1、尾如流星首渴烏一漫談渴烏的工作原理作者：麻庭光中國的歷史，主要是農業社會的發展歷史，其實也是提水技術發展的歷史。我國歷史上最著名的取水工 具是渴烏，甚至出現在現在的小學課本中，可是由于歷史的久遠，文獻的缺乏，實物的不存，導致對渴烏的認 識也是相當模糊的，可以說是語焉不詳。歷代的文人不斷提及渴烏的使用，可是他們提到的渴烏是最早的渴烏 嗎？這里用物理學原理來重新認識渴烏的工作原理，發現我們的祖先還是蠻有智慧的，只是文獻的記載有缺失， 后人多誤解，導致了目前對渴烏的種種迷思。最早的渴烏結構簡單，利用重力差工作，沒有運動部件，卻包含 物理學三大原理（帕斯卡定律、虹吸原理和回燃現象，分別屬于靜力學、動力

2、學和熱力學），值得深入分析。渴烏的工作原理渴烏是什么？最簡單的解釋是古代吸水用的曲筒，就是應用虹吸原理制造的虹吸管，在中國古代又稱作 “過山龍”。渴烏的最早出處是后漢書宦者傳張讓：“（畢嵐）又作翻車渴烏，施於橋西，用灑南北 郊路，以省百姓灑道之費。”唐代（章懷）太子李賢在唐初為后漢書的這段文字作注解時認為：“翻車， 設機車以引水；渴烏，為曲筒，以氣引水上也。”也就是說，渴烏是一個彎曲的筒狀物。其形狀類似飲水的烏 鴉。它的工作原理是“以氣引水上也”，即利用大氣壓力的原理來引水。翻車是從低程向高程送水，而渴烏是 從高程向低程送水，需要有大氣壓的幫助。以竹子為材料的大管徑的渴烏，在唐代已經投入使用。

3、現存的最早記載竹制渴烏的制作和使用方法的 文獻是唐代中期的政治家和歷史學家杜佑的通典。其原文是：“渴烏，隔山取水。以大竹筒雌雄相接。勿 令漏泄。以麻漆封裹。推過山外。就水置筒。入水五尺。即于筒尾取松樺乾草當筒放火。火氣潛通水所。即應 而上。”北宋康定年間（1040）曾公亮在所著的武經總要前集對這種取水方法也有類似的記述。從這幾句話 中可以看出渴烏的工作原理，包括：帕斯卡定律、虹吸原理和回燃現象，這里分別細述。帕斯卡定津）和作原理：帕斯卡原理（靜力學）、虹吸原理（動力學圖1.渴烏的三大工燃現象（熱力學）。有平面上途，如液壓制動等。帕 相等。這一事實也稱作 回瀕!象法國數學家帕斯卡發現密閉液體上的

4、壓強.能夠大小不變地向各個方梅遞卻就是說.由于液體的 流動性，封閉容器中的靜止流體的某一部分發生的壓強變化，將大小不變地向各個方向傳遞。根據帕斯卡定律， 在水力系統中的一個活塞上施加一定的壓強，必將在另一個活塞上產生相同的壓強增量。這個定律在生產技術中有很重要的應用，剎車、傳動、液壓機等都是應用帕斯卡原理的實例。它具 斯卡還發現靜止流體中任一點的壓強各向相等，珅該點在通過它的所 帕斯卡原理。Jr 口_1=帕斯卡定律保證了壓強的傳遞不受液體流通面積的影響，因此，你腳踩剎車的壓力，對密封液體產生的 壓強，可以原封不動地傳遞到每一個輪胎，再通過轉換機構轉換出來，形成對輪軸的壓力，就是剎車的過程了。

