輸水機械
古代水力機械
古代水力機械
古代水力機械
《天工開物》水車圖對農業生產來說，水的重要性不言而喻。中國有幾千年農耕文明的歷史，在農業生產中，中國古人發明了桔槔、轆轤、翻車、筒車、戽斗、刮車等提水工具，以幫助農業灌溉，其中有些工具在今天一些鄉村仍然在繼續使用。 桔槔是利用槓桿原理的人力提水機械，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具，多用於汲取井水。 翻車是用木板做成長槽，槽中放置數十塊與木槽寬度相稱的刮水板（或木斗），刮水板之間由鉸關依次連線，首尾銜接成環狀。木槽上下兩端各有一帶齒木軸。轉動上軸，則帶動刮水板循環運轉，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。 刮車則是一個轉輪，輪直徑約5尺，輪上幅條寬約6寸，用人力搖動轉輪，將水刮上。
筒車
復原的筒車
古代水力機械
筒車
筒車
《農政全書》中的筒車圖背景簡介
筒車也稱流水筒車，水轉筒車或簡稱筒輪，是一種以水流作動力，取水灌田的工具。筒車約發明於隋唐，唐詩人劉禹錫有《機汲記》加以描述，詩聖杜甫也有“連筒灌小園”的詩句。據《太平廣記》記載，唐朝初年，寺廟僧人澆園時，“以木桶相連，汲於井中。”因為結構簡單，造價低廉，且維修方便，其在宋代已廣泛流行於民間，直至今日，雲、桂、川、甘、陝、粵等地仍使用之。
原理和結構簡介
筒車其主要機構是一個水輪，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，下半部浸在水裡，可自由轉動。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，設有水槽5。當大輪受水板受急流衝激，輪子轉動，水筒中灌滿水，轉過輪頂時，筒口向下傾斜，水恰好倒入水槽，並沿水槽流向田間。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成一體，既是接受水力的驅動構件，又是提水倒水的工作構件，其機構簡明緊湊，設計構思巧妙。
筒車包括戽車、衛轉筒車、高轉筒車等許多種類。如果在水輪軸外端安裝一立輪，使其與一牛轉平輪相嚙合。這樣的筒車就成為牛轉筒車或衛轉筒車。此外，尚有“畜力筒車”，依靠齒輪傳動帶動筒車；“高轉筒車”，通過兩大輪，將低處之水帶向高處，結構均巧妙合理，為我國古代人民傑出發明。高轉筒車可表於水岸陡高之處。它的特點是，盛水筒構成筒鏈、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。高轉筒車上輪軸可設人踏、牛轉之機，也可以在水輪軸上附設水轉之機。
有關筒車的最早記載是約九世紀時陳廷章的《水輪賦》，其時筒車的製作已有一定的規程。唐陳廷章《水輪賦》：“水能利物，輪乃曲成。升降滿農夫之用，低徊隨匠氏之程。始崩騰以電散，俄宛轉以風生。雖破浪於川湄，善行無跡；既斡流於波面，終夜有聲。”
五代十國時期，偏安成都的後蜀，在王宮內的摩訶池畔架起高轉筒車提水，持續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，在農田灌溉中也有套用的記載。當時有人寫了一篇遊記，描述了其在廣西興安的見聞，記下了田野“筒車無停輪，木梘著高格”的景象。
宋梅堯臣《水輪詠》：“孤輪運寒水，無乃農自營。隨流轉自速，居高還復傾。”《宋史.太祖紀三》：“六月庚子，步至晉王邸，命作機輪，挽金水河注邸中為池。”宋李處權《土貴要予賦水輪》詩：“江南水輪不假人，智者創物真大巧。一輪十筒挹且注，循環下上無時了。”明王臨亨《粵劍編》卷三：“水車，每輻用水筒一枚，前仰後俯，轉輪而上，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。”
元代王禎《農書》對筒車有很詳細的介紹，且配有圖譜。
知識點
1、筒輪是一種以水流作動力，取水灌田的工具。
2、筒輪是一種可以自行提水的灌溉機械，轉動不需要其它的動力，而且大立輪愈大，所產生的驅動力矩也愈大；大立輪重量愈小，動力性能愈好。
3、筒輪是實現一個迴轉運動。
高轉筒車
背景簡介
