1.輸水機(jī)械
對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說，水的重要性不言而喻。中國有幾千年農(nóng)耕文明的歷史，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，中國古人發(fā)明了桔槔、轆轤、翻車、筒車、戽斗、刮車等提水工具，以幫助農(nóng)業(yè)灌溉，其中有些工具在今天一些偏僻鄉(xiāng)村仍然在繼續(xù)使用。
桔槔是利用杠桿原理的人力提水機(jī)械，橫桿的一端系提水桶，用手操縱橫桿另一端的升降以取水。轆轤是利用輪軸原理的起重機(jī)具，多用于汲取井水。翻車是用木板做成長槽，槽中放置數(shù)十塊與木槽寬度相稱的刮水板（或木斗），刮水板之間由鉸關(guān)依次連接，首尾銜接成環(huán)狀。木槽上下兩端各有一帶齒木軸。轉(zhuǎn)動上軸，則帶動刮水板循環(huán)運轉(zhuǎn)，同時將板間的水體自下而上帶出。戽斗是兩邊各系有兩根繩的小桶，兩人同時操作，可以提水至高處的田地。刮車則是一個轉(zhuǎn)輪，輪直徑約5尺，輪上幅條寬約6寸，用人力搖動轉(zhuǎn)輪，將水刮上。
2.水能機(jī)械
在利用人力獲取水的同時，中國古人也注意到了水中所蘊(yùn)含的能量，并因此創(chuàng)造出水碓、水排和水磨等機(jī)械工具將水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，用于農(nóng)業(yè)和手工業(yè)生產(chǎn)。
中國西漢時期就已出現(xiàn)水碓，它除加工糧食外，還有捶紙漿、碎礦石等多種用途。水碓的傳動方式是由水流沖動立式水輪，輪軸上的短橫木撥動碓梢，促使碓頭一起一落進(jìn)行舂搗。水排是一種水力驅(qū)動的冶煉鼓風(fēng)機(jī)，它由水輪帶動連桿以推動鼓風(fēng)。水排在東漢初年即已成形，比歐洲類似機(jī)械的出現(xiàn)要早1000多年。水磨在魏晉南北朝時期已見記載，又稱水□。水磨的水力傳動部分有臥輪式和立輪式兩種，通常由一只立輪或一只臥輪與若干齒輪相接，每只齒輪則對應(yīng)一只石磨。流水推動立輪或臥輪轉(zhuǎn)動，輪盤再將能量傳遞至齒輪，從而帶動石磨轉(zhuǎn)動。
水運儀象臺
背景簡介
宋元佑三年（公元1088年）在著名科學(xué)家蘇頌的倡議和領(lǐng)導(dǎo)下，一座杰出的天文記時儀器──水運儀象臺，在當(dāng)時的京城開封制成。水運儀象臺的構(gòu)思廣泛吸收了以前各家儀器的優(yōu)點，尤其是吸取了北宋初年天文學(xué)家張思訓(xùn)所改進(jìn)的自動報時裝置的長處；在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，采用了民間使用的水車、筒車、桔槔、凸輪和天平秤桿等機(jī)械原理，把觀測、演示和報時設(shè)備集中起來，組成了一個整體，成為一部自動化的天文臺。
蘇頌主持創(chuàng)制的水運儀象臺是十一世紀(jì)末我國杰出的天文儀器，也是世界上最古老的天文鐘。國際上對水運儀象臺的設(shè)計給予了高度的評價，認(rèn)為水運儀象臺為了觀測上的方便，設(shè)計了活動的屋頂，這是今天天文臺活動圓頂?shù)淖嫦龋粶喯笠粫円棺赞D(zhuǎn)一圈，不僅形象地演示了天象的變化，也是現(xiàn)代天文臺的跟蹤器械——轉(zhuǎn)儀鐘的祖先；水運儀象臺中首創(chuàng)的擒縱器機(jī)構(gòu)是后世鐘表的關(guān)鍵部件，因此它又是鐘表的祖先。從水運儀象臺可以反映出中國古代力學(xué)知識的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平。
原理和結(jié)構(gòu)簡介
在蘇頌所著的《新儀象法要》中詳細(xì)介紹了水運儀象臺的設(shè)計和制作情況，并附有多幅繪圖。根據(jù)《新儀象法要》記載，水運儀象臺是一座底為正方形、下寬上窄略有收分的木結(jié)構(gòu)建筑，高大約有十二米，底寬大約有七米，共分為三大層。
上層是一個露天的平臺，設(shè)有渾儀一座，用龍柱支持，下面有水槽以定水平。渾儀上面覆蓋有遮蔽日曬雨淋的木板屋頂，為了便于觀測，屋頂可以隨意開閉，構(gòu)思比較巧妙。露臺到儀象臺的臺基有七米多高。
