解读中国传统机械辘轳所体现的朴素的设计观

辘轳是中国古代用来提取井水的传统机械，并被广泛应用于农业，工业以及人们的日常生活中。本文正是从机械和器具设计的角度，通过分析辘轳的起源，原理，传承发展和文化内涵等，进一步发掘蕴含在其中的朴素的设计观。这种设计理念一直贯穿于中国几千年来的机械设计和器具设计中，并随着时代的发展不断地在工业生产中得以传承和完善。

中国古代在机械方面有着许多令人骄傲的发明创造。许多机械结构和原理的运用，十分巧妙和独到，体现了中国古代匠人的聪明才智。这些独到的设计，也对后来的机械和工业设计产生了巨大的影响。中国传统机械辘轳就是利用了最早出现的杠杆原理和轮轴原理，也是古人普遍使用的一种省力原理。随着科学和技术的进步，逐渐产生了以水车为主的高级提水工具，但辘轳中所使用的原理和蕴含其中的设计理念，是人们生产实践的总结，它的朴素的设计观一直贯穿于中国几千年来的机械设计和器具设计中。

辘轳的设计原理

1.杠杆和轮轴原理

辘轳是从杠杆原理演变而来的汲水工具。了解辘轳的结构，就必须先从杠杆原理入手。

杠杆的使用最早可以追溯到原始人时期。当原始人拾起一根棍棒和野兽搏斗或用它撬动一块巨石，他们实际上就是在使用杠杆。对于杠杆，在《墨经》中科学地叙述了其平衡原理：“相衡则本短标长”。这里的“本”是指靠近支点一边的杆，“标”是指靠近重锤一边的杆。如果两边平衡杠杆一定是水平的被测重物一边的杆短，靠近重锤一边的杆长。此外，“两加焉重相若则标必下标得权也”，这是说杠杆平衡后，两边加相等的重物，平衡会破坏，标（重锤）这一边必然下降，这叫做“标得权”。上面两条对杠杆的平衡条件说得很全面：有等臂的，有不等臂的；有改变两端重力使它转动的，也有改变两臂长度使它转动的。同时指出了杠杆的平衡与两端的重量有关， 还与支点两边距离边的长短有关。由此可见，古人对杠杆原理已经有了很深的认识，并在生产实践中加以应用。

而同时，辘轳的结构中还有轮轴原理。轮轴也是杠杆原理的一种变形。凡是由一个轮和一个轴组成的机械都叫轮轴。圆的叫轮用于固定的叫轴。它是用来减少作用力或改变方向用的。轮轴是变形的杠杆，它的轴心相当于杠杆的支点，轮和轴的周边分别是力点或重点。如图1所示。

2.辘轳的结构

辘轳的主要部件包括以下几个部分：一根短圆木，一个很长的绳索绕在原木上，一根固定转轴可以使圆木环绕其转动，一个用杨柳木制成的摇把嵌在辘轳头上，一个用柳条编制成的水斗，水斗上面有二三个环可以与绳子相连，一个等腰三角型构成的支架。

辘轳或许堪称为最简单的机械了，它是杠杆和轮轴原理的结合。使用时，在井上搭一个等腰三角形的木架，三角型支架具有很好的稳定性。然后在支架中间架起横轴，轴上套一木制长筒，筒上绕以长绳，绳的一端挂水桶，长筒头上装有曲柄，摇动曲柄，绳即在筒上缠绕或者松开，水桶亦因之而吊上或放下，用以取水。在摇动手柄时，通过轮轴的作用，施力于大轮上，通过转轴的转动，从而以很省力的方式提取井水。

辘轳的传承与发展

1.辘轳的起源

史料《物源》中记载： “史佚始作辘轳”，“史佚”是周朝初期的一个史官。由此可以看出辘轳最早可能产生于周朝。从自然科学的角度看，辘轳的产生遵循了自然之力，也是人们在生产劳动中总结出的对自然规律的顺应。辘轳与水是分不开的，水是生命之源，由于地心引力的作用，水的流向都是以自上而下的自流形式出现，古语 “水往低处流”，几乎尽人皆知。然而，完全遵循水的自然流向对于人们的生产、生活等方面有着较大的制约性。人们需要借助提升工具将水改变为自下而上的流向，从而满足人们的生活和生产方面的需求。见图2《天工开物》对辘轳的描绘。

由此可见，辘轳的产生是为了满足人们在生产和生活等方面对于水资源的进一步需求，辘轳出现后，既省力又便于深井汲水，汲水效率也大为提高。

2.辘轳的传承与发展

自周朝出现辘轳之后，到春秋时期，“在一种军用巢车或八轮车上装有辘轳，以便将巢车举起，可使将士居高望敌城，而且还可用于从竖井中提升铜矿石。到三国时期，人们还用辘轳做牵引工具，在《世说新语》中记载到“乃笼盛 韦诞，辘轳长（geng，粗绳）引上”，使人能够将字写到距地面25丈高的匾上去。自战国到汉代，辘轳常被人用作入葬下棺的机械。在所有关于辘轳的记载中，最广泛最常见的用途，无疑是用于从井中提水”。南唐的李（916～961）在《应天长》中有对井辘轳的描写：“柳堤芳草径，梦断辘轳 金井。”