高轉筒車的復原模型筒車又稱“水輪”，屬於提水機械，最早出現在晚唐，用於灌溉水稻。其結構是：以木或竹製成大型立輪1，用橫軸2架起，輪周斜裝若干小木筒或竹筒3，輪的下部浸入水中；水激輪轉，浸入水中的小筒被水灌滿，當水輪轉到上部時，小筒自動將水傾瀉入木槽4中。
王禎《農書》所繪的高轉筒車
王禎《農書》所繪的筒車原理簡介
高轉筒車是筒車的一種。所謂高轉筒車是指其提水高度較一般筒車加大，必須藉助湍急的河水衝動。這種筒車的適用範圍是水很低而岸很高，套用其它筒車不可能將水提升到這么高，而套用高轉筒車時，水的提升高度可以很高。如下圖為王禎《農書》描繪的高轉筒車，屬於提水機械。以人力或畜力為動力，外形如龍骨車，其運水部件如井車，其上、下都有木架，各裝一個木輪，輪徑約四尺（明代一尺約合0.32公尺）輪緣旁邊高、中間低，當中做出凹槽，更顯凹凸不平，以加大輪緣與竹筒的摩擦力。下面輪子半浸水中，兩輪上用竹索相連，竹索長約一尺，竹筒間距離約五寸，在上下兩輪之間、在上面竹索與竹筒之下，用木架及木板托住，以承受竹筒盛滿水後的重量。高轉筒車也用人力或畜力轉動上輪。綁著竹筒的竹索是傳動件，當上輪轉動時，竹索及下輪都隨著轉動，竹筒也隨竹索上下。當竹筒下行到水中時，就兜滿水，而後隨竹索上行，到達上輪高處時，竹筒將水侵瀉到水槽內，如此循環不已。帶動連成串的小竹筒盛水，沿水槽而上，可在高岸上從低水源地區取水。歷史記載
王幀《農書》記載：“高轉筒車．其高以十丈為準，上下架木，各豎一輪，下輪半在水內，各輪徑可四尺。輪之一周，兩旁高起，其中若槽，以受筒索。其索用竹，均排三股，通穿為一。隨車長短，如環無端。索上相離五寸，俱置竹筒。筒長一尺，筒索之底，托以木牌，長亦如之。通用鐵線縛定，隨索列次，絡於上下二輪。復於二輪筒索之間，架刳木平底行槽一連，上與二輪相平，以承筒索之重。或人踏，或牛拽轉上輪，則筒索自下兜水循槽至上輪，輪首覆水，空筒復下。如此循環不已，日所得水，不減平地車戽。若積為池沼，再起一車，計及二百餘尺。如因高岸深，或田在山上，皆可及之，今平江虎邱寺劍池亦類此制，但小小汲飲，不足溉田，故不錄。此近創捷法，已經較試，庶用者述之。”
由此可知，高轉筒車由上1、下輪2、簡索3、支架4等部件組成。下輪有一半埋於水中，汲水高程可達十丈，如兩架筒車配合則可達二十丈。汲水筒5長約一尺，以索相連成鏈環狀，筒的間距為五寸，索鏈用竹製成。從傳動方式看，高轉筒車也是鏈傳動的實例。它以上輪為主動輪，由於動力不同。輪抽部件構成有所變化。“所轉上輪，形如框制，易繳筒索。用人則於輪軸一端作棹枝，用牛則製作豎輪，如牛轉翻車之法，或於軸兩端造作拐木，如人踏翻車之制”。
高轉筒車的發明年代，從文獻考察可推斷在唐代。唐人劉禹錫的《機汲記》和陳廷章的《水輪賦》都形象地描繪了高轉筒車的功能。
劉禹錫記載高轉筒車說：“……由是比竹以為，置於流中。中植數尺之臬、輦石以壯其趾，如建標焉。索絢以為縆，縻於標垂，上屬數仞之端，亘空以峻其勢，如張弦焉。鍛鐵為器，外廉如鼎耳，內鍵如樂鼓，牝牡相函，轉於兩端，走於索上，且受汲具。及泉而循綆下縋，盈器而圓軸上引。其往有建瓴之駛，其來有推轂之易，瓶繘不羸，如博而升。枝常瀾，出高岸，拂林杪，逾峻防。刳蟠木以承澍，貫修筠以達豚，走下潺潺，聲寒空中。通洞環折，唯用所在。周除而沃盥以蠲，入爨而錡釜以盈。飪餗之餘。移用於湯沐。濯浣之末，池注於圃畦”。
陳延章在《水輪賦》中歌頌水車的威力說：“水能利物，輪乃曲成，……始崩騰以電散，俄宛轉以風生，……觀夫斵木而為，憑河而引，箭馳可能而滴瀝，輻湊必循手規準。……殊轆轤以致功，就其深矣；鄙桔槔之煩力，使自趨之。……迴環潤手嘉轂，洊至逾於行潦，鉤深致遠，沿洄而可使在山……。”從“使自趨之”和“沿洄而可使在山”等字句，可以看出這種高轉筒車是著重輪轂，利用水力推動把水引到高遠的地方。
知識點
1、高轉筒車屬於提水機械，以人力或畜力為動力。
2、高轉筒車由上、下輪、簡索、支架等部件組成。
3、下輪有一半埋於水中，汲水高程可達十丈，如兩架筒車配合則可達二十丈。
4、汲水筒長約一尺，以索相連成鏈環狀，筒的間距為五寸，索鏈用竹製成。從傳動方式看。高轉筒車也是鏈傳動的實例。
5、高轉筒車以上輪為主動輪，由於動力不同，輪抽部件構成有所變化。“所轉上輪，形如框制，易繳筒索。用人則於輪軸一端作棹枝，用牛則製作豎輪，如牛轉翻車之法，或於軸兩端造作拐木，如人踏翻車之制”。
6、高轉筒車是一種具有搬運鏈性質的機械，是現代斗式提升機和刮板輸送機的雛形。
