东汉初年杜诗所推广的水排，究竟是怎样的一种东西呢？《后汉书·杜诗传》李贤注说：“冶铸者为排以吹炭，令激水以鼓之也。”究竟怎样“激水以鼓之”呢？虽然文献不足征，但是我们有理由可以肯定这种水排是应用机械轮轴的 。

桓谭《新论》谈到和水排同时发明的水碓时说：“又复设机关，用驴 牛马及役水而舂，其利乃且百倍。”可知水碓是“设机关”的。东汉灵帝时（公元168—189年）服虔所著的《通俗文》又曾谈到水碓，《广韵》碓字条引《通俗文》说：“水碓曰翻车碓。”可知水碓是和翻车差不多的。《后汉书·张让传》说：毕岚曾制作“翻车”，据李贤注，翻车是“设机车以引水”，便是后世农村所用“龙骨车”的前身，是一种应用机械轮轴造成的水车。水碓既是“设机关”的，又称为“翻车碓”，该是利用水力推动机械轮轴来打动舂碓的一种水力舂米机。水碓既是用机械轮轴构造的，和水碓同时发明的水排，当然也是用机械轮轴构造的了。

在欧洲开始应用水力鼓风机械的时候，有一种最简单的水力鼓风机械，在直立的水轮的轴心上接连有一根卧轴，在卧轴上装置有拐木。当水力激动直立的水轮转动时，卧轴就连带转动，卧轴上的拐木就打动鼓风囊的底部，或者打动鼓风囊的柄，使不断地起鼓风作用。这种简单的水力鼓风机械的结构，和水碓完全相同。我们认为中国在东汉初年和水碓同时发明的水排，就是这种式样的 ^[1] 。

有关水排结构的记述，最早见于元代王祯所著的《农书》。在王祯《农书》中，曾叙述好多种水力发动的工作机，并绘有图样。从王祯的叙述中，可知当时所有的水力工作机，水轮的装置方式不外乎立轮式和卧轮式两种。水碓、水转连磨是属于立轮式的，水击面罗是属于卧轮式的，水磨、水碾、水砻和水排则是立轮式、卧轮式两种都有。

现在把立轮式和卧轮式两种水排，分别叙述于下：

（1）　立轮式水排的机械结构。

王祯《农书》卷19《农器图谱利用门》记述立轮式水排说：

又有一法，先于排前，直立木簨，约长三尺，簨头竖置偃木，形如初月，上用秋千索悬之。复于排前植一劲竹，上带 索，以控排扇，然后却假水轮卧轴所列拐木，自然打动排前偃木，排即随入。其拐木既落， 竹引排复回。如此间，打一轴可供数排。宛若水碓之制，亦甚便捷。

这是说：先在“木扇”前直装着一根三尺长的“木簨”，在木簨的头上竖装着一块“初月”形的“偃木”，用“秋千索”挂起。再在木扇前直立一根“劲竹”，在劲竹头上带有“ 索”，用来拉住木扇的盖板。选择湍急的河流旁边，架着竖直的“水轮”，在水轮的轴心上接连有一根“卧轴”，在卧轴上排列装置着几根“拐木”。等到水流激动水轮，转动卧轴，卧轴上所排列的拐木就打动木扇前木簨的偃木，木扇的盖板就向前关闭。等到卧轴转动，拐木从偃木上滑下来，用 索控制着木扇盖板的劲竹就把盖板拉回。这样，水轮的卧轴转动，卧轴上排列的拐木，可以同时打动好几个“排”，这和水碓的情况是相同的。

这里，最重要的关键是偃木，偃有“仰仆”之意，偃木当即由一仰一仆而得名。这种立轮式水排的运动，其关键当在偃木的一仰一仆之中。该是由于卧轴转动时，拐木打动初月形的偃木，使原来略向上仰的偃木向下仆，推动木簨向前把木扇的盖板关闭。等到拐木从偃木上滑下来，劲竹就把木扇的盖板拉开，使木簨和偃木都恢复原状。这样，由于拐木的打动偃木，偃木一仰一仆，就使得木扇的盖板一关一开，起着鼓风作用。我们根据这样的理解，画了一张《立轮式水排复原图》（参看图4-2）。从这张图上，可以看到：当拐木打动初月形的偃木时，偃木会推动木簨把木扇的盖板推入，即所谓“水轮卧轴所列拐木，自然打动排前偃木，排即随入”，同时“秋千索”也跟着向前荡。等到木簨连同偃木向前推动时，拐木就从初月形的偃木上滑下来，劲竹又把木扇的盖板拉开，而木簨连同偃木又向后退，恢复原状，秋千索也跟着向后荡。这样，由于拐木的打动偃木，偃木一仰一仆，秋千索就如秋千那样前后摆荡，而木扇的盖板就一闭一开，起着鼓风的作用 。