5、帕斯卡定律，保證了連通管的工作，不受管徑和路徑的影響，因此人們可以隨意取材，就地制造渴烏，歷史文 獻中，制造材料至少有竹子和銅材兩種，直徑不限，這就是帕斯卡定律的功勞。其次是虹吸原理，有時廣義的虹吸原理包括連通器原理（或帕斯卡定律）、大氣壓原理和靜力學壓頭原 理，這里僅指最后一項的水柱產生（負）壓力，導致液體源源不斷供應的液面位置差帶來的壓差。壓差是如何 產生運動的？這是動力學的伯努利原理，即動力學的能量守恒原理。在能量守恒的前提下，由于大氣壓恒定， 位置壓頭可以自由轉化成運動壓頭，也就是說，壓差帶來運動。我國最早在明清之際的方以智、徐光啟、鄭復光等都對虹吸原理有所解釋。其中徐光啟認為：“今之

6、過 山龍，必上水高于下水則可為之，至平則止”點明了上游水位必須高于下游水位，地球對液體的引力差（重 力），是導致液體源源不斷供應的源頭，這是虹吸原理的“吸”之動力來源。“虹”是指連通器之常見形狀， 未必像虹。根據帕斯卡原理，連通管的作用與形狀無關。其三是最關鍵的一條，也是讓渴烏區別于普通虹吸管和連通器的關鍵，即如何產生最初的升力，導致液 體可以跨越高坡進行遠距離傳輸？在抽取油箱汽油之時，人們通常都是用嘴直接吸取，用肺活量產生最初的壓 差。而農業灌溉用的管路較大，人體的肺活量就顯得不足了。古人巧妙地采用燃燒的辦法制造這種較大型的虹 吸管中的真空，將水“吸”入筒內，繼而在重力作用下從出口端流出。具

7、體做法是在竹筒出口端塞上細松枝、 干草等易燃物，點燃柴草，筒中氧氣迅速燃盡。從而短時間內使筒內空氣壓力低于筒外大氣壓力，于是水得以 “自中逆上”。“于筒尾取松樺乾草當筒放火”之法，就是使用熱薄型材料（Thermally-thin），采用快速燃 燒的方法，產生一個正壓脈沖，排除一部分氣體。可是管壁仍然是冷的，在燃料釋熱完畢之后，空氣中的熱量 快速消散，氣體降溫冷卻收縮，形成一個負壓脈沖。這時候如果密封條件滿足，就可以產生足夠的負壓，引導 水源邁過一定的坡度。以下的工作就相當簡單了，由于重力差的作用，水源可以源源不斷地供應，直到兩處水 面的高度差消失為止。上述“于筒尾取松樺乾草當筒放火”的過程，在

8、火災動力學原理中稱為回燃現象（Backdraft），是指 那些不能獲得氧氣的燃料氣體在室內分布，突然由于外部條件的改變，比如接受了相當的氧氣，產生劇烈的燃 燒過程，首先產生一個正壓脈沖，產生外沖的火球，然后燃料燒盡，不能自持（對抗外部的大氣壓），于是內 吸空氣，產生巨大的負壓。所以，爆發性的燃燒，有短時提升負壓的效果，而一旦負壓產生的壓頭超過障礙物 的高程，虹吸作用（壓頭差或重力差）開始發生，渴烏就可以持續工作了。文藝復興時期的礦業工程師，費盡努力，也不能把利用大氣壓力工作的抽水機提高到10米以上，后來 發現這是大氣壓力的問題。大氣壓可以產生的負壓極限是10米，也就是說，最理想情況下，使用絕對

9、的真空， 可以抽取10米的高程。爆發性燃燒有可能會帶來一點額外的壓頭，但由于能量密度不足、燃燒不充分、密封不 完全等原因，最初的負壓能夠提水12米就很不錯了。渴烏的出現，最早是公元2世紀作為一種城市灑水工具， 如果能克服數米的高程，足矣。另外，古羅馬的引水渠（Aqueduct，主要在公元一世紀建設）在引導水面渡過路面時，采用鋪設地下管 路的部分，仍然使用了維持路面兩端的高度差來保持水流動的重力差。由于羅馬帝國的引水渠不需要跨越坡度， 也就沒有第三項回燃負壓的需要了。其中的帕斯卡定律和虹吸原理，與中國的渴烏沒有什么本質性的差別，有 時這種重力差導致流動稱為反虹吸現象（因為虹吸管呈n形狀，而反虹吸