7、高轉筒車的發明年代，從文獻考察可推斷在唐代。唐人劉禹錫的《機汲記》和陳廷章的《水輪賦》都形象地描繪了高轉筒車的功能。
龍骨水車
背景簡介（也叫翻車）
龍骨水車復原模型
不同的龍骨水車 明·宋應星《天工開物》
泉州海上交通民俗文化陳列館內的龍骨水車原理和結構簡介
龍骨水車的稱呼來自民間，南宋陸游《春晚即景》：“龍骨車鳴水入塘，雨來猶可望豐穰。”目前見到的史料中，這是最早的出處。這種水車主要由木鏈、水、刮板等組成，節節木鏈似根根龍骨，因此得名龍骨水車。龍骨水車適合近距離，提水高度在1～2米左右，比較適合平原地區使用，或者作為灌溉工程的輔助設施，從輸水渠上直接向農田提水。用於井中取水的龍骨水車是立式的，水車的傳動裝置有平輪和立輪兩種以轉換動力方向。它提水時，一般安放在河邊，下端水槽和刮板直伸水下，利用鏈輪傳動原理，以人力（或畜力）為動力，帶動木鏈周而復始地翻轉，裝在木鏈上的刮板就能順著水把河水提升到岸上，進行農用灌溉。這種水車的出現，對解決排灌問題，起了極其重要的作用。最初的龍骨水車是用人力轉動的，後來我國人民又創製了利用畜力、風力、水力等轉動的多種水車。
唐宋以來農田灌溉、排水及運河供水中，龍骨水車是使用最普遍的提水機械，特別是南方大興圍田之後，對低水頭提水機械的需求更加普遍。元代王禎《農書》繪製了不同動力的龍骨水車的圖譜，其中人力水車有腳踏、手搖等，畜力水車有牛車、驢車等。
由於這種龍骨水車結構合理，可靠實用，所以能一代代流傳下來。直到近代，隨著農用水泵的普遍使用，它才完成了歷史使命，悄悄地退出歷史舞台。龍骨水車作為灌溉機具現在已被電動水泵取代了，然而這種水車鏈輪傳動、翻板提升的工作原理，卻有著不朽的生命力。就拿我們的海岸、港口經常能見到的疏浚河道的斗式挖泥機來說吧，那一隻只迴轉挖泥的泥斗，就是從水車的提水翻板脫胎而來的。因此一看到挖泥機，人們就仿佛見到了古老的龍骨水車。
知識點
1、龍骨水車是使用最普遍的提水機械。
2、用於井中取水的龍骨水車是立式的，水車的傳動裝置有平輪和立輪兩種以轉換動力方向。
3、利用鏈輪傳動原理。
水能機械
古代水力機械
古代水力機械
古代水力機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含的能量，並因此創造出水碓、水排和水磨等機械工具將水能轉化為機械能，用於農業和手工業生產。
中國西漢時期就已出現 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衝動立式水輪，輪軸上的短橫木撥動碓梢，促使碓頭一起一落進行舂搗。 水排是一種水力驅動的冶煉鼓風機，它由水輪帶動連桿以推動鼓風。水排在東漢初年即已成形，比歐洲類似機械的出現要早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，通常由一隻立輪或一隻臥輪與若干齒輪相接，每隻齒輪則對應一隻石磨。流水推動立輪或臥輪轉動，輪盤再將能量傳遞至齒輪，從而帶動石磨轉動。
水碓
復原的八頭水碓模型
復原的二頭水碓模型
連機碓的復原模型背景簡介
我國勞動人民不僅創造了用水力推動鼓風機鑄鐵，而且進一步利用水力、槓桿和凸輪的原理去加工糧食，這種用水力把糧食皮殼去掉的機械叫水碓。
原理和結構簡介
最早提到水碓的是西漢桓譚的著作。《太平御覽》引桓譚《新論·離車第十一》說：“伏義之制杵臼之利，萬民以濟。及後世加巧，延力借身重以踐碓，而利十倍；又復設機用驢騾、牛馬及投水而舂，其利百倍。”這裡講的“投水而舂”，就是水碓。
從《新論》一書看來，早在公元前後，水輪帶動桿碓，已非新奇之事。漢安帝永建四年（公元129年），尚書僕射虞詡上疏，建議在隴西羌人住地築河槽、造水碓。從此邊遠地區遍布“水舂河漕”、“用功省少，軍糧饒足”。更有甚者，晉王爵公主的水碓多到“遏塞流水，轉為浸害”，以致不得不下令罷水碓，方使百姓獲其便利。
《天工開物》中的水碓魏末晉初（公元二百六十至二百七十年）杜預總結了我國勞動人民利用水排原理加工糧食的經驗，發明了連機碓。水碓的構造大概是水輪的橫軸穿著四根短橫木(和軸成直角)，旁邊的架上裝著四根舂穀物的碓捎，橫軸上的短橫木轉動時，碰到碓捎的末端。把它壓飛，另一頭就翹起來，短橫木轉了過去，翹起的一頭就落下來，四根短橫木連續不斷地打著相應的碓梢，一起—落地舂米。
