陳巍，理學(xué)博士，現(xiàn)為中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所副研究員。主要研究科技知識(shí)在古代世界的傳播并把世界連為一體的歷程。喜愛“上窮碧落下黃泉”，品鑒各個(gè)文明在應(yīng)對(duì)相似問題時(shí)展現(xiàn)出的智慧。

“大將軍八面威風(fēng)，小桅子隨風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)。上戴帽子下立針，水旱兩頭任意動(dòng)?！边@首民間詩歌好似一個(gè)謎語，講述了一種在歷史上曾創(chuàng)造巨大效益的技術(shù)發(fā)明，它就是中國古代的大風(fēng)車。

中國傳統(tǒng)風(fēng)車又叫立帆式大風(fēng)車或立軸式龍骨水車，是一種由風(fēng)力驅(qū)動(dòng)使輪軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)龍骨水車或者水磨，從而取水灌溉或者磨麥的機(jī)械。因其體形巨大，“大風(fēng)車”是其民間俗名。顧名思義，大風(fēng)車?yán)脷饬魍苿?dòng)葉帆，只能設(shè)置于多風(fēng)地帶才可有效運(yùn)行，因此它常出現(xiàn)在風(fēng)力豐富的季風(fēng)氣候地區(qū)。在這些地方，它可以替代人力或畜力，改善水車的工作效率。

有從走馬燈說起

關(guān)風(fēng)車早期的記載比較簡(jiǎn)略，從西漢關(guān)于走馬燈的記載看，當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)知道利用熱氣創(chuàng)造風(fēng)力，驅(qū)動(dòng)繞立軸旋轉(zhuǎn)的葉片。遼陽三道壕東漢晚期漢墓壁畫是中國風(fēng)車最早的圖像，所繪風(fēng)車有6 ～ 8 副像船帆那樣的篷，分布在1根垂直軸周圍，推測(cè)風(fēng)車的發(fā)明可能受到船帆的啟發(fā)。風(fēng)吹起來，篷就像走馬燈般帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這種直接把篷插在軸上的風(fēng)車形態(tài)還比較原始，就像直接把槳片插到軸上的水輪一樣，規(guī)模較小、效率也比較低。如要加大對(duì)風(fēng)力的利用程度，就須像車輪那樣，把輻條與帆篷分離，讓受力的帆安置在環(huán)繞輻條外端的輞上。這樣立軸式大風(fēng)車就出現(xiàn)了。

雖然還不清楚立軸式大風(fēng)車的具體創(chuàng)始年代，不過不少古籍都描述了它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理。最早的文獻(xiàn)記載見于南宋初年劉一止（公元1078—1160 年）的《水車》一詩（收于其《苕溪集》）：“老龍下飲骨節(jié)瘦，引水上訴聲呷呀。初疑蹙踏動(dòng)地軸，風(fēng)輪共轉(zhuǎn)相鉤加?！痹娙顺鲇螘r(shí)看到龍骨水車，原以為水車要以人力踩動(dòng)橫軸驅(qū)動(dòng)，仔細(xì)察看后才發(fā)現(xiàn)居然是掛有風(fēng)帆的風(fēng)輪鉤在上面驅(qū)動(dòng)的。劉一止居住的浙江湖州擁有豐富的風(fēng)力資源，附近太湖及其支流水網(wǎng)密布，把水面帆船的風(fēng)帆應(yīng)用到龍骨水車上，是合理的發(fā)展。

2個(gè)世紀(jì)之后，童冀（約1324—1390）在《水車行》中較為詳細(xì)地描述了湖南南部零陵一帶風(fēng)力翻車的構(gòu)造尺寸和使用情景。他記錄風(fēng)輪的直徑三丈（約9.6 米），這和民國初年渤海海濱所用風(fēng)車的風(fēng)輪直徑10 米接近。童冀還記述這里的風(fēng)車晝夜輪轉(zhuǎn)不輟，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)幫助很大。類似風(fēng)車也見于清朝周倬的《瀏陽水車歌》等作品。周倬說風(fēng)車因?yàn)樾б婵捎^，常為農(nóng)村集體所有，大家一起使用，也要一起出力維護(hù)它。

