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水轮是一种把水流动能或势能转化为旋转机械能的装置。古代中国将水轮用作水碓、筒车、水碾、水磨、船磨、水排、水运天文仪器等机械的原动机。

“水轮”在古代汉语文献中有不同的含义。《全唐文·水轮赋》中的“水轮”指轮状的提水机械；宋代称“筒车”为“水轮”，有时也叫“水车”；元代王祯《农书》中，“水轮”的明确含义是作为动力机的用水冲击的轮。这以后，“水轮”一词既指作动力机的轮状机械，又指筒车。本文所探讨的是前者，即实现动力转换的轮状机械。这种机械主要由轴、穀和叶片构成。中国传统水轮按照装用方式可分为立式和卧式；按水流冲击位置可分为上射式、下射式、斜击式；按叶片构造可分为平板式、斜板式和斗式。

从汉语文献记载来看，立式水轮最初用作水碓的动力装置。西汉末至东汉初桓谭的《桓子新论》记载：“宓牺之制杵春，万民以济，及后人加功，因延力借身重以践碓，而利十倍杵春。又复设机关，用驴、骡、牛、马及役水而春，其利乃且百倍。”由此推断至晚西汉末已经出现水轮。立式水轮广泛应用于粮食加工机械、提水机械及天文仪器。

“水碓”一词最早见于东汉服虔的《通俗文》和孔融的《肉刑论》。这以后各代都有文献记载水碓。傅畅《晋诸公赞》记载：“杜预、元凯作连机碓。”可见，东晋时水碓已有较复杂的结构，其水轮构造很可能也比较复杂。从文献的连续记载及碓的工作原理来看，水碓宜采用立式水轮。魏元帝景元四年（263年）或稍后，有了对水碓较为详细的记载：“为碓水侧，置轮碓后，以横木贯轮，横木之两头，复以木长二尺许，交午贯之，正直碓尾木。激水灌轮，轮转则交午木戛击碓尾木而自春，不烦人力，谓之水碓。”“横木”即水轮的卧轴，水轮当然为立式。“长木”即凸杆，说明这是连机碓。

上射式水轮利用高处水流的冲力和水的重力来驱动转动。《农政全书》卷一八对立式水轮做了明确的文字描述：

凡在流水岸傍。俱可设置。须度水势高下为之。如水下岸浅。当用陂栅。或平流。当用板木障水。俱使傍流急注。贴岸置轮。高可丈余。自下冲转。名日撩车碓。若水高岸深。则为轮减小而阔。以板为级。上用木槽。引水直下。射转轮板。名日斗碓。又日鼓碓。此随地所制。各趋其巧便也。

显然，文中“斗碓”的水轮为上射立式，“撩车礁”的水轮为下射立式。根据“斗”字，王祯所述斗碓的水轮叶片应是斗式的。把直径不大的“鼓”状水轮制作得“阔”些，可以扩大叶片斗的容积，充分利用水的动量和重量。明代《农政全书》和清代《农雅》都收录了王祯的记述。清康熙刻本《绍兴府志·水利》也提到“平流则以轮鼓水而转”的下射立式水轮和“峻流则以水注轮而转”的上射立式水轮。霍梅尔（Hommel）1937年的著作中描述了中国上射和下射立式水轮。到20世纪90年代，浙江、云南和广西等地仍在使用上射立式水轮，其基本结构和装用方法与王祯所述无异。

| 浙江开化县桐村镇水力作坊外景（张柏春摄）

浙江开化县桐村镇用上射式水轮驱动的水碓粉碎小木块，制作电木粉。水流引自山溪，通过闸板和水槽，冲击到水轮上部的斗式叶片，当叶片转到轴的正下方时水流出叶片斗。在水流冲击力及叶片斗内的水的重力作用下，水轮和轴转动起来，轴上的两对凸板相继压下两个碓杆，碓锤一起一落。通过升降闸板来改变水的流量，从而调节水轮的转速和力矩。当闸板切断水流时，水轮停转，水溢入水槽两侧的泄水道。这样一部水碓，每昼夜可将70公斤手指大小的碎木加工成细如面粉的木粉。

各地的水碓系统除石锤、臼槽、石座、铁箍、铁板套等外，其余所有零部件均为木制，要求所用木料浸水时不易变形和腐烂，纵向和横向强度较高。轴、碓杆、轮辐、辋板等重要零件一般都选用樟木。零部件的连接，主要靠桦、销、楔、箍，除水轮上的加强条外，几乎不用铁钉。当木材变湿膨胀后，连接处会更加紧固。这也是木制水力机械的优点之一。

未完待续

| 编辑节选自《中国三十大发明》，华觉明 冯立昇 主编，黄兴 张柏春作。本文谢绝转载。文章配图部分来源于网络，吉林科普微窗收集整理。