應當特別指出，晉代杜預造連機碓，可能是一個大水輪驅動數個水碓。入唐以後，水碓記載更多，其用途也逐漸推廣。大凡需要搗碎之物，如藥物、香料、乃至礦石、竹篾紙漿等等，皆可用省力功大的水碓。
繼後不久，水磨又根據此原理被發明了。劉宋時代祖沖之造水碓磨，可能是一個大水輪同時驅動水碓與水磨的機械。這些成就表明古代水碓技術的大發展。至少可以說，杜預發明的連碓，是蒸汽錘出現之前所有重型機械錘的直系祖先。18世紀西方的鍛錘，其實是水碓之複製品而已。
知識點
1、利用水力、槓桿和凸輪的原理去加工糧食。
2、水碓是腳踏碓機械化的成果。
3、使用立式水輪結構。
4、連機碓是一個大水輪驅動數個水碓，即一個原動機帶動數個工作機的形式。
5、迴轉運動帶動上下擺動輸出運動。
水排
背景和原理簡介
復原的水排實物模型水排是我國古代一種冶鐵用的水力鼓風裝置，在公元31年由杜詩創製，其原動力為水力，通過曲柄連桿機構將迴轉運動轉變為連桿的往復運動。人類早期的鼓風器大都是皮囊，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”。
水排復原模型關於水排的記載，最早見於《東觀漢記》、《後漢書》等文獻。《後漢書?杜詩傳》稱：“（建武）七年（31），遇南陽太守，……善於計略，省愛民役。造作水排，鑄為農器，用力少，見功多，百姓便之。”唐李賢註：“冶鐵者為排以吹炭，今激水以鼓之也。”這是關於杜詩在東漢初年（公元31年）到南陽做太守時製造水排之事的記載。杜詩創製的水排，具體的結構當時缺乏記載，直到元朝王禎在他著的《王禎農書》中，才對水排作了詳細的介紹。
排囊復原模型根據王禎的介紹，水排的結構是：選擇湍急的河流的岸邊，架起木架，在木架上直立一個轉軸，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，是把水力轉變為機械轉動的裝置；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（相當於現在的傳送皮帶）；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，臥軸上的另一個攀耳和盤扇間安裝一根“直木”（相當於往復桿）。這樣，當水流衝擊下臥輪時，就帶動上臥輪旋轉。由於上臥輪和鼓形小輪之間有弦索相連，因此上臥輪旋轉一周，可使鼓形小輪旋轉幾周，鼓形小輪的旋轉又帶動頂端的曲柄旋轉，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運動，使排扇一啟一閉，進行鼓風。——（“其制，當選湍流之側，架木立鈾，作二臥輪；用水激下輪。則上輪所用通繳輪前旋鼓，棹枝一側隨轉。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，過於人力。”——王幀《農書》）
劉仙洲修正圖現傳本王幀《農書》所繪原圖有誤，劉仙洲先生參考文字敘述繪出了稍加修正的水排圖。
王幀《農書》水排圖杜詩創製的水排，不僅運用了主動輪、從動輪、曲柄、連桿等機構把圓周運動變為拉桿的直線往復運動；還運用了皮帶傳動，使直徑比從動輪小的旋鼓快速旋轉。它在結構上，已具有了 動力機構、 傳動機構和 工作機構三個主要部分，因此實際上可以看作是現代水輪機的前身，水排的出現標誌著中國複雜機器的誕生。
遠在一千四百多年以前的今天，就能創製出這樣完整的水力機械，確實顯示了中國古人的高度智慧和創造才能，在世界科技史上占有重要的地位。在歐洲，使用水力鼓風設備的鼓風爐到公元十一世紀才出現，而普遍使用卻是十四世紀的事了。
水力鼓風有十分重要的意義，它加大了風量，提高了風壓，增強了風力在爐里的穿透能力。這一方面可以提高冶煉強度，另一方面可以擴大爐缸，加高爐身，增大有效容積。這就大大地增加了生產能力。足夠強大的鼓風能力，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煉出生鐵來，和水力鼓風的套用是有一定關係的。水排的發明是人類利用自然力的一次偉大勝利。
同濟大學陸敬嚴教授課題組研究與復原的實物模型照片見右側。
知識點
1、水排是我國古代一種冶鐵用的水力鼓風裝置。
2、利用水力作為原動力。
3、通過曲柄連桿機構將迴轉運動轉變為連桿的往復運動。
4、不僅運用了主動輪、從動輪、曲柄、連桿等機構把圓周運動變為拉桿的直線往復運動；還運用了皮帶傳動。
