗形容器。引水注入碗内，注满时即将碓头压起，碗中的水也同时泄空，碓头随之自动落下，成为一舂。如此循环往复。

懒碓

唐以后，水碓的用途逐渐丰富，但凡需要捣碎的东西，比如药物、香料、矿石等，皆可使用水碓捶打。古代四大发明之一造纸术中就有一个很重要的环节，即用水碓把煮好的竹料捣碎成纸绒状。

水磨

水磨即用水力驱动的磨，古代北方又称水硙（wèi），在魏晋南北朝时期已见记载。公元6世纪初北魏崔亮曾在洛阳附近“堰谷水，造水碾磨数十区，其利十倍，国用便之”。

《王祯农书》对古代水磨的传动方式有详细记载：上磨盘悬吊于支架上，下磨盘安装在转轴上，转轴的一端装有水轮盘，利用水的势能冲转水轮盘，进而带动下磨盘的转动。其水力传动部分有卧轮式和立轮式两种。

卧轮磨

若动力机械是立轮，则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，通过齿轮将轴力的方向改变了90度。

立轮连二水磨

另有“水转连磨”，适用于大水急流。其水轮高大，轴粗可达合抱。一轮运转可联动多个磨盘同时工作，加工粮食的效率大大提升。

水转连磨

此外，还有一种浮动式水磨，是将两条船并列固定，船上建起棚屋，各安装一台磨，通过缆索锚定于急流中。船头斜插木板迎向水流，加装铁爪以防偏移。水轮直立安装于两船之间，轮轴横长，可同时带动两磨运转。若水位上涨，还可将船移至岸边，灵活性强，被称为“活磨法”。

唐代水磨使用很普遍，关中地区的郑白渠上有许多属于王公贵族的水磨。大历十三年（778年）因水磨、水碾太多，妨碍灌溉，曾一次毁掉水磨、水碾80多座。北宋时，还在中央政府中专设“水磨务”的机构，隶属于司农寺。

水排

水排，即古代的水力鼓风机，诞生于东汉时期。在金属冶炼与铸造过程中，鼓风设备至关重要——唯有持续鼓风，才能使冶炉达到所需高温。

中国的冶铸技术起源极早，商代已掌握冶铜技艺，最迟在战国时期已开始炼铁。鼓风方式也历经演变：最初依靠人力，后来发展出畜力鼓风，出现了称为“马排”的设备。据《后汉书・杜诗传》记载，建武七年（公元31年），杜诗成功创制出水力鼓风装置——水排。

从《农政全书》的记载可知，水排的基本结构包含五个部分：主动轮及轮轴、传动轮、受力转换机构、风箱和支架，此外还应配有导流设施。当水流冲击主动水轮转动时，便通过主轴带动上方的传动轮旋转，受力转换机构随之将圆周运动转化为风箱拉杆的往复直线运动。基于同一原理，一个主动水轮甚至可同时带动多个鼓风装置运转。

中国发明并使用水排的时间，比欧洲早了整整一千多年。

水排

水转大纺车

水转大纺车基本原理仍为利用水力冲动水轮，然后通过一套传动装置带动纺车转动。

《农政全书》记载水转大纺车说“此车之制，但加所转水轮，与水转碾磨之法俱同”。从上述记载看，水转大纺车的主动水轮要比一般的水力机械多一个，这大概是带动纺织机转动需要输入更大的功率。

水转大纺车

古代先民在利用水能资源方面持续探索、不断创新，并不断拓宽水能的应用领域，水流的力量通过水轮、轴、齿轮的紧密传递，实现了巧妙的能量转换。

其中所蕴含的自然能量运用与机械设计理念，充分展现了先民的才智与创造精神，也启发着我们如何更智慧、更可持续地运用自然之力。