桔槔汲水的科技應用

李廣進

在中國古代的農業(yè)社會，掌握利用水資源的能力是不可或缺的。古人除了修建大大小小的水利工程充分地利用地表水之外，掘鑿水井提取地下水來滿足小規(guī)模的農業(yè)生產和日常所需也是尋常之事。

中國古人對水井的利用大概源自日常飲水的需求，至漢代逐步發(fā)展到“上可治田”的灌溉領域。當然，灌溉所需的井口數量要遠遠多于日常生活所需。北京復興門外蔡公莊附近曾有古井群的遺址發(fā)現，井口密集度最大的地方每平均1.5平方米就挖有一口水井，因此考古學家推測，如此高密度的井口應為灌溉所用。

把井水從地下提出到地面，主要會用到轆轤和桔槔（jié gāo）兩種提升裝置。轆轤的發(fā)明稍晚于桔槔，但是它不受井水水位高低的影響，而桔槔受自身汲綆（懸吊汲瓶的繩索）長短的限制，則只適用于淺井。

據科學推測，桔槔的發(fā)明不晚于春秋時代，至秦漢時期，它的使用已經非常普遍了，這在諸多的漢畫像石上也有所體現。

用一根木棒，圍繞一個固定的支點轉動而進行工作，可以達到省力的目的，智慧的古人似乎很早就明白了這個道理。比如“耒（lěi）”的應用便是一例。耒是中國最古老的農具，它由尖頭木棒發(fā)展而來，添加上腳踏橫木后便應是最初的古耒樣式。耒的用途主要是翻松土壤，或點播種植谷物。

而桔槔的設計內涵則可稱作中國古人利用杠桿原理的典范。桔槔樹立的木樁或木架是固定不變的，與豎樁垂直的水平方向設有橫木，豎樁與橫木交叉的地方是“支點”，橫木依支點可以上下左右轉動;橫木的一端捆綁有石塊類的重物，另一端則用繩索懸吊汲瓶進行汲水。在汲水的過程中，綁有重物的一端，受重力的作用會產生輔助提升的效果，從而達到省力的目的。

汲水所用的汲瓶呈尖底狀，這在“武榮石室”的畫像中，也能清晰地觀察到。尖底狀的陶瓷器物，無論是在考古發(fā)掘中還是在各大博物館的收藏中，數量都委實不少。但是，尖底狀的陶瓷器物發(fā)明在先，水井應用在后，也是考古事實。不過，無論桔槔所用的尖底瓶形制如何，尖底瓶于汲水過程中所體現的科學原理則是一樣的。

由于尖底瓶的底部呈尖狀，因此它的重心便在其腰部以上，空瓶時呈現出不平穩(wěn)的狀態(tài)，容易傾倒。當把空瓶置于水中時，傾倒之后，水便從口部流入，瓶內底部隨著注水量的增多而不斷加重，此時重心也會隨之慢慢下移;重心下移后的表現便是汲瓶在水中的自動扶正，而此時的水還會不斷地涌入瓶內，待瓶中灌滿水后，重心會再次上移。此時如果把汲瓶提出地面，由于汲瓶仍然處在不穩(wěn)固的狀態(tài)，如果欲把水灌于渠中或倒入其他器皿，正是這種傾倒的狀態(tài)節(jié)省了抬翻汲瓶的步驟，從這個層面來講也屬于省力的巧妙應用了。

桔槔的使用歷史非常悠久，在電氣化灌溉和汲水裝置沒有被普及以前，曾廣泛應用于人們的生產和生活中，以簡單的方式為中國的古代農業(yè)生產和人類的日常所需提供了巨大的便利。