5、在結構上，已具有了動力機構、傳動機構和工作機構三個主要部分，因此實際上可以看作是現代水輪機的前身，水排的出現標誌著中國複雜機器的誕生。遠在一千四百多年以前的今天，就能創製出這樣完整的水力機械，確實顯示了中國古人的高度智慧和創造才能，在世界科技史上占有重要的地位。
水磨
背景和原理簡介
《欽定授時通考》中的「水轉連磨」圖
《農書》中的「臥輪水磨」圖
《農書》中的「水轉大紡車」圖
水磨的復原模型
水磨復原模型水磨的動力部分是一個臥式水輪，在輪的立軸上安裝磨的上扇，流水衝動水輪帶動磨轉動，這種磨適合於安裝在水的衝動力比較大的地方。假如水的衝動力比較小，但是水量比較大，可以安裝另外一種形式的水磨：動力機械是一個立輪，在輪軸上安裝一個齒輪，和磨軸下部平裝的一個齒輪相銜接。水輪的轉動是通過齒輪使磨轉動的。這兩種形式的水磨，構造比較簡單，套用很廣。
從機械角度來看。它是由水輪、軸和齒輪聯合傳動的機械。從車輪到水輪是技術史、也是人類文明史進步的標誌。僅從水碓、水磨的發展可見古代中國人在這方面取得的成就。從古代繪畫中的臥輪水磨、立輪水磨和立輪式水轉大紡車，可見在中國古代的各種機械中，安裝臥輪還是立輪的決定，已經是根據當地水利資源、水勢高低、齒輪與輪軸的匹配原則，從經濟、便利等角度予以研究，並具體解決的。
王禎在其《農書》中所提及的水轉紡車，其原理與水轉碾磨相同：水輪軸帶動紡車大輪，通過繩帶傳送，紡車大輪將運動傳遞到紡車各機件，這樣，便可使整個機器轉動起來。
知識點
1、水磨的發展與杜詩發明水排有關。
2、以水輪同時驅動舂、磨，同時驅動碓、磨，同時驅動碾與磨，多功能水磨機械到三國時代已經誕生成型。
3、從車輪到水輪是技術史、也是人類文明史進步的標誌。僅從水碓、水磨的發展可見古代中國人在這方面取得的成就。
4、在中國古代的各種機械中，安裝臥輪還是立輪的決定，已經是根據當地水利資源、水勢高低、齒輪與輪軸的匹配原則，從經濟、便利等角度予以研究，並具體解決的。
4、水轉紡車，其原理與水轉碾磨相同。
連機碓
連機碓的復原模型
連機水碓復原模型
古代的連機碓圖背景和原理簡介
連機碓是誰發明的？明徐光啟《農政全書·水利》說：“杜預作連機碓。”杜預（222～284年）西晉將領，又是學者，初為河南尹，繼督荊州，拜鎮南大將軍，封當陽縣侯，博學多通。所謂的連機碓，可能就是以水為動力的一種穀物加工工具。《晉書》記載，“今人造作水輪，輪軸長可數尺，列貫橫木，相交如槍之制。水激輪轉，則軸間橫木，間打所排碓梢，一起一落舂之，即連機碓也。”即其工作時，以一個大型臥式水輪帶動裝在輪軸上的一排互相錯開的撥板，撥板撥動碓桿，使幾個碓頭間斷地相繼舂米。像洛陽一帶，由於使用了連機碓來加工穀物，生產效率大大提高，使這一地區的米價得以下跌。到東晉時，連機水碓已經被廣為套用，一直到清末民國初，歷久不廢，直至20世紀20年代以來才逐漸為柴油機碾米機所替代。顯然，杜預發明連機碓對我國古代乃至近代的穀物加工做出了重要貢獻。連機碓不僅用於糧食加工，還用於舂碎陶土、香料等，至今有的地方仍在使用。
知識點
1、連機碓，是以水為動力的一種穀物加工工具，使生產效率大大提高。
2、連機碓不僅用於糧食加工，還用於舂碎陶土、香料等，至今有的地方仍在使用。
槽碓
以水流的勢能做功的槽碓
以水流動能轉化為機械能的連機碓背景和原理簡介
加熱空氣，造成氣流，並以氣流推動輪軸旋轉，按此原理造成的玩具就是走馬燈。走馬燈的發明，至晚在宋代。宋代吳自牧的著作《夢粱錄》述及南宋京城臨安夜市時，已指出其中有買賣走馬燈的。周密《武林舊事》在記述臨安“燈品”時也說：“若沙戲影燈，馬騎人物，旋轉如飛”。可見，走馬燈在南宋時巳極為盛行。下圖為水碓兩種。（引自明·徐光啟《農政全書》）歷史記載
槽碓已開始利用水力，但非以水運轉輪軸，而是以水槽取代踏碓人位置，槽容積約容一斗多的水，一般設在泉流較低處，用筧（竹管）引水注入槽中，槽水注滿因重而下垂，而前稍翹起，槽水則瀉下，則又後稍較輕，而前稍落下，如此即完成一舂。使用槽碓，沒有時間限制，日夜不停運作，可得穀米兩斛，至少可省兩個人工。《農書》做了詳細描述：“凡所居之地，間有泉流梢細，可選低處置碓一區，一如常之制，但前頭減細，後梢深闊為槽，可貯水斗余，上芘以廈，槽在廈外，乃自上流用筧引水下注於槽，水滿則後重而前起，水瀉則後輕而前落，即為一舂，如此晝夜不止。”
知識點
