繁峙巖山寺壁畫《水碓磨坊圖》及其機(jī)械原理初探

高 策1,徐巖紅1

科學(xué)技術(shù)與辯證法 2007-06-05

(1.山西大學(xué)科學(xué)技術(shù)哲學(xué)研究中心；2.山西財(cái)經(jīng)大學(xué)文化傳播學(xué)院，山西太原030006)

摘 要：文章通過(guò)對(duì)繁峙巖山寺①《水雄磨坊圖》的分析和研究，深入探討水碓和水磨的發(fā)展演變過(guò)程及其基本機(jī)械原理，通過(guò)這些分析研究試圖再現(xiàn)宋金時(shí)期水碓磨坊的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)，為我們認(rèn)識(shí)宋金時(shí)期山西水利機(jī)械的科技水平提供了十分珍貴的歷史資料。

關(guān)鍵詞：巖山寺壁畫；水碓磨坊圖；水輪；水碓；水磨

中圖分類號(hào)，N092

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5680(2007)03-0097-04

巖山寺，古名靈巖院，位于繁峙縣城東南36公里處的天巖村。是20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)的一組集金代建筑、繪畫、雕塑為一體的佛教建筑。

巖山寺文殊殿壁畫②,是巖山寺的精華所在。文殊殿壁畫題材豐富，畫技高超，色彩搭配艷而不燥，經(jīng)過(guò)幾百年的風(fēng)雨侵蝕，雖略已斑駁，但仍能窺視出當(dāng)年的社會(huì)風(fēng)貌。文殊殿壁畫繼承了唐、宋以來(lái)的優(yōu)秀繪畫技法，又融匯了金、元時(shí)期的繪畫特點(diǎn)，形成了自己獨(dú)特的藝術(shù)風(fēng)格，成為現(xiàn)存金代壁畫中精彩的一頁(yè)。

巖山寺壁畫雖然是宗教題材的藝術(shù)作品，但是其內(nèi)容反映了豐富深刻的科技內(nèi)涵，保存了中國(guó)古代豐富的科學(xué)技術(shù)內(nèi)容。其中《水碓磨坊圖》[(圖1)就是當(dāng)時(shí)水利機(jī)械科技發(fā)展水平的一個(gè)縮影。它反映了山西人民在宋金時(shí)期就已經(jīng)廣泛利用豐富的水利資源及其高大的落差，修建了水碓、水磨等糧食加工機(jī)械，給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)和生活提供了便利條件。

李約瑟說(shuō)：“以主要插圖傳統(tǒng)形式繪制的第一批水磨圖是從1313年開始的；我們從《農(nóng)書》轉(zhuǎn)載了典型的臥式水輪圖。另一幅圖表示一個(gè)中射式或上射式立式水輪驅(qū)動(dòng)用齒輪嚙合在一起的6或8臺(tái)磨。"[由此，可知中國(guó)最早的以插圖形式繪制的水磨圖出自1313年元朝王楨的《農(nóng)書》。但是，根據(jù)巖山寺內(nèi)金代碑刻《繁峙靈巖院水陸記碑》和文殊殿西壁上的墨書題記所示，繁峙巖山寺壁畫《水碓磨坊圖》是金代畫師王逵和王道等人于金大定七年，即公元1167年繪制完成的。比元朝王楨《農(nóng)書》中的水磨圖早146年。這樣就把中國(guó)最早繪制水磨圖的年代提前了146年。

本文試圖從巖山寺壁畫《水碓磨坊圖》中所表現(xiàn)的內(nèi)容，主要對(duì)水碓與水磨技術(shù)的產(chǎn)生以及水碓磨坊的基本機(jī)械原理兩方面進(jìn)行探討，試圖再現(xiàn)宋金時(shí)期水碓磨坊的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)。

一 水碓與水磨技術(shù)的產(chǎn)生

水碓和水磨是一種利用江河流水作動(dòng)力進(jìn)行谷物加工的水利機(jī)械。這些水利機(jī)械工具，滲透著中華民族祖先的智慧和技能。根據(jù)現(xiàn)存文獻(xiàn)記載，我國(guó)歷史上利用水力進(jìn)行谷物加工的水碓和水磨是在杵白和石磨的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。

早在新石器前期，我國(guó)就已經(jīng)出現(xiàn)了專門用于磨制谷物的石磨盤、石磨棒和石杵等糧食加工工具。原始人類在一塊石板上手持石棒來(lái)回研磨，這就是我國(guó)加工谷物最古老的方法之一。到新石器時(shí)期(公元前4000年),石磨棒和石杵被石杵白所取代。

