中国古代对活塞装置的利用与认识

1、中国古代对活塞装置的利用与认识摘 要:通过对中国古代文献的梳理，考察了活塞装置在中国古代的使用情况。武经总要中明确记载了活 塞的使用，风箱是活塞在中国古代的最为普遍也最有影响的代表；在奇器图说泰西水法中，西方的活塞装置 器具传入中国。认为中国古代的活塞器械在技术方面具有传承性和连续性，但中国古人对活塞装置的认识尚未上 升到理论层面。关键词：活塞；武经总要；奇器图说；风箱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

2、史做了考证|，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气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

3、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气”此段文献在宋代许洞的虎金今经卷一五“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

4、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

5、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g亘系竹沉下，其中水满。井上悬桔槔、辘轳诸具，制盘驾牛。牛 寸拽盘转，辘轳绞g亘，汲水而上。入于釜中煎练，顷 刻结盐，色成至白气”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。

6、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（燃儿 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，皆成烈焰气”图1猛火油柜（自武经总要，上海古籍出版社，1987年）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

7、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，

8、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性”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

9、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aa图2进水图3喷水（a活塞柄，“活卷”一，c进水管，“活卷”二，e喷水管

10、）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。抽风撅仔八 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 用上行做准气”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。如戴念祖和张蔚河同、史晓雷冈等人。

11、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 溶（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

12、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，遂能使炉火盛燃叫。”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

13、 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，1575-16

14、20 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 也回。”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）

15、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 曰双笛（

16、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，不可胜用也问图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

17、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o砧之上下者，柱也o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。图6玉衡车视图（采自中国科学技术史机械卷）a双筒b双提（提柱）c壶d中筒e盘f衡 g架h轴i砧可见，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162

18、7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

19、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

20、之也。”奇器图说中还特别指出了水铳的性能：图7水铳图“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