10、管呈u形）。2.渴烏的流傳變異由于古人并不很清楚渴烏的工作原理，因此人們在解釋渴烏時，往往用部分指代整體，把渴烏的龍頭， 當作是渴烏本身，于是導致了渴烏曾被當作銅壺滴漏上的注水部件而流傳。明確記載渴烏這一用途的，最早見 于唐代徐堅所撰的初學記。徐堅在該書里引證北魏道士李蘭所著漏刻法說：“以器貯水，以銅為渴烏。 關如鉤曲，以引器中水，于銀龍口中吐入權器。”李蘭著書時間大約在公元5世紀。到了北宋天圣八年（1030） 在燕肅改進的蓮花漏上，也“置銅渴烏引水”。南宋初年楊甲在六經圖中繪制了燕肅蓮花漏的形狀，由圖 中明顯可見渴烏的虹吸形狀和工作狀態，見圖2。當然，由于在計時器中使用的虹吸管管徑較小，銅管

11、密閉性 能可靠，因而易于制造和使用。圖2.燕肅蓮花漏（最早出現在1030年的北宋）。在這里渴烏僅僅是一段虹吸管，而沒有導致翻坡功 能的回燃現象了。李白的天馬歌中對渴烏的描述相當神妙“天馬呼，飛龍趨，目明長庚臆雙鳧，尾如流星首渴烏，口 噴紅光汗勾朱。”（天馬鳴叫著，像飛龍一般奔跑，它的眼睛像金星一樣明亮，胸脯兩邊的肉像野鴨、厚實突 出，長長的尾巴像流星，它的頭像渴烏一樣高昂而矯健，嘴里吐著紅光，汗溝里流下血色的汗水。）。在這里， 馬頭像渴烏，渴烏像龍頭，龍頭似馬頭（中國古代的龍形象，本來就是鹿角馬首，蛇身鳥爪的混合體），這是 一個循環論證的過程，等于自我論證，什么也沒有說。就是現在，我們說水龍頭

12、像馬頭，馬頭像龍頭，也沒有 什么錯，至少不會讓人誤解。接下來，人們對渴烏的認識就比較離譜了。由于把渴烏的出口龍頭當作了渴烏本身，那么凡是有水龍頭 的取水裝置，都可以看作是渴烏，這要導致了人們把轆轤當作渴烏的認識，如中國佛教涅盤門經典著作（宋）慧 嚴的大般涅盤經疏卷二十五（師子吼品之二）中就有這樣的記述：“今之渴烏取水者是，亦名轆轤，井 上施之更互上下，即是互為因果之義。”這里轆轤使用了龍頭作出水口，被老和尚誤認了，并把上下運動的木 桶作了因果輪回的解釋。這種渴烏，僅僅是一種龍頭和管路，其后部的水源供給，卻需要其他手段來供給（如 轆轤），此時的渴烏，僅為原始渴烏的一部分。這也意味著，古代的渴烏技

13、術失傳了，雖然文獻中仍然可以找 到，但生活中已經表示一種不同的東西了。1130年被龍圖閣直學士燕素發明的燕肅蓮花漏（見圖2），利用了 一段虹吸管，誤稱作渴烏。渴烏與龍頭的混淆，是造成這種部分代整體的訛傳得以流行的重要原因。再如陸游在七月十七日大雨極涼（陸游全詩）一詩中提到渴烏時說：“吳中七月熱未已，渴烏呀 呀井無水。炎官護前不少斂，樹頭敢望秋風起”。這里渴烏發出呀呀的聲音，顯然是轆轤，而不是按照重力原 理無需外來能量工作的渴烏了。轆轤是一種利用轉軸原理的起重工具，多用來汲取井水。其構造是，在井岸上 安置帶有水平轉軸的支撐架。轉軸一端裝有曲柄，轉軸上纏著汲水索。繩索下端系水桶。用人力或畜力搖動曲