1、槽碓是東漢時發明的糧食加工機械，用於穀物脫殼或粉碎。槽碓直接靠水的自重，通過槓桿原理上下運動而工作，多引山溪或泉水。
水碾
元王禎《農書》中描繪的水碾
石碾背景和原理簡介
水力碾是魏晉南北朝時發明的穀物加工機械，用於穀物脫殼或去麩。水碾是中古時期較為先進的生產加工工具，特點主要是在技術上充分利用水利資源，藉助水力帶動碾磑進行加工生產。碾與磨比較，磨有上、下兩扇磨盤，中軸直穿，下層固定，上層旋轉，作滑動磨擦，而碾則只有一扇磨盤，中軸固定，上安橫軸，軸上裝滾輪旋轉，作滾動磨擦。水碾的基本結構是在一扇大磨盤中設中軸，並裝一根橫軸，橫軸一端裝一個滾輪，利用水輪帶動軸轉，使滾輪滾動摩擦，將穀物脫殼或去麩，工效高於畜力碾。歷史記載
水碾是石碾裡面的一種，下圖為元王禎《農書》描繪的石碾。石碾最早見於東漢文獻記載，可用人力、畜力或水力驅動。王禎《農書》記載：“下作臥輪或立輪，如水磨之法，輪軸上端穿其碢榦，水激則輾隨輪轉，循槽轢谷，疾若風雨，日所毇米，比於陸輾，功利過倍。”
《魏書》記載崔亮“讀《杜預傳》，見為八磨，嘉其有濟時用，遂教民為碾。及為僕射，奏於張方橋東堰谷水造水碾磨數十區，其利十倍，國用便之”。由此可見，不僅水碾的加工效率大有提高，而且其生產效益也頗豐厚，對於社會生產有著重要意義。
魏晉南北朝時，當時日趨發展的寺院經濟勢力，也開始主動謀取自身的經濟利益，介入到各種經濟活動中。北魏楊街之在《洛陽伽藍記》中就描述當時的景明寺已經利用水碾進行生產加工：“寺有三池，萑蒲菱藕，水物生焉。或黃甲紫鱗，出沒於蘩藻；或青鳧白雁，沉浮於綠水。碾磑舂簸，皆用水功”。
東漢順帝永建四年，尚書僕射庾虞詡曾上書說“禹貢雍州之域，厥田惟上。……北阻山河，乘陀據險。因渠以溉，水舂河漕。用功省少，而軍糧饒足。故孝武皇帝及光武築朔方，開西河，置上郡，皆為此也”。
知識點
1、水力碾是魏晉南北朝時發明的穀物加工機械，用於穀物脫殼或去麩。
2、水碾的基本結構是在一扇大磨盤中設中軸，並裝一根橫軸，橫軸一端裝一個滾輪，利用水輪帶動軸轉，使滾輪滾動摩擦，將穀物脫殼或去麩。
水輪三事
《農書》中的水輪三事
水輪三事的復原模型背景和原理簡介
“水輪三事”是王禎創製的。他在普通水磨的基礎上，通過改變它的軸首裝置，使它兼有磨麵、礱稻、碾米三種功用。水輪三事的結構組成為：一個由水力驅動的立式大水輪，在延長的水輪軸上裝上一列凸輪或撥桿和一個立輪（齒輪），凸輪或撥桿撥動碓桿末端，使碓上下往復擺動，即可舂米或使穀物脫殼。立輪（齒輪）同時驅動一個平輪（齒輪）和一個立輪（齒輪），平輪所在軸上裝有磨，用以磨麵。立輪所在軸上裝有水車，用以取水灌溉。歷史記載
水輪三事在《農書》中記載 “水輪三事，謂水轉輪軸，可兼三事，磨、礱、碾也。初則置立水磨，變麥作面，一如常法，復於磨之外周造碾圓槽，如欲毇米，惟就水輪軸首易磨置礱，既得糲米，則去礱置碾、碢乾循槽碾之，乃成熟米。夫一機三事，始終俱備，變而能通，兼而不乏，省而有要，誠便民之活法，造物之潛機。”
數百年來，這項發明使人們從繁重的體力從勞動里解放出來，大幅度的減輕了農民的工作量。
知識點
1、水輪三事”它兼有磨麵、礱稻、碾米三種功用。結構複雜，是古代農業機械的最高成就。
水礱
水礱背景和原理簡介
水礱主要用以水稻脫殼。水礱的下圈中間有一個與水輪相連線的軸，下圈隨水輪轉動。上圈用繩索吊在木樑上。在太原晉祠鎮發現的古礱上圈直徑80厘米，高70厘米，下圈高38厘米，一日能脫谷3000斤。水礱通常用柳條或竹條編成底圈，中間用粘土充填，並打入硬木齒，上下兩圈相疊。知識點
1、水礱主要用以水稻脫殼。水礱的下圈中間有一個與水輪相連線的軸，下圈隨水輪轉動。
水運儀象台
背景簡介
水運儀象台復原模型
水運儀象台復原模型
水運儀象台結構示意圖
蘇頌《新儀象法要》中的「天衡圖」宋元佑三年（公元1088年）在著名科學家蘇頌的倡議和領導下，一座傑出的天文記時儀器──水運儀象台，在當時的京城開封製成。水運儀象台的構思廣泛吸收了以前各家儀器的優點，尤其是吸取了北宋初年天文學家張思訓所改進的自動報時裝置的長處；在機械結構方面，採用了民間使用的水車、筒車、桔槔、凸輪和天平秤桿等機械原理，把觀測、演示和報時設備集中起來，組成了一個整體，成為一部自動化的天文台。
