泵浦发展可作证  --  为何古代中国缺乏创新文化？

最近各地的水龙会忽然得到兴旺发展，各种古代的水龙设备时有发现。古代乡村的消防设施，看上去差不多，大多数人对其中的区别并不了解，对其流传和来源也不清楚，这里笔者可以指出其中的一些技术的关键特征及其欧洲背景。

１．  三种主要的古代射水工具

我国古代的射水工具，至少有三种射水设备，分别代表了某一时段的欧洲灭火技术。

图1. 水枪：清代的消防水枪（注意，可以伸缩，用来挤压内部的水流）大约是1430年最早出现在欧洲。

图2. 土龙：泰州新发现的清代水龙，有150年的历史。（注意，缺乏气箱，只有一根杠杆。大约是1612年出现在欧洲）

图3. 洋龙：广州市番禺区沙湾镇“时思堂”水龙。（注意，有气箱，有双抬扛，箱体是为了遮盖气箱的丑陋。最早是1725年由英国的纽夏姆发明）。

2. 灭火工具的源头

a.特西比乌斯的原型泵浦

早在公元前三世纪左右，希腊托勒密王朝位于埃及的亚历山大里亚的数学家特西比乌斯（Ctesibius，约285-222BC）发明了一种提水装置。这是一种铜制唧筒，筒中装有可上下往复移动的柱塞，靠人力操作抽水并排水（见图4）。不过虽然特西比乌斯是亚历山大图书馆的早期馆长之一，但他本人生前极其潦倒，没有作品传世，其泵浦的原始设计经过在菲罗（Philo）的改造，并在马尔库斯·维特鲁威·波利奥（Marcus Vitruvius Pollio，约公元前80年或前70年-约公元前25年）的《建筑十书》中得到记录。特西比乌斯型的原始泵浦的缺点在于，工作部位位于水下，如果水位降低，则水箱填不满，出力下降。为何最早的泵浦被处于埃及的希腊人所发明？很可能是亚历山大图书馆的技术积累，几何之父欧几里德的原创贡献（活跃于公元前300年左右的亚历山大），和图书馆火灾安全的需要，产生了对提水的特殊需求。

图４.菲罗所记录的特西比乌斯型泵浦

b. 单人操作的铜制唧筒

大约在1430年，德国出现了一种小型的唧筒。他们像一个大型的医用注射器，由黄铜或木材所制成。加以压力，可以射出1-3公升的水。因此，他们只在火灾刚刚开始、火头较小的短时间内有效。当火势增加之后，唧筒的弱点（不能连续供水）开始凸显，所以是一种次要的工具。

故宫博物院现藏有的水铳式唧筒，其外表象水枪，其实是一个能够上下伸缩的套筒。将它立放在水缸里，提上套筒，水便吸入其腔，再压下套筒，水即从喷口处射出。这种唧筒由单人操作，射程可达20多米。所以，故宫的水铳式唧筒，应该是类似于图1的水枪。

水枪一直是人力泵浦的重要补充，一直使用到现代，与人力泵浦共消亡。水枪的黄金岁月是18世纪，英国的保险公司私立消防队伍，不仅有花哨的制服作广告，也有精致的水枪作工具，如图5所示。

图５. 18世纪英国保险公司私立消防队的典型装备。

c. 奥格斯堡的轮式泵浦

1518年受德国奥格斯堡市的委托，做金属工艺品的手艺人安特尼·布拉特纳（Anthony Blatner）又设计改造了一台泵浦。不过，没有绘图或原型保留下来，有人说改造并不成功。据《奥格斯堡市工艺史》一书记载，这辆消防车是把杠杆操作的大型水泵改装到车子上形成的，是马拉消防泵浦的原型。这种泵浦缺乏有效的水管（只能使用鹤嘴管，这是《远西奇器图说》中泵浦的原型），因此射程不远。但至少有一件事影响深远，就是泵浦安装了轮子，成为可以移动的泵浦。最初特西比乌斯型泵浦需要一个大澡盆装水，因此不方便移动。