春秋中晚期，中華民族的祖先開始冶鐵，并有了鋼，隨之出現(xiàn)了比較銳利而耐用的器具加工工具，這樣就有條件把石杵白鑿的更大、石磨盤鉆的更精確。于是出現(xiàn)了含有杠桿原理的陸堆①和旋轉(zhuǎn)型石磨，也就是石轉(zhuǎn)磨②。從這里我們可以看出：水碓和水磨最早是由古代的杵白和石磨盤發(fā)展而來(lái)。

到了東漢，三國(guó)人馬鈞制造了翻水車和水力“春磨”的模型。西晉初年，杜預(yù)在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，發(fā)明了“連機(jī)碓"③和“水轉(zhuǎn)連磨”④,之后，南朝祖沖之又在杜預(yù)發(fā)明的“連機(jī)碓”和“水轉(zhuǎn)連磨”的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加以改進(jìn)，把水碓和水磨結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造了一種新的糧食加工工具——“水碓磨",即用同一個(gè)水輪驅(qū)動(dòng)碓和磨同時(shí)工作，或者是用同一個(gè)水輪驅(qū)動(dòng)兩個(gè)獨(dú)立的水碓和水磨同時(shí)工作的糧食加工工具。另外，在漢代文獻(xiàn)中還曾多處提到水碓。例如：《桓子新論》:“宓犧之制杵春，萬(wàn)民以濟(jì)，及后人加巧，因延力借身重以踐碓，而利十倍杵春。又復(fù)設(shè)機(jī)關(guān)，用驢騾牛馬及役水而春，其利乃且百倍。"《方言》:“碓機(jī)，陳魏宋楚自關(guān)而東謂之梃鎧?！笨兹凇度庑陶摗?“水碓之巧，勝于斷木掘地?！盵]等等。這說(shuō)明漢代不僅使用腳碓，還使用畜力帶動(dòng)的畜力碓和用水力驅(qū)動(dòng)的水碓。至此，我們可以知道：水碓和水磨在魏晉南北朝時(shí)期已經(jīng)基本成型并有較大發(fā)展。當(dāng)時(shí)，水碓和水磨的使用面很廣，在河北、河南、陜西、甘肅等各地都廣泛推廣水碓和水磨，并且使用量還很大，例如：在《晉書》卷六中記載有：“劉頌為河內(nèi)太守，有公主水碓三十余區(qū)"。除此之外，水碓和水磨在魏晉南北朝時(shí)期還有創(chuàng)新，例如：東晉傅陽(yáng)《晉諸公贊》中記載：“杜預(yù)、元?jiǎng)P作連機(jī)水碓，由此洛陽(yáng)谷米豐賤。”[4]這樣，我們就可以進(jìn)一步推斷：水碓磨當(dāng)產(chǎn)生于魏晉南北朝時(shí)期這一農(nóng)工器具創(chuàng)造普及的繁榮時(shí)代，是在連機(jī)水碓和水轉(zhuǎn)連磨的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。到宋元之際出現(xiàn)了同時(shí)可以完成礱、碾、磨三項(xiàng)工作的“水輪三事”。

巖山寺文殊殿壁畫《水碓磨坊圖》所描繪的水碓磨的基本機(jī)械原理，可能是類似祖沖之的水碓磨的基本機(jī)械原理，即用一個(gè)水輪驅(qū)動(dòng)水碓和水磨同時(shí)工作。它反映了當(dāng)時(shí)農(nóng)作物加工的最先進(jìn)水平，在當(dāng)時(shí)世界上都處于先進(jìn)地位。這種水碓磨連體的發(fā)明，是中國(guó)古代科技史上的一大成果。

二《水碓磨坊圖》的基本機(jī)械原理

巖山寺《水碓磨坊圖》對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)描繪得十分精確，可以說(shuō)它是一幅水碓磨的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。經(jīng)過(guò)實(shí)地考察對(duì)圖中水碓磨坊進(jìn)行深入細(xì)致的分析與研究之后，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬加工出巖山寺《水碓磨坊圖》詳細(xì)的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)，并繪制出機(jī)械原理示意圖(圖2)。圖中這種水碓磨是以水流沖激立式水輪，并利用同一根傳動(dòng)軸，通過(guò)輪軸帶動(dòng)左側(cè)的水碓上下運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，還通過(guò)兩個(gè)直交的齒輪帶動(dòng)右側(cè)的磨盤旋轉(zhuǎn)的糧食加工工具。通過(guò)此圖我們可以清晰地看到：水碓磨坊主要是由水輪、水碓及水磨三部分構(gòu)成。下面借助《水碓磨坊圖》基本機(jī)械原理示意圖，對(duì)其中的水輪、水碓及水磨進(jìn)行進(jìn)一步分析與探討。

