风能在中国古代农业中的利用
中国是传统的农业大国，也是农业起源较早的地区之一。由于风与农业生产密切相关，古代先民在农业生产实践中很早就对风及其作用有了较为科学的认识，并对自然风、人造风加以充分的开发利用，主要集中于农业生产的重要环节——谷物的清选加工及农业提水灌溉及排水等方面。其工具丰富完备，技术先进成熟。谷物清选加工方面主要的工具有杴、飏篮、簸箕、风扇车，提水灌溉及排水方面则主要是风车的发明和使用。
一、用于谷物清选加工
我国古代农业生产对风能开发利用的主要方面之一，是用于谷物清选加工。在谷物蹂打、舂碾后，根据质量不同的物体在同等风力下，被风吹的远近不同的惯性原理，借助自然风或人造风把粮食籽粒和秸秆、谷糠等杂物分开，达到“取精去粗”的目的。中国古代主要的谷物清选农具，在汉代已较完备。西汉元帝（前48～前33年）黄门令史游《急就篇》记载了当时也是我国古代主要的谷物加工农具：“碓、磑、扇、隤、舂、簸、扬”。唐颜师古注：“碓，所以礳也；亦谓之
。古者雍父作舂，鲁班作磑。扇，扇车也。隤，扇车之道也……隤之言坠也。言即扇之，且令坠下也。舂则簸之、扬之，所以除糠秕也。扬字或作飏，音义同。”以上记述了我国古代谷物清选加工的三种方式及工具：一是借助自然风的“扬”法，主要的工具有杴和飏篮；二是“簸”法，主要的工具是簸箕；三是利用风扇车等设备产生间断或连续的人造风对谷物进行清选，达到去粗取精的目的，主要设备为风扇车。
（一）“扬”法与杴和飏篮
“扬”法，是借助自然风，对蹂打、舂碾后的谷物进行清选，达到去粗取精的目的，是早期主要的谷物清选方式。其可追溯至古代先民对自然现象——风的观察和认识，出现应同步于农业或稍晚。早期可能是借助手作为主要的工具，之后，随着谷物种植及单位面积产量的增多，应出现代替手的原始的工具，但因缺乏文献记载，且早期的实物也不易保存，我们很难对其全貌有一形象的认识。但此法自出现后为我国古代乃至近现代农业生产所沿用，是主要的谷物清选加工方式之一，后世的文献中对其有相关的记载。从文献记载以及近现代仍在使用中的工具可知，古代用于此法的工具主要有木杴、竹扬杴和飏篮等。元《王祯农书》对其有详细的记载，并附有工具图。
“杴，臿属，但其首方阔，柄无短拐，此与锨臿异也。锻铁为首，谓之‘铁锨’，惟宜土工，剡木为首，谓之‘木杴’，
可谷物。又有‘铁刃木杴’，裁割田间塍埂。以竹为之者，淮人谓之‘竹扬杴’，与江浙飏篮少异。今皆用之，因附于后。”【1】说明当时用于谷物去粗取精的工具——杴主要有木杴和竹扬杴两种（如图1），此类杴异于用于“土工”的铁锨和用于“裁割田间塍埂”的铁刃木杴，其材料用木和竹做成，形制“首方阔，柄无短拐”。并附有诗对其使用季节及优点加以说明。“木杴诗云：柄短掌木尽宽平，谷实抄来忌满盈，苗夏耰锄方用事，几回高阁待秋成。”“竹扬杴诗云：竿头掷谷一箕轻，忽作晴空骤雨声，已向风前糠粃尽，不劳车扇太忙生。”【2】“飏篮（如图1）。飏：《集韻》谓风飞也。篮形如簸箕而小，前有木舌，后有竹柄。农夫收获之后，场圃之间所蹂禾穗，糠籺相杂；执此而向风掷之，乃得净谷。不待车扇，又胜箕簸，田家便之。”【3】并附有诗云：“稃穗离披与谷仝，要凭分别混淆中，柄头能泻精量在，糠粃从渠走下风。”【4】形象的说明了用飏篮将“糠籺相杂”之谷物向风掷出，风将净谷与糠籺吹开的情景。
图1：木杴、竹扬杴、飏篮图（采自《王祯农书》）
“扬”法是我国古代主要的谷物加工方式之一，其优点是“不劳车扇太忙生”，“又胜箕簸”，使用效率高，简单易行。但其必须借助适度风力的自然风方可进行，风太大或太小、无风则不能进行生产，有很大的局限性，在一定程度上也制约了谷物加工的及时性。
（二） 间断人造风利用的“簸”法与簸箕