d. 汉斯豪施的气箱和木撬

1650年德国纽伦堡的马车指南针制造商汉斯·豪施(Hans Hausch)改进了当时的手动泵浦，添加了抽吸和压喷的环节，建立了使用气箱产生连续水流的大型消防车。气箱，是一种利用空气的可压缩性产生稳定压力的装置，尽管外来压力有脉动，水源则压缩气体的帮助下保持不间断地供给。通过风箱顶端固定安装的一旋转喷嘴，水流可以达到80英尺的高度。由于豪施型泵浦体积巨大，不能安装轮子，所以是安装在木橇上，被拖着移动的。

豪施型泵浦的突出特征是有两个水平运动的杠杆，每边有14人在水平方向反复推动。虽然出力很足，但是水平移动非常不方便，有人行动幅度大，有人幅度小，出力不均，所以这种方式很快被淘汰了。但是，豪施发明的气箱却保留下来，成为纽夏姆泵浦的基本特征，也是洋龙的基本特征。　

图６.豪施的两缸手压泵浦的特征是28人同时操作水平杠杆，气箱（被箱体遮盖，看不见）和橇式移动平台。

d. 德海顿的消防水管

在1666年伦敦大火的影响下，1672年，荷兰阿姆斯特丹市的杨·班·德海顿发明了用皮革做的软输水管，用于灭火行动（图7）。这种皮制水管，50英尺（15米）长，用铜件耦合到泵浦上，或相互连接。这个标准长度（50英尺）仍然在今天得到使用。德海登的消防水管是一项重大发明，改变了消防泵浦必须靠近火场的局面，也部分解决了水源供给的水桶队的问题（可以直接从水源抽水），因此对后世的灭火战术影响颇大。可以说，德海顿的水管开创了室内灭火的新局面。

图7.德海登绘制的自制消防泵（右）与传统的消防泵（左，豪施型泵浦）之比较。

e. 纽夏姆的连排杠杆

1725年英国伦敦的理查德·纽夏姆（Richard Newsham）改进了水泵，安装在小车上，人力拖往失火地点（图8）。这种灭火机有手握把柄灭火的人，有两侧双抬扛驱动泵筒的人，大家共同操作，能连续喷射出水流灭火。两队杠夫可以每分钟射出160加仑（每秒12升）的水，达到120英尺（36米）的高度。这种灭火机取得了专利。1776年，乔治华盛顿为弗吉尼亚小镇亚历山大消防捐献的消防泵，就是纽夏姆型消防泵。其基本特征是双杠杆、有水塔（里面是气箱）、轮式驱动。纽夏姆泵浦的成功之处在于使用了齿轮转向传动装置，因此双抬扛位于泵浦的两侧，节省了空间。到100年后，纽夏姆泵浦专利失效之时，人力泵浦的改进不大。所以，纽夏姆泵浦代表人力泵浦的成熟型号，广为人们熟知。

图8.使用时间最长的纽夏姆型消防泵浦。

3. 清代泵浦的两个源头

3.1. 土龙的产生

《远西奇器图说录最》是由德国传教士邓玉函（Johann Terrenz, 1576～1630）口译、王徵（1571～1644）笔述绘图，发行于1627年。该书是第一部系统地以中文介绍西方机械的专著，有一册专门讲解手动消防泵的工作原理（见图８）。第二图是木橇式固定泵浦，第三图示移动型泵浦。对比图２可以看出，中国本地产水龙（相对于后来的洋龙，称土龙），显然没有1650年才发明的气箱，很可能出力不均匀，水压多脉动。有人考证，王徵译著《奇器图说》，所依据的原本有Vitruvius（王徵译为“未多”）著《建筑术》(De Architectures)、Simon de Biuges（王译“西门”）著《数学记录》(HypomnemataMathematics)、Georgius Agricola（王译“耕田”）著《论金属物》(De Re Metallic a)、Agostino Ramelli（王译“刺墨里”）著《论各种工艺机械》(Le Diverse etArtifieiose Machine)等。不过，1556年出版的《论金属物》并没有完整的泵浦工艺，而是一些唧筒设计，因此更可靠的来源是1612年Heinrich Zeising出版的一本小册子《剧场技术》（图９）。土龙的基本特征是，单杠杆（缺乏转动转向的机械装置）和无气箱，很容易辨认，各地都有仿造。