14、 柄，即可由井水提水。和此種轆轤類似的機械絞車（又稱絞關），古代也稱轆轤，相當于用人力或畜力作動力 的現代卷揚機。絞車的轉軸常豎立安放。古代船只翻越堰常用此設備牽引。記載轆轤的可靠文字在戰國初期出 現。我國文獻在解釋渴烏時，指出其別稱為“注子”、“偏提”，這又是一個大誤解。注子和偏提，是一種 利用大氣壓的水壺，其中卻沒有渴烏的工作原理。李約瑟在中國科學技術史。物理學卷中指出，早在南北 朝的關尹子一書提到：“瓶有二竅，水實之則倒瀉，開一則水不下，蓋不升則水不降。”意思是：在密封 的瓶上開兩個小孔，瓶中灌滿水，水就會從瓶中倒出。若只在瓶中開一個小孔，水是倒不出來的。因為此時瓶 內的空氣不能在瓶中與

15、外部聯通，因此大氣壓保持水不能流出。陳顯微在19世紀評論此書時說：氣必須先上升， 水才能下降，又說若無壓力（“迫”），物體就不會動。唐代，灑吸移管體型似球并有各種不同的把手，一般 被稱為“注子”，后來又稱為“旁側提升器”（“偏提”）。自9世紀初起，這種器物似乎特別普遍。現代茶 壺把手附近通常有一個小孔，如果用拇指密封小孔，可以保持茶水不撒出，就是巧妙利用大氣壓的例子，卻不 是虹吸原理了（因為沒有水柱的存在）。原來“偏提”是利用大氣壓（靜力學）工作的水壺或者酒壺，與利用重力差（動力學）工作的渴烏是相 差很遠的。缺乏物理學常識，我們的國文水平還不如一位外國人，慚愧。那么，是否畢嵐之后的古人都認錯呢

16、？也有正確描述渴烏功能的詩句。南宋劉儀風在描述一個引水設施 時說：“籜龍亦解作水供，細繹尋丈如渴烏。”這一句因為突出了水源供應的穩定性，符合重力流動原理，因 此是渴烏的本意。如果是轆轤供水，水流脈動性大，就不會產生“細繹尋丈”的局面。元朝貢師泰也有詩說： “四分井字旁通渠，瀏瀏野水翻渴烏。”這一句，因為一個“翻（越高坡）”字而毫無疑問地歸入渴烏的原始 定義范圍。3.渴烏的現代應用現代社會講求效率，已經不再把按照重力工作的被動取水工具當作主要工具，但是在某些需要取巧方便 的工作場合，如油箱取油，人們還是可以利用虹吸原理工作。當然可以用橡膠球抽氣，而不必仰賴個人的肺活 量，更不敢放火來抽氣了。消防

17、隊員的噩夢，就是在火場突然得到氧氣供給，產生爆發性燃燒的局面（火災動力學中稱為回燃，即 Backdraft），先是火焰突發，然后負壓吸氣收縮，一來一往（見圖3），給消防隊員造成很大的傷害。克拉瑪 依大火中，最著名的受害者楊柳，其受傷的關鍵是被舞臺幕布快速燃燒（因為突然供氧增加），發生回燃產生 的正壓膨脹沖擊波所擊倒，并被氣流攜帶的大火燒傷的（見圖4的模擬回燃現象）。這種局面對火場人員非常 危險，是需要入室滅火的職業消防隊員的火場最大噩夢。多少火場豪杰，生死系于一瞬間，就是回燃現象的結 果了。火場不能隨便開門，開門供風，有可能造成本來供氧不足的火勢暴漲，發生回燃的局面，這是需要經驗 和知識才能作出的正確判斷。圖3.室內空間能量集中釋放時的壓力變化圖4.消防隊員的火場噩夢：回燃現象。這是正壓脈沖控制的階段，其后將吸氣，帶來更多的氧氣和能 量釋放。爐膛爆燃、爐膛爆炸、爐膛內爆，都是鍋爐燃燒事故，有時可能由此造成設備損壞及人身傷亡。爐膛內 可燃混合物發生局部性的小爆炸，使爐內氣體壓力瞬時以較大