“簸”法，其主要工具是簸箕。将需要清选的谷物置于簸箕中，“挤匀扬播，轻者居前，擛弃地下。重者在后，嘉实存焉。”【5】其原理是利用簸扬起的谷物下落过程中，使谷物与簸箕间的空气受压而产生向外的气流而吹带走谷物外壳等杂物。簸箕的发明和使用是间断人造风应用于农业谷物加工的开始。在古代也称“箕”。
簸箕至迟在商周时期已出现。【6】据考证，甲骨文、金文中均有“箕”，
甲骨文写作：“
”、“
”。金文写作：“
”、“
”。字形与后代的簸箕形体很形似，似用条状编织物编制的开口器物。“箕”在甲骨文、金文中均已有单字，表明簸箕在当时应已有比较广泛的使用。到春秋战国时期，很多文献对簸箕都有明确的记载。《诗经·小雅·大东》载：“维南有箕，不可以簸扬。”这里说的“箕”指南方的“箕星”，但已明确说明了“箕”的功能是用来簸扬的。《庄子》更为明确的指出簸箕“去粗留精”功能，载：“箕之簸物，虽去粗留精，然要其终，皆有所除是也。”【7】《战国策·齐策六》载：“齐婴儿谣曰：大冠若箕，修剑柱颐。”【8】汉·李尤《箕铭》载：“箕主簸扬，糠秕乃陈。”这些记载表明，至迟在春秋战国时期簸箕已开始应用于农业生产，且有广泛的使用。
考古资料表明，早在商周时期，我国已掌握了木条和竹条的编织技术，根据后世关于簸箕材料的有关记载，推测早期的簸箕可能是用竹、木编织而成的。北魏贾思勰《齐民要术》记载了当时用于编织簸箕的“箕柳”的种植方法等情况，《种槐柳楸梓梧柞》载：“种箕柳法：山涧河旁及下田不得五谷之处，水尽干时，熟耕数遍。至春冻释，于山陂河坎之旁，刈去箕柳，三寸截之，漫散即劳。劳讫，引水停之。至秋，任为簸箕。”【9】专门用于编织簸箕的箕柳的种植，表明当时簸箕在农业生产中有很大的使用量，且已成为重要的谷物清选加工工具。《王祯农书》对当时南北所用簸箕及其材料有较详细的记载：“北人用柳，南人用竹，其制不同，用则一也。”【10】
簸箕的早期形制文献缺少记载，考古中也很难见到实物。但从各地出土的汉代陶俑有关簸箕的模型，使我们能对当时的簸箕形制有直接的认识。在四川新津出土一汉代背儿劳动俑，此农妇头上梳两缕髻发分垂于两耳之下，背负一婴儿，双手平端一簸箕，似在簸扬（如图2）【11】。新津还出土有东汉陶俑，男性，身材粗短，着长服，挽袖，左手前曲执插，右手执箕。与此俑类似的石俑，在四川峨嵋和郫县也有出土。此外四川彭山出土东汉陶俑，男性，头戴圆帽，身着圆领半长衣，右手于胸前执插，左手下垂执箕（如图3）。《王祯农书》附有当时使用的一种前端带舌的簸箕图（如图4）。与近现代的簸箕形制比较，簸箕自汉代始形制无大的变化，表明簸箕形制至迟在汉代已基本成熟，并为后世所沿用。
图2：四川新津出土东汉执簸箕劳动俑
图3：四川彭山出土东汉执锸、箕俑（现藏于中国农业博物馆）
图4：簸箕（采自《王祯农书》）
簸箕用途极为广泛，除用于场上对谷物进行清选外，还多用于农业选种，以及酿酒、酿醋、榨油等加工作坊中，用它簸净粮食，以利加工。相对其他两种谷物清选方式，“簸”法较费人力，不适合大规模的清选作业。但因其简单易用，至今仍是农业生产及各种手工作坊离不开的清选农具。
（三） 连续人造风的利用与风扇车
至迟在西汉时期，人们已经发明了风扇车，产生连续的人造风用于谷物清选加工。风扇车是一种利用流体力学、惯性、杠杆等物理原理人为地强制空气流动，产生一定风力的人造风用以把蹂打脱粒后或舂、碾后的谷物籽粒与混在一起的穰籺、糠皮等杂物分开。风扇车至迟发明于汉代，除西汉文献《急就篇》的记载外，还有出土的多例汉代风扇车模型为佐证。
风扇车也叫飏扇、扇车。中国古代风扇车的形制主要有立轴式风扇车和卧轴式风扇车两种，原动力为人力，用手转或足踏。元《王祯农书》中有记载，风扇车“有立扇、卧扇之别，各带掉轴。或手转足踏，扇即随转”【12】。卧轴式风扇车，根据风箱的结构又可分为敞开风箱式风扇车和闭合风箱式风扇车。