中層是一間沒有窗戶的“密室”，里面放置渾象。天球的一半隱沒在“地平”之下，另一半露在“地平”的上面，靠機(jī)輪帶動旋轉(zhuǎn)，一晝夜轉(zhuǎn)動一圈，真實地再現(xiàn)了星辰的起落等天象的變化。
下層設(shè)有向南打開的大門，門里裝置有五層木閣，木閣后面是機(jī)械傳動系統(tǒng)。
第一層木閣又名“正衙鐘鼓樓”，負(fù)責(zé)全臺的標(biāo)準(zhǔn)報時。木閣設(shè)有三個小門。到了每個時辰（古代一天分做十二個時辰，一個時辰又分為時初和時正）的時初，就有一個穿紅衣服的木人在左門里搖鈴；每逢時正，有一個穿紫色衣服的木人在右門里敲鐘；每過一刻鐘，一個穿綠衣的木人在中門擊鼓。
第二層木閣可以報告十二個時辰的時初、時正名稱，相當(dāng)于現(xiàn)代時鐘的時針表盤。這一層的機(jī)輪邊有二十四個司辰木人，手拿時辰牌，牌面依次寫著子初、子正、丑初、丑正等。每逢時初，時正，司辰木人按時在木閣門前出現(xiàn)。
第三層木閣?？虉蟮臅r間。共有九十六個司辰木人，其中有二十四個木人報時初、時正，其余木人報刻。例如：子正：初刻、二刻、三刻；丑初：初刻、二刻、三刻，等等。
第四層木閣報告晚上的時刻。木人可以根據(jù)四季的不同擊鉦報更數(shù)。
第五層木閣裝置有三十八個木人，木人位置可以隨著節(jié)氣的變更，報告昏、曉、日出以及幾更幾籌等詳細(xì)情況。
五層木閣里的木人能夠表演出這些精彩、準(zhǔn)確的報時動作，是靠一套復(fù)雜的機(jī)械裝置“晝夜輪機(jī)”帶動的。而整個機(jī)械輪系的運轉(zhuǎn)依靠水的恒定流量，推動水輪做間歇運動，帶動儀器轉(zhuǎn)動，因而命名為“水運儀象臺”。
知識點
1、水運儀象臺是我國古代用于天文觀測和記時的一部自動化的天文臺。
2、水運儀象臺，于宋元佑三年（公元1088年），在著名科學(xué)家蘇頌的倡議和領(lǐng)導(dǎo)下，在當(dāng)時的京城開封制成。
3、水運儀象臺吸取了北宋初年天文學(xué)家張思訓(xùn)所改進(jìn)的自動報時裝置的長處；在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，采用了民間使用的水車、筒車、桔槔、凸輪和天平秤桿等機(jī)械原理，把觀測、演示和報時設(shè)備集中起來，組成了一個整體，成為一部自動化的天文臺。
4、水運儀象臺為了觀測上的方便，設(shè)計了活動的屋頂，這是今天天文臺活動圓頂?shù)淖嫦取?div style="height:15px;">
5、渾象一晝夜自轉(zhuǎn)一圈，不僅形象地演示了天象的變化，也是現(xiàn)代天文臺的跟蹤器械——轉(zhuǎn)儀鐘的祖先。
6、水運儀象臺中首創(chuàng)的擒縱器機(jī)構(gòu)是后世鐘表的關(guān)鍵部件，因此它又是鐘表的祖先。
7、從水運儀象臺可以反映出中國古代力學(xué)知識的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平。
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蘇頌《新儀象法要》中的「天衡圖」.jpg (17.63 KB, 下載次數(shù): 1)
水排
背景和原理簡介
水排是我國古代一種冶鐵用的水力鼓風(fēng)裝置，在公元31年由杜詩創(chuàng)制，其原動力為水力，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檫B桿的往復(fù)運動。人類早期的鼓風(fēng)器大都是皮囊，我國古代又叫“橐”。一座爐子用好幾個橐，放在一起，排成一排，就叫“排囊”或“排橐”。用水力推動這種排橐，就叫“水排”。
關(guān)于水排的記載，最早見于《東觀漢記》、《后漢書》等文獻(xiàn)?！逗鬂h書?杜詩傳》稱：“（建武）七年（31），遇南陽太守，……善于計略，省愛民役。造作水排，鑄為農(nóng)器，用力少，見功多，百姓便之?！碧评钯t注：“冶鐵者為排以吹炭，今激水以鼓之也。”這是關(guān)于杜詩在東漢初年（公元31年）到南陽做太守時制造水排之事的記載。杜詩創(chuàng)制的水排，具體的結(jié)構(gòu)當(dāng)時缺乏記載，直到元朝王禎在他著的《王禎農(nóng)書》中，才對水排作了詳細(xì)的介紹。