蘇頌主持創製的水運儀象台是十一世紀末我國傑出的天文儀器，也是世界上最古老的天文鐘。國際上對水運儀象台的設計給予了高度的評價，認為水運儀象台為了觀測上的方便，設計了活動的屋頂，這是今天天文台活動圓頂的祖先；渾象一晝夜自轉一圈，不僅形象地演示了天象的變化，也是現代天文台的跟蹤器械——轉儀鐘的祖先；水運儀象台中首創的擒縱器機構是後世鐘錶的關鍵部件，因此它又是鐘錶的祖先。從水運儀象台可以反映出中國古代力學知識的套用已經達到了相當高的水平。
原理和結構簡介
在蘇頌所著的《新儀象法要》中詳細介紹了水運儀象台的設計和製作情況，並附有多幅繪圖。根據《新儀象法要》記載，水運儀象台是一座底為正方形、下寬上窄略有收分的木結構建築，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台，設有渾儀一座，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，為了便於觀測，屋頂可以隨意開閉，構思比較巧妙。露台到儀象台的台基有七米多高。
中層是一間沒有窗戶的“密室”，裡面放置渾象。天球的一半隱沒在“地平”之下，另一半露在“地平”的上面，靠機輪帶動旋轉，一晝夜轉動一圈，真實地再現了星辰的起落等天象的變化。
下層設有向南打開的大門，門裡裝置有五層木閣，木閣後面是機械傳動系統。
第一層木閣又名“正衙鐘鼓樓”，負責全台的標準報時。木閣設有三個小門。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裡搖鈴；每逢時正，有一個穿紫色衣服的木人在右門裡敲鐘；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，相當於現代時鐘的時針錶盤。這一層的機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、醜初、醜正等。每逢時初，時正，司辰木人按時在木閣門前出現。
第三層木閣專刻報的時間。共有九十六個司辰木人，其中有二十四個木人報時初、時正，其餘木人報刻。例如：子正：初刻、二刻、三刻；醜初：初刻、二刻、三刻，等等。
第四層木閣報告晚上的時刻。木人可以根據四季的不同擊鉦報更數。
第五層木閣裝置有三十八個木人，木人位置可以隨著節氣的變更，報告昏、曉、日出以及幾更幾籌等詳細情況。
五層木閣里的木人能夠表演出這些精彩、準確的報時動作，是靠一套複雜的機械裝置“晝夜輪機”帶動的。而整個機械輪系的運轉依靠水的恆定流量，推動水輪做間歇運動，帶動儀器轉動，因而命名為“水運儀象台”。
知識點
1、水運儀象台是我國古代用於天文觀測和記時的一部自動化的天文台。
2、水運儀象台，於宋元佑三年（公元1088年），在著名科學家蘇頌的倡議和領導下，在當時的京城開封製成。
3、水運儀象台吸取了北宋初年天文學家張思訓所改進的自動報時裝置的長處；在機械結構方面，採用了民間使用的水車、筒車、桔槔、凸輪和天平秤桿等機械原理，把觀測、演示和報時設備集中起來，組成了一個整體，成為一部自動化的天文台。
4、水運儀象台為了觀測上的方便，設計了活動的屋頂，這是今天天文台活動圓頂的祖先。
5、渾象一晝夜自轉一圈，不僅形象地演示了天象的變化，也是現代天文台的跟蹤器械——轉儀鐘的祖先。
6、水運儀象台中首創的擒縱器機構是後世鐘錶的關鍵部件，因此它又是鐘錶的祖先。
7、從水運儀象台可以反映出中國古代力學知識的套用已經達到了相當高的水平。
刻漏
宋燕肅的蓮花漏圖
沉簡式銅漏壺
銅壺滴漏背景和原理簡介
刻漏又稱漏刻、漏壺。是古代計時工具。刻漏主要有泄水型和受水型兩 類。早期的刻漏多為泄水型。水從漏壺底部側面流 泄，使浮在漏壺水面上的漏箭隨水面下降，由漏箭上的刻度指示時間。後來創造出受水型，水從漏壺以恆定的流量注入受水壺，浮在受水壺水面上的漏箭隨水面上升指示時間，提高了計時精度。
唐呂才刻漏圖刻漏也分單壺式和多壺式兩種，漏是古代中國人的習慣用語，含義就是現在的“鍾”。 為了獲得恆定的流量，首先應使漏壺的水位保持恆定。其次，向受水壺注水的水管截面面積必須固定，水管採用“渴烏”（虹吸）原理，便於調整和修理。有兩種保持水位恆定或接近恆定的方法。
歷史記載
《全上古三代秦漢三國六朝文·全後漢文》中桓譚（卒於公元56年）的文章里說刻漏度數因乾、濕、冷、暖而異，在白天和夜間需要分別參照日晷和星宿核對。這說明當時已認識到水溫和空氣濕度對刻漏計時精度的影響。
知識點
1、刻漏又稱漏刻、漏壺。是古代計時工具。