木構(gòu)巨人

明清時(shí)期風(fēng)力龍骨水車在風(fēng)力豐沛的高山曠野、海濱大澤等地區(qū)都很盛行，由于它的構(gòu)造與歐洲風(fēng)車存在鮮明差異，17 世紀(jì)以來許多歐洲旅行者都注意到了它，從西方視角對(duì)其構(gòu)造進(jìn)行描述或繪圖。而反過來，中國人也從外國人口中也得到了歐洲風(fēng)車的信息。清初著名詞人納蘭性德（1655—1685）說：“西人風(fēng)車，藉風(fēng)力以轉(zhuǎn)動(dòng)，可省人力。此器揚(yáng)州亦有之，而不及彼之便易?！?/p>

20 世紀(jì)初，風(fēng)車還在沿海地區(qū)的鹽場(chǎng)大量使用。新中國成立初期，渤海灣濱海地區(qū)的傳統(tǒng)大風(fēng)車不下數(shù)千架。1957 年拍攝的電影《柳堡的故事》許多畫面背景還能看到運(yùn)轉(zhuǎn)中的立軸式大風(fēng)車，這部影片柔美纏綿的電影插曲曾風(fēng)靡全國，里面兩句唱詞“風(fēng)車呀風(fēng)車那個(gè)咿呀呀地轉(zhuǎn)哪，哥哥惦記著呀小英蓮”即與風(fēng)車有關(guān)。

隨著電動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)水泵的興起，具有體積龐大、占地面積較多等缺點(diǎn)的大風(fēng)車在短短幾十年間漸趨絕跡。幸好20 世紀(jì)末到21 世紀(jì)初技術(shù)史學(xué)者遍訪蘇北等地能夠制作大風(fēng)車的工匠，經(jīng)過研究和復(fù)原，搶救保留了這項(xiàng)曾發(fā)揮卓越效用的傳統(tǒng)技藝的工藝細(xì)節(jié)。

傳統(tǒng)大風(fēng)車以木結(jié)構(gòu)為骨干，技藝高超的木匠把多種質(zhì)地的木料經(jīng)過一系列工序加工成功用各異的零部件。鐵匠協(xié)助制作軸承、釘子等承重或連接件。家庭作坊則把耐水耐曬的布或蒲草加以裁剪縫合，制成風(fēng)帆。經(jīng)過共同協(xié)作，一部高約8 米、回轉(zhuǎn)直徑約10 米的壯碩巨人最終得以矗立于田間地頭或河渠之畔。

立軸風(fēng)車與船帆存在許多技術(shù)上的聯(lián)系。例如作為整部風(fēng)車骨架的樞紐和中心轉(zhuǎn)軸的中軸又稱“車心”或“大將軍”，這與古人對(duì)帆船桅桿的稱呼相同。中軸上端安裝“將軍帽”，下端嵌入“地扁擔(dān)”，由一根針狀鐵柱頂起，兩端構(gòu)件形成兩副滑動(dòng)軸承。中軸及其所支撐共計(jì)700 余千克重量的風(fēng)車，在鐵針上自由轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可以最大限度減小摩擦力，能夠在風(fēng)力吹動(dòng)下輕松旋轉(zhuǎn)。

中軸尺寸決定著風(fēng)車的大小與形式，它向外延伸出類似八棱柱的框架結(jié)構(gòu)，即上下各接8 根輻桿，輻桿外側(cè)與豎立的桅子兩端榫接。為加固這一框架，可在桅子下部設(shè)置斜向支撐“剪”，形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)。8 張風(fēng)帆每張長(zhǎng)約4 ～ 4.5 米，寬2 米，均用提頭懸掛在箍頭，側(cè)面用繩索附著于桅子，就可以構(gòu)成風(fēng)輪。

在下部輻桿以下，是用輻條榫接成的水平大齒輪。風(fēng)車旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒輪，再通過嚙合的小齒輪傳動(dòng)到龍骨水車的上輪。小齒輪上的裝置能調(diào)節(jié)齒輪之間的嚙合與分離，起到離合器的作用。