根據(jù)王禎的介紹，水排的結(jié)構(gòu)是：選擇湍急的河流的岸邊，架起木架，在木架上直立一個轉(zhuǎn)軸，上下兩端各安裝一個大型臥輪，在下臥輪（水輪）的輪軸四周裝有葉板，承受水流，是把水力轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械轉(zhuǎn)動的裝置；在上臥輪的前面裝一鼓形的小輪（“旋鼓”），與上臥輪用“弦索”相聯(lián)（相當(dāng)于現(xiàn)在的傳送皮帶）；在鼓形小輪的頂端安裝一個曲柄，曲柄上再安裝一個可以擺動的連桿，連桿的另一端與臥軸上的一個“攀耳”相聯(lián)，臥軸上的另一個攀耳和盤扇間安裝一根“直木”（相當(dāng)于往復(fù)桿）。這樣，當(dāng)水流沖擊下臥輪時，就帶動上臥輪旋轉(zhuǎn)。由于上臥輪和鼓形小輪之間有弦索相連，因此上臥輪旋轉(zhuǎn)一周，可使鼓形小輪旋轉(zhuǎn)幾周，鼓形小輪的旋轉(zhuǎn)又帶動頂端的曲柄旋轉(zhuǎn)，這就使得和它相連的連桿運動，連桿又通過攀耳和臥軸帶動直木往復(fù)運動，使排扇一啟一閉，進(jìn)行
鼓風(fēng)?！ā捌渲?，當(dāng)選湍流之側(cè)，架木立鈾，作二臥輪；用水激下輪。則上輪所用通繳輪前旋鼓，棹枝一側(cè)隨轉(zhuǎn)。其棹枝所貫
行桄而推臥鈾左右攀耳，以及排前直木，則排隨來去，冶甚速，過于人力。”——王幀《農(nóng)書》）
現(xiàn)傳本王幀《農(nóng)書》所繪原圖有誤，劉仙洲先生參考文字?jǐn)⑹隼L出了稍加修正的水排圖。
杜詩創(chuàng)制的水排，不僅運用了主動輪、從動輪、曲柄、連桿等機(jī)構(gòu)把圓周運動變?yōu)槔瓧U的直線往復(fù)運動；還運用了皮帶傳動，使直徑比從動輪小的旋鼓快速旋轉(zhuǎn)。它在結(jié)構(gòu)上，已具有了動力機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)三個主要部分，因此實際上可以看作是現(xiàn)代水輪機(jī)的前身，水排的出現(xiàn)標(biāo)志著中國復(fù)雜機(jī)器的誕生。遠(yuǎn)在一千四百多年以前的今天，就能創(chuàng)制出這樣完整的水力機(jī)械，確實顯示了中國古人的高度智慧和創(chuàng)造才能，在世界科技史上占有重要的地位。在歐洲，使用水力鼓風(fēng)設(shè)備的鼓風(fēng)爐到公元十一世紀(jì)才出現(xiàn)，而普遍使用卻是十四世紀(jì)的事了。
水力鼓風(fēng)有十分重要的意義，它加大了風(fēng)量，提高了風(fēng)壓，增強(qiáng)了風(fēng)力在爐里的穿透能力。這一方面可以提高冶煉強(qiáng)度，另一方面可以擴(kuò)大爐缸，加高爐身，增大有效容積。這就大大地增加了生產(chǎn)能力。足夠強(qiáng)大的鼓風(fēng)能力，足夠高大的爐子，是煉出生鐵的必要條件。歐洲人能在十四世紀(jì)煉出生鐵來，和水力鼓風(fēng)的應(yīng)用是有一定關(guān)系的。水排的發(fā)明是人類利用自然力的一次偉大勝利。
同濟(jì)大學(xué)陸敬嚴(yán)教授課題組研究與復(fù)原的實物模型照片。
知識點
1、水排是我國古代一種冶鐵用的水力鼓風(fēng)裝置。
2、利用水力作為原動力。
3、通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檫B桿的往復(fù)運動。
4、不僅運用了主動輪、從動輪、曲柄、連桿等機(jī)構(gòu)把圓周運動變?yōu)槔瓧U的直線往復(fù)運動；還運用了皮帶傳動。
5、在結(jié)構(gòu)上，已具有了動力機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)三個主要部分，因此實際上可以看作是現(xiàn)代水輪機(jī)的前身，水排的出現(xiàn)標(biāo)志著中國復(fù)雜機(jī)器的誕生。遠(yuǎn)在一千四百多年以前的今天，就能創(chuàng)制出這樣完整的水力機(jī)械，確實顯示了中國古人的高度智慧和創(chuàng)造才能，在世界科技史上占有重要的地位。