2、泄水型刻漏，水從漏壺底部側面流泄，使浮在漏壺水面上的漏箭隨水面下降，由漏箭上的刻度指示時間。
3、受水型刻漏，水從漏壺以恆定的流量注入受水壺，浮在受水壺水面上的漏箭隨水面上升指示時間。
歐洲
對於歐洲文明來說，在相當長的一段時間裡，水力機械作為一種最主要的動力機械系統，被廣泛套用在農業經濟為特徵的歐洲土地上，成為當時主要的糧食加工機械。人們在河流旁邊設定水輪，建立磨坊，進行糧食加工，逐漸將其發展為一個十分重要的行業。在法國南部的阿爾勒，有公元四世紀羅馬人修建的大型水磨坊，整套裝置的糧食加工能力每天可達28噸，足夠供應居住在阿爾勒地區的1萬多居民。到十世紀之後，水力機械在歐洲取得了較大發展，水磨坊的數量穩步增長。公元1086年，威廉一世時期編寫的《輿地誌》列出當時的英國有5000座水磨坊，整個英國人口中，平均約400人就有一座這樣的水磨坊。在法國奧布，11世紀時有14座磨坊，到12世紀發展到60座，而到13世紀早期接近200座。在中世紀的歐洲，這樣的糧食加工業對於當地經濟發展具有重要作用，在一些地方甚至屬於支柱產業。這一時期，水力機械也在漂染布料、冶煉鼓風和鋸木等方面得到套用。
古典文化時期（公元前600～公元400年）
古羅馬水鍾在史前時期，水鍾、虹吸管、鼓風箱和活塞式唧筒等流體機械已經得到初步的發展和套用。
到了古典文化時期，古希臘誕生了一些著名的哲學家和科學家。他們對古代流體機械的發展作出了傑出的貢獻。
在原動流體機械方面，首先是擴大了桔槔式提水工具和吊桶式水車的使用範圍；新創造的流體機械有渦形輪和諾斯 （Norse）水磨。前者靠轉動螺紋形桿，將水由低處提到高處，主要用於羅馬城市的供水。後者用來磨穀物，靠水流推動方葉輪而轉動，其功率不到半馬力。功率較大的有維特魯維亞（Vitruvia）水磨。水輪靠下沖的水流推動，通過適當選擇大小齒輪的齒數就可調整水磨的轉速，其功率約3馬力，後來提高到50馬力，成為當時功率最大的原動機。希羅的汽轉球（又叫風神輪）則是最早套用噴氣反作用原理的裝置。汽轉球下部的蒸鍋盛水，其上用支管連線著一隻空心球。球上有兩支方向相反的切向噴口。當鍋下燒火、球內的水沸騰變成蒸汽噴出時，如產生的噴氣反作用推力足夠大，便會推動球體不斷轉動。汽轉球作為第一個把蒸汽壓力轉化為機械動力的裝置而聞名於世。
在從動流體機械方面，利用活塞和氣缸製成的壓力泵和吸水泵，在此時期也有發展。最早出現的是用來滅火的菲羅 （Philo）壓力泵。後來又有了從井中提水的吸水泵和壓力泵，以及羅馬人用於滅火的雙筒柱塞泵。
中世紀時期（1400~1500年）
中世紀前期延續約600年，流體機械的發展因古希臘和羅馬的文化處於低迷期而停止發展。後期，隨著農業和手工業的發展，各國紛紛興辦大學，發展自然科學和人文科學，培養人才，同時又吸取了當時東方國家的先進科學技術，流體機械技術開始恢復和發展。隨著流體機械技術的發展，水輪機也得到一定的發展，已有足夠的動力來帶動用皮革製造的大型風箱，以獲得較高的熔化溫度，鑄造大炮和大鐘的作坊逐漸增多，鑄件重量漸漸增大。同時也出現了下沖或上沖式水輪機（水磨），以及風磨和風輪機。水平下沖式水輪機是由早期水磨改進而成的，到12、13世紀已用作採礦、粉碎、冶煉等作業的動力。14世紀，西歐在水力利用方面有很大進展，水輪機作坊迅速增加。水平下沖式水輪機經過改進後於又發展成為大型上沖式水輪機，用於提升礦石。
臨近工業革命前期（1500～1750年）
1698年薩弗里製造的礦井蒸汽水泵工業革命即將開始，此時流體機械技術發展極為迅速，水泵在此時期也有了發展，它主要用於解決當時礦井排水和城市供水問題，包括礦井排水泵、正向旋轉泵和離心泵等。這時義大利發明了水壓空氣壓縮機（俗稱水風箱）。它可用作熔煉鋼鐵的鼓風機，以取代舊式的皮老虎。1759年又出現了大型鼓風機。風力機械如風磨的套用也更廣泛，數量增加，僅英國就已有數千台之多，用於磨粉、泵水和鋸木。1698年英國的T.薩弗里製造的礦井蒸汽水泵，被稱為“礦工之友”，它開創了用蒸汽作功的先河。1705年英國的T.紐科門發明大氣式蒸汽機，它雖然很不完善，但卻是第一台工作比較可靠的蒸汽機，主要用於提水，功率可達6馬力，這種蒸汽機在1750在前已在歐洲推廣，後來又傳到美國。這一時期，在歐洲誕生了工程科學。許多科學家，如牛頓、伽利略、萊布尼茲、玻意耳和胡克等，為流體機械的發展奠定了多方面的理論基礎。