(一)《水碓磨坊圖》中水輪的基本機(jī)械原理

我們從前面的圖1所示可以看到：這種水碓磨坊的選址是在河床一側(cè)的高岸，可以自然形成一定落差的地方。在河岸岸邊瓣有一渠，水渠兩岸和渠底皆用石料筑成，用石料筑成的水渠堅(jiān)固耐用而不滲水。在水渠的末端是用石塊建成的水碓磨的巨大部件——水輪的輪房(圖3)。在輪房?jī)?nèi)安置有一個(gè)水碓與水磨共用的大立輪，水輪的直徑很大、輻條粗壯、輪輻高闊，并且裝有橫板，水流自高處的水渠下泄，落于橫板上，利用河水落差形成的勢(shì)能激動(dòng)水輪轉(zhuǎn)動(dòng)。水輪采用的是立式，這樣就擴(kuò)大了葉片斗的容積，水流先沖擊到葉片的外端，再沿葉片向下流，增加了水流對(duì)葉片的作用時(shí)間，充分利用水的動(dòng)量和重量來(lái)驅(qū)動(dòng)水碓和水磨工作。

圖中的立式水輪，中穿堅(jiān)韌、耐朽的園木作為傳動(dòng)軸，輪軸很長(zhǎng)，帶動(dòng)左側(cè)的水碓上下運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，輪軸還穿過(guò)磨坊底部，經(jīng)由兩個(gè)直交齒輪帶動(dòng)磨盤旋轉(zhuǎn)，從而使碓磨同時(shí)進(jìn)行糧食加工工作。

這種碓磨連轉(zhuǎn)的糧食加工機(jī)械需用急流大水，以碰水輪，從而產(chǎn)生較大動(dòng)力，以推動(dòng)水輪運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，必須通過(guò)水閘來(lái)控制水的流量。在水磨運(yùn)作之前，須提早將設(shè)于自然河床的閘口關(guān)閉蓄水，河水即涌入人工渠道。需要機(jī)械工作時(shí)，開啟水閘，水流順槽下泄，槽高輪低，實(shí)現(xiàn)水輪的啟動(dòng)、變速和停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)水磨的開啟與關(guān)閉。

另外，通過(guò)仔細(xì)觀察與分析還發(fā)現(xiàn)：《水碓磨坊圖》中各零部件的連接主要是靠樺、楔、箍。其中，除個(gè)別鐵箍、軸座外，零部件幾乎都是用不易變形、耐水浸、強(qiáng)度較高的木質(zhì)材料做成。

李約瑟在《中國(guó)科學(xué)技術(shù)史》中說(shuō)：“王禎告訴我們，在他那個(gè)時(shí)代，有些很大的裝置，將碓、輪碾和磨石用幾根軸和齒輪傳動(dòng)裝置聯(lián)結(jié)在一起，由一個(gè)大水輪驅(qū)動(dòng)”,巖山寺的這幅《水碓磨房圖》,為王禎的記載提供了真實(shí)的左證。

(二)《水難磨坊圖》中水雄的基本機(jī)械原理

《水碓磨坊圖》中的水碓磨坊分為上下兩層，上層是磨坊用于磨面；下層是碓坊用于春米。在下層草棚碓坊之內(nèi)裝置

的水碓(圖4),就是王禎《農(nóng)書·利用門》記載：“今人造作水輪，輪軸長(zhǎng)可數(shù)尺，列貫橫木相交，如滾輪之制，水激輪轉(zhuǎn)，則軸間橫木間打所排梢，一起一落春之，即連機(jī)碓也"所描述的水碓。不過(guò)圖中這種水碓不是連機(jī)碓上的水碓，而是安置在碓磨連機(jī)上的水碓，它比連機(jī)碓在設(shè)計(jì)和構(gòu)造上都進(jìn)了一步，是利用水的動(dòng)力進(jìn)行春米，使谷物脫殼，或?qū)⒚琢４撼煞蹱畹募Z食加工工具。