图9.《远西奇器图说录最》水铳篇第二三图

图10，1612年莱比锡出版的泵浦技术，显然是王徵引入泵浦技术（图9）的原型。

3.2. 洋龙的引进

故宫博物院保存的另一种是杠杆式唧筒。清雍正五年(1727年)进口的唧筒，上刻有“水龙”二字。这个唧筒桶高154厘米；由压梁、汽包和水箱组成，水箱长69厘米，宽56厘米，深44厘米。箱底两侧有两根分别向后伸出的直木，作为抬杠，每根长237厘米，每端各有一个铁环，这是供人合作出力的杠杆。救火时，除另外有人随时向水箱内供水外，要有4个人分别站在两端用力一压一抬，使水沿水带由水枪喷出，射程可达30米左右。显然，故宫引进的泵浦，具有双抬扛和气箱，显然是1650豪施型泵浦的后续发展，很可能是当时刚刚发明不久的纽夏姆泵浦。在《清宫述闻》中称：“紫禁城内禁区饬火蚀，乾清宫等到处机桶(防火器，亦名激桶)70架。”

3.3.水龙技术的流传

据《李朝实录》记载，雍正元年(1723年)，朝鲜李朝景宗皇帝批准，曾派官员华“入燕中得来”这种“水流器”，得知“救火灾者也”，便下令造置，因而传到了朝鲜。显然这是土龙，因为洋龙的转向传动齿轮比较复杂，当时朝鲜的技术条件还无法复制。

日本在1629年成立第一支消防队伍，主要依赖的是木制唧筒。1654年，上海某乡绅唐某还进口了日本产的木质唧筒，说明王徵引进的土龙技术还没有在明末清初的战乱年代普及。日本在1754年引进荷兰技师仿造了欧洲泵浦，称作“龙吐水”（注意单杠杆没有气箱，也没有转向传动齿轮装置，因此是类似于中国土龙的泵浦技术，见图11）。之后的1782年，日本在历史上唯一一次大批进口外国泵浦。显然后者是纽夏姆型泵浦，比日本自己生产的“龙吐水”更轻便，出力更大，效果更好。

图11.日本1754年间的“龙吐水”，是指荷兰技师的指导下设计制造的，也是类似于中国土龙型泵浦的设计。

4. 泵浦技术的李约瑟难题

从上面分析可以看出，中国古代泵浦的每一项主要技术都是国外发明的，各地的泵浦基本都是仿造或进口。手动泵浦，只有上海和广州两地有仿造，至少生产到1958年（徽州购买人力泵浦）。泵浦技术进入中国很早，自我改进却很慢；虽然《远西奇器图说》在1627年的扬州出版，顺治年间（1646年），上海县绅士唐某还是从日本进口一台木制唧筒（大约是水枪之类，显然王徵的心血白费了），得到广泛的模仿和生产。从1727年故宫进口泵浦，最迟到光绪年间，我国还从德国进口手动泵浦。为什么泵浦技术在中国没有改进？为什么中国没有完整的泵浦技术？这是一个李约瑟难题，即为何技术在中国的土壤中不能得到有效的利用和发展？

其实，人力泵浦的工作原理非常简单，就是利用压力在同一介质中传递大小不变的原理（即帕斯卡定理），通过改变出口的截面积，达到增压和加速的效果。经过李约瑟的考证，中国在公元前4世纪就发明了按照相同原理工作的鼓风机（见图12）。另外，在公元11世纪就发明了猛火油柜（也是按照帕斯卡定理工作的一种驱动油类的泵浦）（曾公亮在《武经总要》中记载的“猛火油柜”见图13），所以泵浦技术的基本原理和环节，古代中国早已具备，却没有对手动泵浦技术带来任何的改进，甚至连改进泵浦技术的欲望也没有，不是很奇怪么？