1． 卧轴式风扇车
汉代的卧轴式风扇车模型，在考古中多有发现。如1969年河南济源泗涧沟出土的西汉陶制踏碓与风扇车模型（如图5），风扇车箱体呈梯形，箱体中部上方有漏斗形盛粮用的高槛，槛下有匾缝启门，启门上还装有一个能调节大小的长板，启门下边的正面有一长方形出米口，出米口右侧的正面有圆形进风口，在其对面中心处，有一安装风轮的轴孔，这个孔与在进风口一侧的一竖木用以固定风轮和曲柄摇把，出土时这些木制件已不存在。在进风口后部塑有一个立俑，双手作摇风扇车的姿势。在槛的左边有斜坡形空箱，系盛谷糠的地方。在槛的右边为风轮箱体，呈长方体。【13】
图5：济源泗涧沟西汉墓陶制风扇车模型
1982年河南南阳市博物馆在市东郊征集到一件西汉时期的灰陶风扇车模型，整体呈长方盘状，盘四周为矮墙，左下角附近有出入口，盘一头有圆形臼窝，为舂谷之处。左下角处有一风箱，风箱呈长方体斜坡形，一头为谷口，另一头可能为出糠口。全长46.5cm，宽22cm。【14】
河南洛阳东关东汉墓出土的踏碓、风扇车模型，陶制，由高槛、车厢等组成，上部有进粮的长方形高槛，槛下有斜腿支撑，风箱左端两臂有圆形曲轴孔，正面中间下部有长方形出粮口，风箱后部还有糠秕的出口。出土时木制风叶已不存在，图6分别是其复原图和结构剖面图。【15】
图6：洛阳东关东汉踏碓、风扇车复原及机构剖面图
山西芮城城南村东汉墓出土的4件彩釉陶碓房模型内，都见有风扇车的模型（如图7）。风扇车有风叶六片，风轮轴上的曲轴是操作者用于摇动风叶的手柄。风扇车上有盛谷高槛，下有出糠的夹槽。【16】
图7：山西芮城陶碓房模型
从汉代出土的风扇车模型看，后世风扇车的重要部件：机体、风箱、叶轮、手柄、曲轴、高槛、出料口等，汉代都已具备，有的还有容纳清选后谷物和糠秕的容器等。汉代风扇车较多且不同的出土地点表明，当时风扇车在我国黄河中下游地区已被普遍使用。
到了宋、元、明时代，风扇车做为一种重要的农具较多的被载入各种书籍。北宋时期，风扇车在诸多励精图治的政治家和文学家的诗歌中可见到记载，多为他们重视和赞扬。如北宋梅尧臣（字圣俞）有咏飏扇诗：“飏扇非团扇，每来场圃见。因风吹糠籺，编竹破筠箭。任从高下手，不为寒喧变。去粗而得精，持之莫言倦”【17】。《王祯农书》引王安石的诗：“精良止如留，疏恶去如摈。如摈非尔憎，如留岂吾吝。无心以择物，谁喜亦谁愠？翁乎勤簸扬，可使糠秕尽” 【18】。王安石通过对风扇车的功用赞扬，以物喻人，抒发了自己力主变法革新的宏志。
元代《王祯农书》对其结构、效用等有详细的记载。《王祯农书》卷十五载：“飏扇。《集韻》云：飏，风飞也。扬谷器。其制：中置簨轴，列穿四扇或六扇，用薄板，或糊竹为之。复有立扇、卧扇之别，各带掉轴。或手转足蹑，扇即随转。凡舂碾之际，以糠米贮之高槛，槛底通作匾缝，下泻均细如籭，即将机轴掉转搧之，糠粞既去，乃得净米。又有舁之场圃间用之者，谓之扇车。凡蹂打麦禾等稼，穰籺相杂，亦须用此风扇，比之杴掷箕簸，其功多倍。”【19】这里记述了古代两种不同形制的卧轴式风扇车——敞开风箱式风扇车和闭合风箱式风扇车。两种风扇车结构不同，使用场所也不相同。风扇车的风轮有四或六片（或更多的偶数片）扇叶构成。足踏式风扇车又称扇车【如图8】，风箱部敞开，形体较为宽大，风轮也较大，可产生较强的风力，使用于“场圃间”，对“麦禾等稼”蹂打后“穰籺相杂”的谷物进行清选。闭合风箱式风扇车——飏扇【如图9】，则主要是与碓、碾等谷物去壳工具配合使用。