立軸大風(fēng)車的風(fēng)帆巧妙借用了中國式船帆的結(jié)構(gòu)與操控方式。每面帆上端吊掛腳索，通過收放腳索，可以調(diào)節(jié)帆與風(fēng)向的相對(duì)角度及掛帆高度，從而在不同風(fēng)速時(shí)保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。風(fēng)帆升起后，不論風(fēng)向如何，當(dāng)風(fēng)帆轉(zhuǎn)到順風(fēng)一邊，它自動(dòng)與風(fēng)向垂直，受風(fēng)面積最大；當(dāng)風(fēng)帆轉(zhuǎn)到逆風(fēng)一邊時(shí)，就自動(dòng)與風(fēng)向平行，所受阻力最小。風(fēng)車可以接受任何方向的來風(fēng)，且不需要增設(shè)迎風(fēng)裝置，操控運(yùn)行便捷、靈活。調(diào)整好帆角和掛帆高度，經(jīng)過測(cè)試，在3 ～ 4 級(jí)風(fēng)速條件下，風(fēng)車運(yùn)轉(zhuǎn)可達(dá)每分鐘3 轉(zhuǎn)以上，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)2 臺(tái)甚至3 臺(tái)翻車。

西式風(fēng)車

前面提到早在納蘭性德時(shí)代，中國人就知道西方風(fēng)車了。而風(fēng)車在西方起源和發(fā)展的時(shí)間也很早。公元1 世紀(jì)生活在埃及亞歷山大城的希羅（Hero ofAlexandria）發(fā)明過一種汽轉(zhuǎn)球，和走馬燈很類似，學(xué)者們將其視為地中海沿岸風(fēng)車的雛形。

與中國用于提水的風(fēng)車不太一樣的是，其他文化里的風(fēng)車常用于磨坊。公元700—900 年間，位于現(xiàn)在伊朗東部的錫斯坦和呼羅珊南部等地區(qū)，興起一種風(fēng)車。這個(gè)地方每年5 月到9 月多刮從伊朗中部和阿富汗西部沙漠吹來的強(qiáng)風(fēng)，稱作“120 天風(fēng)”。風(fēng)速通常為每小時(shí)30 ～ 40 千米（相當(dāng)于5 級(jí)風(fēng)），甚至100 ～ 110 千米，從而促使這里發(fā)明了稱作“阿斯巴德”（Asbad）的風(fēng)磨。錫斯坦人往往在城鎮(zhèn)上風(fēng)向的高處并排修建風(fēng)車，一串風(fēng)車的數(shù)量時(shí)?？蛇_(dá)40 座，共同擔(dān)負(fù)起一座城鎮(zhèn)碾磨面粉的任務(wù)，同時(shí)消耗掉風(fēng)能，降低風(fēng)速，抑制狂風(fēng)襲擊城鎮(zhèn)的風(fēng)險(xiǎn)。

李約瑟等學(xué)者曾認(rèn)為蒙古帝國統(tǒng)治期間，伊朗風(fēng)車傳入中國。但伊朗風(fēng)車的帆位于輻而不是輞上，不管形態(tài)結(jié)構(gòu)、并排分布還是具體用途，和中國風(fēng)車都有較明顯差異，二者更可能是分別獨(dú)立起源的。荷蘭技術(shù)史家福布斯則提出伊朗風(fēng)車帶給歐洲的影響。11 世紀(jì)，與伊斯蘭文化接觸的西班牙、葡萄牙和地中海北岸出現(xiàn)了風(fēng)車。但其立軸變成略為傾斜的水平軸。在西西里，人們也和中國人一樣，修建風(fēng)車抽出海水曬鹽。

現(xiàn)代我們熟悉的以十字架風(fēng)翼為代表的西歐風(fēng)車形態(tài)又很獨(dú)特，它最早可確定于1185 年出現(xiàn)在英國的約克郡。由于中世紀(jì)英國水能的產(chǎn)權(quán)通常屬于教會(huì)和貴族，因而風(fēng)車更多被平民或資產(chǎn)階級(jí)修建使用。14 世紀(jì)，荷蘭人使用風(fēng)車為低洼地帶排水，由此開啟了這個(gè)風(fēng)車王國的傳奇歷程。

19 世紀(jì)末之后，歐洲人開始賦予風(fēng)車以新的功能，那就是發(fā)電。這類機(jī)械到20 世紀(jì)30 年代開始小型化，成為多風(fēng)的偏遠(yuǎn)小島和鄉(xiāng)村首選的供電來源。進(jìn)入21 世紀(jì)后，中國風(fēng)電更是發(fā)展迅速，在多項(xiàng)統(tǒng)計(jì)中都遠(yuǎn)超其余國家。從立軸式大風(fēng)車到今天的風(fēng)力發(fā)電，雖年代相隔遙遠(yuǎn)，但其本質(zhì)并非全然差異?？梢哉f中國先民在利用這項(xiàng)清潔能源方面作出了偉大貢獻(xiàn)。