圖中水碓位于水閘的下方，水碓的動(dòng)力機(jī)械是一個(gè)大的立式水輪，輪上裝有若干板葉，下泄的水流沖激板葉，從而驅(qū)動(dòng)水輪轉(zhuǎn)動(dòng)。水輪中穿一根很長(zhǎng)的輪軸作為傳動(dòng)軸，輪軸上裝有一些彼此錯(cuò)開的撥板，撥板是用來(lái)?yè)軇?dòng)碓桿使其上下運(yùn)動(dòng)的。

水碓的白坑鑿在一塊石盤上，在石白內(nèi)放有準(zhǔn)備加工的谷物，在白坑上裝置有平行木桿，即碓桿。在碓桿的中間立有一支架作為平衡的支點(diǎn)，碓桿的一端安置有一塊圓錐形石頭(即杵),其位置上下與白坑垂直。碓桿的另一端(即碓柄)與一撥板呈似相連狀，而撥板與水輪上的傳動(dòng)軸呈十字相連，當(dāng)水流驅(qū)動(dòng)水輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，水輪的傳動(dòng)軸帶動(dòng)撥板做360°連續(xù)圓周運(yùn)動(dòng)，撥板間歇性撥打碓柄，從而使碓桿做上下運(yùn)動(dòng)，碓桿又帶動(dòng)石杵上下撬動(dòng)，彈春于白內(nèi)，殼糠自然脫落。

這是宋金時(shí)期山西人民利用杠桿原理的一個(gè)成功例證。同時(shí)，在物理學(xué)領(lǐng)域中，以力的上下間斷運(yùn)動(dòng)革新為連續(xù)圓周運(yùn)動(dòng)，這也是應(yīng)用物理技術(shù)的一大進(jìn)展。

(三)《水碓磨坊圖》中水磨的基本機(jī)械原理

水磨位于水碓磨坊的上層，是用以加工谷物，使之成為粉狀物的糧食加工機(jī)械，從圖5所示可以看出：這種水磨主要是由磨盤、吊斗及磨坊下的齒輪等部件構(gòu)成，

1.磨盤

圖中所示磨盤是由上下兩扇圓形石塊組成，這是整個(gè)水磨的主要構(gòu)成部分。磨盤是由硬度較高的石料精心鑿制而成。上下磨盤的直徑相同，而厚度不同。上磨盤??；下磨盤厚。但由于透視的原因，畫面呈現(xiàn)出的反而是上磨盤較厚。在實(shí)際操作過(guò)程中，磨盤的厚度可以根據(jù)水能的增加而增加，以提高生產(chǎn)效率。

在上下磨盤相合的面上鑿有磨齒，磨齒為擴(kuò)散狀斜齒，為八區(qū)斜線紋。八區(qū)斜線型磨齒克服了輻射型磨齒和四區(qū)斜線型磨齒的弊病，做到齒槽排列整齊、平行等分、均勻協(xié)調(diào)、疏密得當(dāng)、磨面平整、溝深一致。磨齒的發(fā)展是麥作發(fā)展的條件和標(biāo)志之一，另外，上下磨齒之間的齒槽須十分精確，要完全吻合對(duì)空，不留縫隙，這樣才能磨出顆粒均勻、細(xì)小的粉末，

在上磨盤的邊緣還鑿有四個(gè)孔，通過(guò)這四個(gè)孔用粗繩把上磨盤系于檁上，每根繩中都有絞板，以調(diào)節(jié)上層磨盤的升降。在上磨盤下的齒面中心的圓口處，還鑿有一方槽，而方槽的深度占上磨盤厚度的三分之二，下磨盤被固定在一塊大型的石板上，中間穿有承動(dòng)的木柱，木柱被用耐磨的木頭鑿成的圓圈包住，而圓圈被固定在下磨盤的圓口內(nèi)。在承動(dòng)的木軸頂端鑿成丁字形狀，鑲?cè)肷夏ケP圓心內(nèi)鑿出的方槽中，從而支撐和帶動(dòng)上磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)。承動(dòng)的木軸與水磨下面的齒輪相連，磨面時(shí)，通過(guò)水的動(dòng)力使上扇磨盤繞軸旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)絞板調(diào)節(jié)上磨盤的升降，谷物由磨眼(上磨盤中間圓口旁鑿有的小口)注入，在兩扇磨石之間散開并在磨齒之間被磨碎。