明代徐光启《农政全书》记载有与《王祯农书》相同的足踏式风扇车。宋应星的《天工开物》卷四《粹精》篇记载了当时使用的风扇车，且附有图【如图10】，其形制跟近现代仍在使用的已基本一样。
图8：足踏式风扇车（采自《王祯农书》）
图9：风扇车（采自《王祯农书》）
图10：风扇车（采自《天工开物图》）
风扇车自汉代出现后，经过不断的改进和完善。汉代出土的风扇车模型，风箱为长方形。到元《王祯农书》中所记载的风扇车的箱体已为圆柱形，这一改变至晚始于公元1200年左右。【20】圆柱形箱体较长方形的箱体更为完善，是风扇车技术的一大进步，标志着中国古代风扇车的形制及其技术的成熟。风轮在长方体箱体内旋转时会在箱体内与风轮轴平行的箱体壁所组成的二面角内产生涡流，涡流对风轮的运转有阻碍作用，风轮运转的越快，涡流对风轮的阻力也越大，因此摇动风扇车就要做一部分克服涡流阻力的无用功。随着人们在生产实践中经验的积累和对自然规律的不断探索，发现流线型结构对气体的流动产生的阻力要较方形的小，于是把风箱由长方体改为圆柱体，巧妙地消除了涡流（如图11）。同时也说明至晚在公元1200年前人们就对空气涡流的产生及其具有的阻碍作用有了相当深刻的认识【21】。
图11：风扇车风箱由方变圆原理图
风扇车的另一技术进步是双出粮口风扇车的出现（如图12）。双出粮口风扇车工作时，通过调整叶轮的转速以产生合适风力的气流，把从同一高度落下的重量不同的好米、次米、糠吹到远近不同的地方，在距高槛最近的一个出米口落好米，另一个出米口出次米，糠则从风扇车前边的口吹出。这样只需扇一次就把好米、次米、糠秕分开了，较单出粮口风扇车，需先从谷米把谷糠扇去，而后再将好米、次米分开，共需两次清选，大大缩短了生产时间，生产效率得到极大的提高。至晚在十八世纪四十年代以前已发明了这类双出粮口风扇车。【22】在二十世纪三十年代前，内蒙地区广泛使用这类风扇车。在东北地区现在还有使用。
图12：双出粮口风扇车
风扇车的出现，使人们能够摆脱对自然风的依赖，采用连续的人造风，根据需要随时对加工后的谷物进行清选，极大地拓展了谷物清选加工的方式，提高了生产效率，对我国农业的发展起到了非常重要的促进作用。同时，风扇车的发明，也是古代人民在风能利用方面的创举之一，具有很高的技术水平，充分反映了古代劳动人民的勤劳与智慧。而西方从中国接受它的时代不会早于18世纪中叶。【23】
2． 立轴式风扇车——门式大风扇
目前所知最早的立轴式风扇车，是四川彭县大平出土的汉画像砖“舂捣图”中的门式大风扇（如图13），其应为立轴式风扇车的早期形态。图的右下方有一人两手各执一片“门”形扇叶的柄，平行左右搧动，另一人正肩上扛粮斗将谷物徐徐倒下，谷物在下落过程中，糠秕被扇叶扇起的风吹向一边。两个扇叶的安装，应该是和屋门一样，安装在上下铰链（如滑动轴承）之中的。汉代画像砖描绘的内容是对当时社会生活实际的反映，门式大风扇出现在画像砖的“舂捣图”中，表明在当时应有较广泛的应用。
关于立轴式风扇车的文献记载，始见于元代《王祯农书》，对其结构有较为简略的记载：“其制：中置簨轴，列穿四扇或六扇，用薄板，或糊竹为之。……带掉轴，或手转足踏，扇即随转。凡舂碾之际，以糠米贮之高槛，槛底通作匾缝，下泻均细如籭，即将机轴掉转搧之，糠粞既去，乃得净米。”【24】由此记载可知，立轴式风扇车与卧轴式风扇车除了风轮的安装不一样外，其它结构应基本一样。相对于卧轴式风扇车，立轴式风扇车驱动机构较复杂，也不宜有很高的转速，产生风量有限，使用应没有卧轴式广泛，这可能是文献少有立轴式风扇车而多有卧轴式风扇车的记载的原因之一。
图13：东汉画像砖——门式大风扇图（四川绵阳出土）
二、用于提水灌溉及排水——风车