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筒車
背景簡介
筒車也稱流水筒車，水轉(zhuǎn)筒車或簡稱筒輪，是一種以水流作動力，取水灌田的工具。
筒車約發(fā)明于隋唐，唐詩人劉禹錫有《機(jī)汲記》加以描述，詩圣杜甫也有“連筒灌小園”的詩句。據(jù)《太平廣記》記載，唐朝初年，寺廟僧人澆園時，“以木桶相連，汲于井中。”因為結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，且維修方便，其在宋代已廣泛流行于民間，直至今日，云、桂、川、甘、陜、粵等地仍使用之。
原理和結(jié)構(gòu)簡介
筒車也稱流水筒車，水轉(zhuǎn)筒車或簡稱筒輪，是一種以水流作動力，取水灌田的工具。其主要機(jī)構(gòu)是一個水輪，其原理為：在水流很急的岸旁打下兩個硬樁，制一大輪1，將大輪的軸2擱在樁叉3上。大輪上半部高出堤岸，下半部浸在水里，可自由轉(zhuǎn)動。大輪輪輻外受水板上斜系有一個個竹筒4，岸旁湊近輪上水筒的位置，設(shè)有水槽5。當(dāng)大輪受水板受急流沖激，輪子轉(zhuǎn)動，水筒中灌滿水，轉(zhuǎn)過輪頂時，筒口向下傾斜，水恰好倒入水槽，并沿水槽流向田間。此種筒車日夜不停車水澆地，不用人畜之力，功效高。筒車的水筒與水輪聯(lián)成一體，既是接受水力的驅(qū)動構(gòu)件，又是提水倒水的工作構(gòu)件，其機(jī)構(gòu)簡明緊湊，設(shè)計構(gòu)思巧妙。
筒車包括戽車、衛(wèi)轉(zhuǎn)筒車、高轉(zhuǎn)筒車等許多種類。如果在水輪軸外端安裝一立輪，使其與一牛轉(zhuǎn)平輪相嚙合。這樣的筒車就成為牛轉(zhuǎn)筒車或衛(wèi)轉(zhuǎn)筒車。此外，尚有“畜力筒車”，依靠齒輪傳動帶動筒車；“高轉(zhuǎn)筒車”，通過兩大輪，將低處之水帶向高處，結(jié)構(gòu)均巧妙合理，為我國古代人民杰出發(fā)明。高轉(zhuǎn)筒車可表于水岸陡高之處。它的特點是，盛水筒構(gòu)成筒鏈、繞過水輪與上輪之周邊，古稱“筒索”。筒鏈上升一邊，因盛水筒而加重，故作一平板槽承之。高轉(zhuǎn)筒車上輪軸可設(shè)人踏、牛轉(zhuǎn)之機(jī)，也可以在水輪軸上附設(shè)水轉(zhuǎn)之機(jī)。
筒車約發(fā)明于隋唐，唐詩人劉禹錫有《機(jī)汲記》加以描述，詩圣杜甫也有“連筒灌小園”的詩句。據(jù)《太平廣記》記載，唐朝初年，寺廟僧人澆園時，“以木桶相連，汲于井中?！币驗榻Y(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，且維修方便，其在宋代已廣泛流行于民間，直至今日，云、桂、川、甘、陜、粵等地仍使用之。
有關(guān)筒車的最早記載是約9世紀(jì)時陳廷章的《水輪賦》，其時筒車的制作已有一定的規(guī)程。唐陳廷章《水輪賦》：“水能利物，輪乃曲成。升降滿農(nóng)夫之用，低徊隨匠氏之程。始崩騰以電散，俄宛轉(zhuǎn)以風(fēng)生。雖破浪于川湄，善行無跡；既斡流于波面，終夜有聲?！?div style="height:15px;">
五代十國時期，偏安成都的后蜀，在王宮內(nèi)的摩訶池畔架起高轉(zhuǎn)筒車提水，持續(xù)向王宮屋頂澆水降溫。南宋筒車不僅在城市、運河的供水中使用，在農(nóng)田灌溉中也有應(yīng)用的記載。當(dāng)時有人寫了一篇游記，描述了其在廣西興安的見聞，記下了田野“筒車無停輪，木枧著高格”的景象。
宋梅堯臣《水輪詠》：“孤輪運寒水，無乃農(nóng)自營。隨流轉(zhuǎn)自速，居高還復(fù)傾。”《宋史.太祖紀(jì)三》：“六月庚子，步至?xí)x王邸，命作機(jī)輪，輓金水河注邸中為池?！彼卫钐帣?quán)《土貴要予賦水輪》詩：“江南水輪不假人，智者創(chuàng)物真大巧。一輪十筒挹且注，循環(huán)下上無時了?！泵魍跖R亨《粵劍編》卷三：“水車，每輻用水筒一枚，前仰后俯，轉(zhuǎn)輪而上，恰注水槽中，以田之高下為輪之大小，即三四丈以上田，亦能灌之，了不用人力?！?div style="height:15px;">