图12.李约瑟复制的中国公元前4世纪往复式鼓风机。

图13.曾公亮在1045年设计的猛火油柜是具备人力泵浦的主要特征。

研究中国历史发现，历代社会对商品经济的限制，放任人口增长和平均继承的政策，导致人民缺乏财产积累，所以没有多少大规模火灾问题。商品经济产生燃料，对此有较大的灭火需要（比如宋代）。因此，明末清初时的民间对火灾安全方面的需求不大，这一点可以从各地的水龙会诞生时间来推断，普遍比国外晚几个周期（一个周期30年）。经济水平导致燃料水平地下，推迟防火需求的产生。也就是说，改进和发明需要经济的刺激，没有经济的发展需要，人们不愿意主动探索与思考。

其次，由于火灾气候导致消防形势的发展具有波动性，存在高发时段和低潮时段。高发阶段需要民众组织自救，低潮时段，这些制度就不能保存下来。在火灾高发时段，集权制度可以通过有效的禁火管理来避免温度变化带来的火灾风险，也就是说通过人治来消除火灾风险。所以历代的禁火策和人治管理导致对技术的抑制作用。如果统治者可以通过简单的宵禁政策来控制火源，为什么要防火灭火呢？所以，外国人总是羡慕中国人具有较高的防火觉悟，却不曾想这种消防觉悟是建立在严惩肇事者，压制创新动力的基础之上的。所以当物质条件不足之时，我国古代的政府总是通过压制民众的需要，来消除对创新的渴望。即用‘以集体为本’来对付‘以人为本’，抹杀了创新的欲望。古代创造能力的不足，最大的阻力来源于制度的限制。制度总是通过转移需要来维稳，造成社会停滞不前。

第三，由于中国制度缺乏长期的自我改进，所以当维稳政策失败之时，内部的革命造成重新洗牌，这时候战火掩盖了民间的灾情，人们又看不见技术发展的需要了，因为战争。欧洲泵浦技术发展最快的17世纪，是中国战乱最多的一个世纪，整体差距，就是那时候造成的。至于满清带来的落后专制制度，又加大了中外的技术差距。

第四，技术的改进需要交流，需要宽松的发展环境。明末清初的改朝换代、禁海策和文字狱制约了文化的发展和技术的进步。满清的技术水平并没有完全恢复和发展明代的技术，所以泵浦技术没有在中国得到任何的改进。

李约瑟认为，中国之所以采纳中央集权制度，是因为对付水患的需要。周期性的水灾，导致中央政府需要集中资源应急管理，即所谓的多难兴邦。可是，由于气候的周期性，对付火灾的需要，特别是禁火制度的实施，也是导致中央政府权威的动力之一，最典型的政策，莫过于周代初期的‘禁火策’和管子的‘修火宪’。历代政府，总是通过各种形式的‘禁火策’和‘修火宪’（比如唐代的禁夜制度和宋代的禁火制度），把劳动人民牢牢地掌握控制在手中。虽然胡舜举（正宗的徽州绩溪胡）早在宋代的福建就采取民众自救防火的组织，可是那是中国国土上极少的异类，绝大多数情况下，中国都是采纳中央集权的消防制度，消防作为治安的一部分而存在，这样民众就更依赖政府了，这又是一种对创新的抑制。美国的国父们，就是在消防组织的实践中，导致了制度的创新，成立了人类历史前所未有的合众国，这也是当时的防火需要带来的创新。这种创新，在中国的土壤中基本是不存在的。所以，李约瑟难题的一种答案是，由于治水和治火的两大社会发展动力来源被中央牢牢把控，所以整个社会缺乏创新的动力，这是古代中国的常态。