风能应用于农业提水灌溉及排水，是通过风车将空气流动的动能转化为用于提水灌溉或排水所需的机械能，主要是用做翻车（又称龙骨水车）的动力，应用于我国沿海及长江流域风能资源丰富的地区。其原理是利用自然风的动能推动风车的叶片，将气流的直线运动转化为风轮绕其轴心线的圆周运动。古代的风车按风轮轴的位置可分为立轴式风车和卧轴式风车两种。风车的叶片借鉴于我国的船帆，由中国式硬质平衡纵帆变化而来。
【一】立轴式风车
风车的记载始见于宋代。南宋刘一止（1078～1161年）《苕溪集》卷三载：“老龙下饮骨节瘦，引水上
声呷呀。初疑蹙踏动地轴，风轮共转相钩加。……残年我亦冀一饱，谓此鼓吹胜闻蛙。”【25】这里，“风轮”当指风车的风轮，从“残年”二字推断，当是1140～1150年前后的事。【26】
明代文献有较多的关于利用风车进行提水灌溉及排水的记载。徐光启《农政全书》卷十六载：“近河南及真定诸府（在今河北、河南两省内），大作井以灌田”，“高山旷野或用风轮也”。《天工开物》卷一又记，扬郡（今江苏省扬州、泰州、江都等地）“以风帆数扇”驱动翻车，“去泽水以便栽种”。明童冀的《水车行》对零陵（今湖南永州及广西全州一带）使用风力翻车的情景作了如下描述：“零陵水车风作轮，缘江夜响盘空云。轮盘团团径三丈，水声却在风轮上。……轮盘引水入沟去，分送高田种禾黍。盘盘自转不用人，年年
用修车轮。”文中所指的直径达三丈的风车为立轴式“大风车”【27】。1656年来华的荷兰使节作了一幅画，描绘了江苏使用立轴式风车的场面（如图14）。
图14：荷兰使节描绘的17世纪江苏地区立轴式风车场景图（采自：李约瑟《中国科学技术史·机械工程》）
清代，文献对立轴式大风车的结构、原理、装用等均有较详细的记载。清中叶，周庆云在《盐法通志》卷三十六记述了立轴式风车的构造原理：
风车者，借风力回转以为用也。车凡高二丈余，直径二丈六尺许。上安布帆八叶，以受八风。中贯木轴，附设平行齿轮。帆动轴转，激动平齿轮，与水车之竖齿轮相搏，则水车腹页周旋，引水而上。此制始于安凤官滩，用之以起水也。
长芦所用风车，以坚木为干，干之端平插轮木者八，如车轮形。下亦如之。四周挂布帆八扇。下轮距地尺余，轮下密排小齿。再横设一轴，轴之两端亦排密齿与轮齿相错合，如犬牙形。其一端接于水桶，水桶亦以木制，形式方长二三丈不等，宽一尺余。下入于水，上接于轮。桶内密排逼水板，合乎桶之宽狭，使无余隙，逼水上流入池。有风即转，昼夜不息。不假人工，不资人力，洵佳构也。【28】
清金武祥著《粟香二笔》卷一中对风车的构造原理、应用条件及效率有较详细地记述，载：“寿阳祁春圃相国《
亭集》，有水轮歌一篇，其序云：……吾乡田平水缓，江北通泰诸邑，则用风车，其式以蒲为篷，八中立柱，八篷围绕之，随风左右，下置龙骨车，挽水而上，日夜不绝，较水车同一便疾也。”表明风车带动龙骨水车提水灌溉的效率与水车一样高。另外，清《宁河县志》卷十五中关于风车的记载已有相当于现代滑动轴承作用的铁质的铁柱和铁碗：“宁邑，稻田临滩提水向用水车，运以骡马，同治十年，塘沽生员井煦，服贾江南临城县，见有稻田以风车提水，仿式造之，布帆八面，上有铁柱，下有铁碗，随风而行，不烦骡马。择临滩地势宽广（敞）者试用之，费省功倍。”晚清林昌彝《砚
绪录》卷十三介绍了立轴式风车的装用方法：
造风车车水之法，极为巧便，尝谓船使风篷，随河路之湾曲尚可宛转用之，若于平地作风车以转水车，可代桔槔之多费人力，亦不必如舟帆之随时转侧也。风车之篷用布蒲、竹蔑者，皆可架车于平地四面有风处，风车圈各有笋，互相接续于水车，如钟表内铜圈然。其水车一如田间常用之式，置于水中亦有
以接风车，随之而转。又风车上下另加篷两扇，斜侧向里，留篷以逼风入车更得力。惟水车置于河道内，殊碍行船，可于堤外开一水窦，通堤内开沟三五丈，引水入大池中，池中置水车，岸上置风车，随风所向转水灌田。……昔余过浙江处州，舟中曾见乡村中用此法以车水。【29】