2.吊斗

懸吊在磨盤上空的檁上、呈長(zhǎng)方漏斗形、底部收成斜圓小口的貯糧設(shè)備，被稱為“吊斗”。吊斗的小口是木制的彈頭形，其中心穿一細(xì)桿，桿的上端伸入吊斗內(nèi)，下端插在上磨盤的磨眼中，此桿的粗細(xì)決定著磨出糧食顆粒的粗細(xì)。當(dāng)需要磨細(xì)小的粉末狀糧食時(shí)就用粗木桿，用粗木桿時(shí)吊斗內(nèi)的糧食通過(guò)磨眼一次進(jìn)入磨齒之間的數(shù)量就少，散開在磨齒之間的糧食就均勻、細(xì)薄，那么磨出來(lái)的糧食就是細(xì)小的粉末狀。這樣，彈頭形器就因注入糧食的多少而上下活動(dòng)，從而使吊斗內(nèi)的糧食有調(diào)節(jié)地注入磨眼。

3.齒輪

《水碓磨坊圖》中的齒輪實(shí)際上是一種改變方向裝置和運(yùn)動(dòng)速度的一種動(dòng)力機(jī)構(gòu)。水輪傳動(dòng)軸上的齒輪帶動(dòng)與它呈十字交叉狀的與水磨相連的齒輪工作，從而改變了運(yùn)動(dòng)方向，使立式水輪同臥式水磨結(jié)合起來(lái)。這樣，當(dāng)水流沖激立式水輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，水輪通過(guò)這組十字交叉的齒輪帶動(dòng)臥式水磨旋轉(zhuǎn)。另外，這組齒輪還有一個(gè)用途就是能改變傳動(dòng)速度。從圖中可以看出：齒輪工作的時(shí)候只有2、3個(gè)齒在接觸，而

兩個(gè)齒輪的變速比，通常由兩個(gè)齒輪的齒數(shù)比決定，一對(duì)齒輪的變速比一般不超過(guò)10。因此，就這組齒輪來(lái)講，在其設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，融合了數(shù)學(xué)、材料科學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)，化學(xué)等各種學(xué)科的成果。

巖山寺壁畫中水碓和水磨滲透著中華民族祖先的智慧。據(jù)考證，在我國(guó)南方有些農(nóng)村，至今還存在著水碓和水磨這種糧食加工工具，并且在農(nóng)村生活中發(fā)揮著不可替代的作用。這些目前存在的水碓和水磨就機(jī)械而言，其原理、構(gòu)造、制作工藝和用途與巖山寺文殊殿壁畫《水碓磨坊圖》基本一致，沒有本質(zhì)上的變化。

巖山寺壁畫《水碓磨坊圖》,是中國(guó)古代壁畫中的精品，從圖中我們可以看到：山前水畔有水碓磨坊一座，片石為基、茅草蓋頂、邊設(shè)柵欄。機(jī)輪、磨盤裝置其中，構(gòu)造奇巧。正值磨面之際，磨坊內(nèi)二人忙于操作，其帚不停。另外一名女性正將磨好的面粉用碗倒入筐內(nèi)。磨坊左側(cè)有一座草棚，有木階梯與磨坊貫通，草棚之內(nèi)設(shè)有春米器具。整個(gè)畫面構(gòu)圖合理、主題突出、色彩柔和、人物活動(dòng)井然有序，真實(shí)地再現(xiàn)了當(dāng)時(shí)春米、磨面的情景，是當(dāng)時(shí)社會(huì)生活的真實(shí)反映，不僅有很高的藝術(shù)價(jià)值，而且是我們研究古代社會(huì)生活、文化風(fēng)俗、水利科學(xué)、動(dòng)力科學(xué)、機(jī)械科學(xué)的重要佐證。它的創(chuàng)作，來(lái)源于社會(huì)生活，反映了當(dāng)時(shí)社會(huì)的科技進(jìn)步，但是又高于社會(huì)生活，對(duì)社會(huì)生活進(jìn)行了高度的藝術(shù)加工。它不僅詳盡地表現(xiàn)了農(nóng)業(yè)加工工具水碓磨的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有相當(dāng)?shù)乃囆g(shù)性和觀賞性，表現(xiàn)出整座磨坊的文化氛圍，是古代科技和藝術(shù)交叉與融和的典范；并且為我們認(rèn)識(shí)宋金時(shí)期的社會(huì)生活面貌和水碓磨坊發(fā)展演變的線索和脈絡(luò)提供了重要的實(shí)物資料，從而彌補(bǔ)了宋金時(shí)期水碓磨坊文獻(xiàn)史料的不足和缺失，為中國(guó)古代科技研究提供了最珍貴的形象資料。

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