此外，《农书》中还记述了一种复式辘轳：绕在轴筒上的绳子两端各系一个容器，“顺逆交转，所悬之器虚者下，盈者上，更相上下，次第不辍，见功甚速。”这就省去空容器的行程时间；同时，空容器的重量也起一定的平衡作用。

古代人亦曾将辘轳、滑轮与架空索道联合应用，将山下的流水引到山上，在机械工程上，也是很有意义的创造。它广泛地应用在农业灌溉上。辘轳的应用在我国时间较长，虽经改进，但大体保持了原形，足以看出3000年前我们祖先设计的辘轳结构就已经很合理了。

在20世纪80年代，辘轳在我国的北方农村也还在使用。有些地区是在村子里有一个公共的辘轳，大家共用。后来为了使用更为方便，人们把小井打在灶房或自家的院子里，配着一个小巧的辘轳，操作起来非常方便。这时辘轳之于世人，只是吃水，而非灌溉之用了。辘轳的灌溉作用普遍持续到解放初期，主要是因为那时我国北方缺水，辘轳便成为提水灌溉必须的工具。如图3为现存于北方农村的辘轳。

辘轳所体现的朴素的设计观

1.辘轳的文化内涵

辘轳的出现离不开水，水是人们赖以生存的生命之源。中国古代的农耕文化便是依水而生，伴水而在，随水而长。在人们的生产劳作中，发明了辘轳，也正体现了人们从单纯依赖自然赋予的水资源，到能动地改造和利用水资源，反映了古代人类从生存到发展的文明历程。 并成为中国传统文化不可或缺的部分。

辘轳的汲水方式深深影响着古代人们的日常生活。采用这种垂直的提升方式，人们可以把在地下很深的水有效的汲取出来，一方面，地下水不受自然洪涝的污染，十分清澈纯净，口感甘洌。另一方面，传统社会人们的生活多以井为中心，用辘轳汲水，然后做饭，洗衣，淘米，冲凉，已经完全融入到日常生活的点点滴滴中，成为传统社会生活方式的一部分。

2.辘轳体现的设计观

辘轳是中国古明的农业机械工具之一。它的产生体现了简单机械原理的独到和巧妙，以及中国古代对机械和器具设计的朴素的设计观，这种设计理念对日后几千年的设计文化都产生了极为深远的影响。

一方面，辘轳体现了人与自然的和谐。

水是自然界最直接的资源，辘轳成为人与水之间的纽带，通过人付出的机械之力，把地下水安全的汲取出来，供人们使用。汲取上来的地下水，纯净清澈，冬暖夏凉，口感甘甜，没有污染，把大自然最好品质的水奉献给人们。此外，辘轳的结构简单，操作便捷，利用当地的自然原木搭建而成，不产生污染环境的废弃物，和周围的环境相互和谐存在。

另一方面，辘轳体现了中国古代朴素的审美观。

辘轳在造型上，简单朴实，没有多余的装饰和构件。三角型的支架是辘轳的主干，这种造型，不仅稳定，而且也是最节省材料的方式。在材料方面，带有木材纹理的原木，无须任何修饰，便呈现出一种天然的美感，同时，木材在长期的使用中，变得更为光滑润泽，更富有亲和力和朴实厚重的自然属性，拉近了与人的距离。在使用上，通常是握住辘轳的摇把，沿着同一个方向旋转，其轨迹自然流畅，这种形式本身便带来一种很优美的视觉效果。不需要附加更多精致和华丽的装饰，完全遵循使用功能，就地取材，在结构，形态，外观和使用中体现最本真最自然的美感。

最后，辘轳体现了以实用为主的设计理念。

在辘轳的设计中采用了最简单的机械原理，利用杠杆和轮轴的作用，把汲水变成一种十分省力又高效的工作。所有的结构部件都是有功能作用的，支架采用等腰三角型，稳固且结实，操作方便。榫卯结构，使各部分结合紧密，增加了稳定性和安全性。转轴部分采用大圆套小圆，很好的保证了旋转时的流畅性。材料为木质，加工便捷，坚固耐用，与人的亲和度也极高。

辘轳的结构简洁，实用，造型朴实，自然，一切以使用功能出发的设计思想，对日后机械和器具的设计产生了深远的影响，这种朴素的设计理念，直到今天依然实用，并值得引起我们所有设计工作者的深深思考。

（第一作者单位：机科发展科技股份有限公司

第二作者单位：深圳市南利装饰工程有限公司

第三作者单位：机科发展科技股份有限公司）