其中，“风车圈”系指卧置大齿轮，“
”即齿轮的齿。另加的两扇“篷”起着导风于风轮的作用，扩大了风能利用面积。“不必如舟帆之随时转侧也”，则是对立轴式风车设计最为巧妙、最富科学性的风帆自动方向调节系统的记述。立轴式风车的风帆的张挂方式及风向自动调节原理如图15所示。风帆采用中国式硬质平衡纵帆，充分发展了其可较好地使用侧向风的特点，将风帆偏置风轮的棱柱上，靠外的一部分较窄，靠里的一部分较宽，各帆的正中上各由一绳E系之，此绳过滑轮P下行系于下部横杆上，起调节风帆高度的作用。各帆内侧由绳D拉着，D的长度以当帆面与风向垂直时恰能拉紧为宜。风轮转动中，每当帆转到顺风一边，它就自动趋于与风向垂直，所受风力最大；当帆转到逆风一边时，就自动转向与风向平行，所受阻力最小。这一原理使得风车不受风向变化的影响，也不改变旋转方向。
图15：立轴式风扇车风帆张挂及风向调节原理图（采自：刘仙洲《中国古代农业机械发明史》）
立轴式风车除用于农业提水灌溉及排水外，在近现代的盐场中也被广泛应用。据调查，20世纪50年代初，仅渤海之滨的汉沽塞上区和塘大区就有立轴式风车约600部，【30】其结构如图16、图17所示。此外，1982年江苏阜宁县沟墩的盐场尚有立轴式风车，该车有2丈4尺高，4丈多宽，但已有损坏。1985年10月，同济大学机械史课题组对沟墩风车进行了调查，该风车最大尺寸长约14米，宽11.2米，高10.6米。风帆尺寸规格均为4.2米×2.8米，大小齿轮数分别为88、18，直径分别为3.5米及0.7米。【31】并根据抢救的资料及其他史料，对其进行复原，为中国科技馆制作了一套模型。
立轴式风车主架构采用八棱柱的框架结构，中置立轴，因其形似“走马灯”，又称为“走马灯”式大风车。立轴上部镶接8根辐杆，下部镶接8根座杆。桅杆与辐杆、座杆、旋风榄、篷子股相联，挂上风帆，即构成风轮。立轴与铁环的配合，以及针子与铁轴托（铁碗）的配合，构成了两副滑动轴承。平齿轮固定在立轴下部，与一个小的竖齿轮啮合，竖齿轮通过其方孔，装在直径约7寸的大轴上，并可在轴上左右移动，以实现齿轮的啮合与分离，起离合器的作用。大轴上装有主动链轮，驱动龙骨。风吹帆，推动桅杆，使立轴和平齿轮转动，驱动翻车。帆所受风压与风帆的面积、升挂高度及安装角度有关。风大时，一个平齿轮可驭动两台甚至三台翻车。
天津塘沽地区和江苏阜宁地区的风车原理基本相同，但风帆的张挂方法不尽相同。塘沽风车的风帆在绳子拉紧时与风轮半径重合（如图18）。【32】苏北阜宁风车在拉紧时与风轮半径成一初始角（如图19）。【33】同济大学机械史课题组对两种类型的大风车进行了受力分析和计算机辅助分析计算比较，发现阜宁风车风帆的效率较塘沽风车的大。【34】
立轴式风车的发明和使用，较好地将自然能——风能应用于农业及制盐业的生产，在一定程度上减轻了人、畜的力役，是我国古代一项重要的发明，具有很高的科学技术水平，充分反映了古代劳动人民的勤劳和智慧。然而，由于这种风车体积大，占地面积较多，80年代中期已被电动或内燃机水泵所替代。
图16：天津地区的立轴式风车图（采自：李约瑟《中国科学技术史·机械工程》）
图17：汉沽立轴式风车结构简图 (陈立绘)
1.扬绳（4根粗铁丝或木杆，拉在大柱上），2.辐杆（伞盘秤），3.铁环（将军帽），4.立轴（大将军，直径大于8寸，高22尺），5.旋风榄，6.桅杆（小桅子），7.风帆（风篷，8个），8.座杆，9.针子（锥形铁轴端），10.平齿轮（车盘，车圈，直径10尺，88个齿），11.篷子股（支杆），12.大柱。
注：括号内为别名与规格。
图18：天津塘沽地区的风车挂帆法