部位名称：1．卧轴　2．拐木　3．秋千索　4．偃木　5．木簨　6．劲竹　7． 索　8．木扇

这种立轮式水排的结构是比较简单的，但是它比我们前面所谈的最简单的水排已有进步。最简单的水排是用卧轴上的拐木直接打动鼓风器的，而这种立轮式水排，在鼓风器上已装置有木簨和偃木，卧轴上拐木打动的是鼓风器上的木簨和偃木，同时鼓风器还有富于弹性的劲竹 着，使鼓风器鼓动起来较为灵活。欧洲在中世纪，也同样有一种用劲竹 着鼓风器的水力鼓风机械。

（2）　卧轮式水排的机械结构。

王祯《农书》卷19《利用门》记述卧轮式水排说：

其制当选湍流之侧，架木立轴，作二卧轮。用水激转下轮，则上轮所周弦索，通缴轮前旋鼓，掉枝一例随转。其掉枝所贯行桄，因而推挽卧轴左右攀耳以及排前直木，则排随来去， 冶甚速，过于人力。

除了上述记载以外，《农书》上还附有图谱一幅（参看图4-3）。根据这些资料，可知这种卧轮式水排的结构是这样的：选择湍急的河流旁边，架立木架，在木架上直立着转轴，在转轴的上部和下部都安装一个卧轮。下卧轮是水轮，在它的轮轴四周装有叶板，是承受水流，把水力转变为机械转动的装置。在上卧轮的前面安置有一个鼓式的小轮，即所谓“旋鼓”。上卧轮是绳轮，在它的周围绕着“弦索”，弦索通绕到旋鼓的腰中，用来牵动整个工作机。为了使旋鼓旋转时稳定起见，在旋鼓的转轴上也装置有木架，旋鼓的转轴是贯穿着木架上的横木的。同时，在卧轮和旋鼓的木架间，还以木条相连，以加固这个机械的结构。在旋鼓的转轴的上端安装有一根可以摇动的木柄，即所谓“掉枝”，“掉”就是“摇动”的意思。在旋鼓的前面横放一个卧轴（即今所谓“滑轴”），在卧轴上装有左右两个“攀耳”，左右两个攀耳就是卧轴的两根“连杆”，一根连杆连结着前面的“行桄”，行桄就是一根运动的横木，它的一端是套插在掉枝上的。在卧轴的前面就是鼓风器，即所谓“木扇”，或称为“排”。在排和卧轴间，还有往复杆和卧轴的攀耳连结着，即所谓直木。当水流激动旋转下卧轮的时候，在同一转轴上的上卧轮就跟着旋转。由于上卧轮的旋转，上卧轮周围的弦索就牵动旋鼓旋转。由于旋鼓的旋转，旋鼓上端的掉枝就牵动所连贯的行桄，行桄也就推挽着卧轴的左右攀耳，使卧轴前后摇摆，成为前后摇摆的往复运动。由于卧轴的前后往复运动，也就拉动木扇前的直木作前后的往复运动，这样就能使木扇的盖板不断的开闭，起鼓风作用（参看图4-4）。在《农书》上，“水击面罗”的结构和卧轮式水排是相同的，我们从《农书》“水击面罗图”中，就可以看到旋鼓的转轴上的掉枝，和连结在卧轴的攀耳上的行桄，是可以脱离的，在掉枝上有个孔，在行桄上有长钉，要开动机器时，只要把长钉插入掉枝的孔中；要停止工作时，只要把长钉从孔中拔出（参看图4-5）。

王祯《农书》这幅图，因辗转翻刻，在明刻本上已有不少错误。清代聚珍本是根据《四库全书》本的，《四库全书》本《农书》的图是根据《永乐大典》的，比他本错误较少。但是还存在着下列错误：（1）“旋鼓”画得失真，“旋鼓”上的“弦索”画得太粗。（2）“掉枝”画得太长，没有装在“旋鼓”的转轴的上端，而误画在“上卧轮”上，没有装在“旋鼓”的“转轴”上。（3）“直木”穿进了连结“行桄”的“攀耳”，末端没有和“攀耳”连结好。（4）“木扇”的箱盖板上漏画了两个可以向内开闭的“活门”。