图19：江苏阜宁地区的风车挂帆法
（二）卧轴式风车
卧轴式风车至晚出现于明代。【35】也有学者认为其约起源于汉代【36】，但其依据似不充分。卧轴式风车所用风帆也是典型的中国式船帆。其原理是通过调节帆脚索，使帆面与风轮的回转平面保持适当的夹角（一般为100左右），利用风帆上与风的气流垂直方向的分力产生驱动力，驱动风轮转动。
文献记载始见于明末清初学者方以智所撰《物理小识》：“用风帆六幅车水灌田者，淮、扬海
皆为之。”清代曾廷枚《音义辩同》卷七又记：“有若水车、桔槔，置之近水旁，用蔑篷如风帆者五六，相为牵绊，使乘风引水也。”与近现代的记载和实物相比较，可知以上所记载的装置是一种可挂三至六面风帆的卧轴式风车。【37】因它的轴是斜卧的木杆（现代有用钢管的），又称为“斜杆式风车”，主要分布于中国东南沿海风能资源较丰富的地区。1947年电影《一江春水向东流》拍摄了这种风车的运转情景。
1993年5月，连云港市赣榆县盐场（拓汪乡西林子村）使用10多台卧轴式风车，用于驱动翻车提盐水，这种风车最多可挂6面风帆。张柏春和冯立升先生对其进行了调查和测绘。为了便于绘图时表达其结构，测绘时仅挂了三面帆，已能使翻车运转提水了（如图20、图21）。整个风车，除了少数铁件外，均为木制，并以杉木为主。木杆制成的卧轴，大端（装齿轮）直径约为180毫米，另一端直径100毫米;钢管制成的卧轴直径为75毫米。为了延长使用寿命，木零部件制成后要先打泥子，再涂桐油。当风力为3～4级时，风轮转速约为每分钟30余转；风力4～6级时风车运转最佳，转速约为每分钟40～50转。风力8级时转速可达每分钟80转，但已不适于驱动翻车。
卧轴式风车的张帆方法与立轴式风车相似，使游绳（升帆索）绕过弦绳上的小绳圈，将风帆拉得张开，游绳的另一端拴在距主动齿轮不远的卧轴上。不用时，拉紧绕在卧轴上的绳子及移动人字架，都可以使风轮停止转动。卧轴式风车的缺点是不能自动适应风向变化。使用时，需根据风向的变化，搬动人字架在水平面3000范围内绕睡枕移动卧轴，使风轮对着风向。但比起立轴式风车，具有构造简单、使用简便、占地面积较小等优点。二十世纪末，除苏北个别盐场以外，福建莆田盐场也有200余台卧轴式风车。【38】
图20：赣榆卧轴式风车与翻车全景图(采自：卢嘉锡总主编《中国科学技术史·机械卷》)
图21：赣榆卧轴式风车视图
(单位:毫米，张柏春、冯立升测绘。采自：卢嘉锡总主编《中国科学技术史·机械卷》)
1.人字支架，2.弦绳(铁丝)，3.风帆(布质)，4.弦绳(铁丝)，5.游绳(升帆索)，6.卧轴，7.主动齿轮，8.睡枕, 9.双轮（木轴座），10.竖齿轮，11.主动链轮(拨轮)，12.支架，13.翻车水槽，14.大轴(直径140)，15.支架与铁立轴，16.绳圈，17.弦绳(铁丝)，18.桅杆，19.缆绳(帆脚索)，20.帆竹〔帆椼)，21.弦绳
三、结语
古代先民在农业生产实践中，对风能进行了充分的开发利用，取得了很大的成就。谷物清选加工技术及工具经历了由利用杴和飏篮对自然风直接利用的“扬”法，到利用簸箕产生间断人造风的“簸”法，以及门式大风扇，又到产生连续人造风的重大发明——风扇车出现的演变过程。清选方式由单一的对自然风的利用到自然风和人造风的互补利用；做功方式由簸箕的上下簸扬做功，到门式大风扇的半圆周转动做功，又到风扇车的圆周转动连续做功的发展过程，极大地提高了生产效率。由间歇做功到连续做功，反映了技术发展由萌芽到逐步完善的内在特点及规律。