部位名称：1．上卧轮（绳轮）　2．下卧轮（水轮）　3．弦索　4．旋鼓（鼓式小轮）　5．行桄　6．卧轴（滑轴）　7．直木（往复杆）　8．木扇　9．炼铁炉

这图中，漏画了“旋鼓”，画错了“卧轴”的结构，但是“掉枝”和“行桄”以及“攀耳”的结构，都画得比较正确。由此可见，“旋鼓”的“转轴”上的“掉枝”，是和“行桄”可以分离的，如果需要工作机停止工作时，只要把“行桄”的长钉从“掉枝”的孔中拔出。如果需要工作时，只要把长钉再插入孔中。这样，就可以随意控制水力工作机。“掉枝”上的孔应是圆形，此处误画为三角形。

这个卧轮式水排的机械结构，基本的作用，是使水流所激动的卧轮的回转运动改变为直线的往复运动，从而使鼓风器不断地起鼓风作用。这种卧轮式水排的机械结构比立轮式水排复杂，也比较进步，所以王祯《农书》是把它作为水排的主要式样来叙述的。在《农书》所载的水力工作机中，卧轮式水排和水击面罗都是用大卧轮通过弦索来牵动鼓式小轮（旋鼓）旋转的。这样大轮旋转一次，可以牵动鼓式小轮旋转好几次。这个原理是和《农书》上的“驴砻”（畜力绳磨）相同的，驴砻用畜力拖着大木轮旋转，再由大木轮牵着砻旋转，“计轮转一周则砻转十五余周” 。水排由于同样的原理，用大轮牵着小轮旋转，使得大轮一次回转运动可以改变为十几次的直线往复运动，这样就大大增加了鼓风器鼓动的次数，达到了“ 冶甚速”的效果。

这种卧轮式水排，该就是三国时所创造的。韩暨在魏国官营冶铁手工业中所推行的水排，是用马排改造成的。马排是用马力拖着大木轮旋转，利用机械的装置把回转运动改变为直线的往复运动，以牵动鼓风器，使起鼓风作用的。用马力来拖动的大木轮，必须是卧轮，不可能是立轮的。韩暨所推行的水排既然是由马排改造成的，那一定是卧轮式水排了。当然，韩暨利用马排改造的水排，不可能一开始就像《农书》所说的那样灵巧，《农书》上所记述的卧轮式水排该是经过了长期的改进，才达到这样灵巧的地步的。王祯《农书》上所载卧轮式水排的图谱，是王祯多方搜访得来的。他说因为“去古已远，失其制度，今特多方搜访，列为图谱”。这张图谱究竟和古时的制度有多少差别呢？王祯只指出了一点，就是“此排古用韦囊，今用木扇”。其实，这时的水排，不仅把韦囊改进为木扇，整个水排的结构也是经过不断的改进的。

苏轼《东坡志林》卷4《筒井用水 法》条说：

自庆历（公元1041—1048年）、皇祐（公元1049—1053年）以来，蜀始创筒井，用圜刃凿如碗大，深者数十丈，以巨竹去节，牝牡相衔为井，以隔横入淡水，则咸泉自上。又以竹之差小者出入井中为桶，无底而窍其上，悬熟皮数寸，出入水中，气自呼吸而启闭之，一筒致水数斗。凡筒井皆用机械，利之所在，人无不知。《后汉书》有水 ，此法惟蜀中铁冶用之，大略似盐井取水筒。

从这里，可知四川盐井用大绳轮通过“导轮”和辘轳（滑车）拉动装卤的长竹筒的方法，即所谓“筒井”，是庆历、皇祐年间始创的。当时四川水排的机械，是和筒井用的机械大略相似的。四川的筒井每多用水作为动力，其机械结构是利用水轮来转动绳轮的，的确和《农书》所载卧轮式水排极相类似。由此可知，《农书》上所载那样灵巧的卧轮式水排，一定在庆历、皇祐年间早已有了。

北宋是封建经济高度发展的时期，手工业技术有较大的进步，许多科学技术都在这时有了进一步的提高。中国三大发明之一的火药，这时已进一步使用到武器上来，创造了燃烧性火器——火箭、火毬和爆炸性火器——霹雳炮。中国三大发明之一的罗盘针（指南针），这时已使用到航海上去。中国三大发明之一的印刷术，这时也有了新的创造，活字印刷术就是庆历年间毕昇所发明的。前面所谈到的蜀中深达数十丈的筒井，也是庆历、皇祐年间所始创的。这种深井探凿工具和探钻方法的发明，也是科学技术上的一个重要贡献。因此我们认为《农书》上所载那样灵巧的卧轮式水排，也该是庆历、皇祐年间或者在这以前所创造发明的。

直到近代，四川、云南、福建等省的土高炉，还多用水力来拉动木风箱（参看图4-6）。

部位名称：1．立轮　2．卧轴　3．圆筒形木风箱　4．土高炉 oGa7dz9Y0fqeWKDiFXXtWJGYT+GQV6q3TIL16wvR7BfyB1p9tKAZ4uTwNqCUcmgU