三种谷物清选加工方式及工具的优缺点互为补充，生产中可根据不同的情况选择合适的方式及工具，也可不同形式配合使用，形成了完备的谷物清选加工的技术及工具体系。特别是风扇车的发明，自汉代起，即在风箱侧面以叶轮轴中心为圆心设置圆形的进风口，使风扇车早期的结构即较为合理，反映了很高的技术水平。李约瑟在《中国科学技术史》中对这一结构及风扇车作了很好的评价：“中国旋转式鼓风机（卧轴式风扇车）的一个突出的特点是进风口总是在中央，因此必须承认它是所有离心式压缩机的祖先，甚至连现代的巨型风洞也是从它们演变出来的。”此结构“是中国技术的一典型项目，似乎确定的是，所有欧洲旋转式气体鼓风机都从它演变出来。”【39】
用于提水的风车，风帆采用中国式硬质平衡纵帆，充分发挥了其可较好地利用侧向风的特点。特别是立轴式大风车，其独特的风向调节系统极富科学性，不仅不受风向的影响，而且可根据风力的大小简便地改变帆的受风面积，以保证风车正常地工作，形成了我国独特的风车技术特点，反映了很高的科学技术水平。当王徵、邓玉函（J. Terrenz）编译《远西奇器图说录最》（1627年）介绍国外风车时，中国风车技术早已成熟并被一些风能资源丰富的地区广泛利用。
社会发展与科学技术的进步是互动的。社会需求是科学技术发展的重要的原驱力之一，科学技术的进步反过来对社会的发展有很大的促进作用。我国古代农业中对风能开发利用的技术及成就，是应社会生产的需要而产生的。如双出粮口风扇车的出现就是十七世纪以后城市人口不断增加，对谷米消费的需求与日俱增，一些地主及商人也就随之开起了大型米店，并而改革谷米加工机械，促使发明了双出粮口风扇车。风车的发明和使用，减轻了人力及畜力役，拓展了农业生产的动力能源，有力地推动了我国古代农业生产及社会的发展。
注释：
【1】【2】【3】【4】【10】【12】【18】【19】【24】元·王祯撰，王毓瑚校：《王祯农书》．农业出版社，1981．
【5】明·宋应星撰，钟广言注释：《天工开物》．广东人民出版社，1976.
【6】周昕：《中国农具发展史》．山东科学技术出版社，2005．
【7】清·王先谦，刘武：《庄子集解》．中华书局，1987．
【8】汉·刘向：《战国策》．北京图书馆出版社，2003．
【9】北魏·贾思勰撰，缪启愉校释：《齐民要术校释》．农业出版社，1982．
【11】史占扬：《从陶俑看四川汉代农夫形象和农具》．《农业考古》，1985【1】．
【13】河南省博物馆：《济源泗涧沟三座汉墓的发掘》．《文物》，1973【2】．
【14】李桂阁：《从出土文物看两汉南阳地区的农业》．《农业考古》，2001【3】．
【15】余扶危：《洛阳东关汉殉人墓》．《文物》，1973【2】．
【16】赵家有：《山西芮城出土风车模型》《农业考古》，1988【2】．
【17】梅尧臣：《宛陵先生文集》．北京图书馆出版社，2004．
【20】【21】【22】张鸷中：中国风扇车小考．《农业考古》，1988【2】．
【23】【39】英·李约瑟：《中国科学技术史·机械工程》．科学出版社，1999．
【25】《四库全书·集部·别集类·苕溪集》．
【26】【27】【35】【37】张柏春：《中国风力翻车构造原理新探》.《自然科学史研究》第14卷，1995【3】．
【28】清·周庆云：《盐法通志》卷三十六．
【29】清·林昌彝：《砚
绪录》卷十三．【30】陈立：《为什么风力没有在华北普遍利用——渤海海滨风车调查报告》.《科学通讯》，第2卷，1951【3】．
【31】【33】【34】易颖琦，陆敬严：《中国古代立轴式大风车的考证与复原》.《农业考古》，1992【3】．
【32】刘仙洲：《中国古代农业机械发明史》．科学出版社，1963．
【36】陆敬严：《中国机械史》．越吟出版社，2003.
【38】卢嘉锡：《中国科学技术史·机械卷》．科学出版社，2000.
文章来源：原载《中国农史与环境史研究》
