民间老技艺中的现代科技
原创 朱瑞祥
詹姆斯·瓦特（James Watt）先生，踩了拐磨子、风箱两大“巨人”的肩膀，爬上了蒸汽机发明者的宝座。
（写给爱思考的读者）
《民间技艺》中挖掘整理的近200项传统手工技艺，是潍坊乃至中国北方地区的民间技艺的汇总，有多项已经濒临失传。其中的数十种制作型民间老技艺，看似不起眼儿，实际上都涉及数理化原理及现代科技，有许多还是现代机械、化工行业的雏形甚至鼻祖。叙述中，除了从工艺角度阐述技术流程，还以现代视角分析古老技艺的合理性、科学性和在世界科技中的首创地位，力求让这些古老的民间技艺，在世界科技史上分得应有的席位，下面部分列出，有兴趣的读者可以对照后面有关篇章仔细揣摩，看看有没有道理，也许您还会有新的发现。
伟大而杰出的发明让人佩服，叫人眼馋。但是这些发明的成功，无一不是得益于从细微中得到灵感，把平常现象归纳升华，从挫折中吸取教训，把喜欢升格为执着。牛顿说，“我比别人看得远，那是因为我站在巨人们的肩上”。一个人的成功，离不开前人的指引和帮助，科学上的进步，也要靠一代又一代人前赴后继去努力完成。所有的年轻人与成名前的牛顿、瓦特，是站在同一个高度的水平线上的，如果你也能爬上巨人的肩膀，你也会看得很远。前人的智慧，就是无处不在的巨人，希望你也能抓住机会。
言归正传。
石碾、石磨已经退出了历史舞台，当今进入电子时代，留用的石器只有蒜臼子了。安丘青云山民俗村里的石碾，是给年轻人看的，算是怀旧。不要小看这件古董石碾，这里面的学问大着呢
圆锥体的石磙子（俗称碾砣子）在碾盘上转圈滚动，对谷物进行碾压去皮或粉碎，是石碾的基本功能。新启用的石磙子是圆柱体，使用一段时间以后，石磙子会变成圆锥体，正常使用中的石碾，石磙子的大头是朝向碾盘中心的。
如果让圆锥体的石磙子自由滚动，其运行轨迹是圆，圆的直径取决于石磙子大小头的比例。学生时期读过赵树理的小说《三里湾》，里面就有新青年计算打场石磙子的大小头比例的描述。石磙子在碾盘上的滚动似乎也应该遵循这个规律，那样推起来轻松省力，但我们的祖先却偏偏反其道而行之，任由碾砣子的大头朝里，小头朝外，这是为什么？
如下图。设想，如果碾砣子在碾盘中心的右侧，让圆锥体的碾砣子自由滚动，它必定会依O点为圆心，在碾盘右上边滚一个大大的圆形，其中只有一部分与碾盘重合。但是，碾磙子的滚动不是自由的，它被一个木制的框架（俗称碾椁子）约束住了。碾椁子是绕着碾盘中心的“轴”（俗称碾管芯）转圈的，所以碾砣子也必须“别别扭扭”地绕着碾盘转圈，奥妙即在于此。新启用的碾砣子虽然是一个圆柱体，但它也不能轻松地滚动（自由滚动只能直行）。被制约的碾砣子，滚动的圆圈越小，其近心（轴）端与远心端的行程差距比例就越大。理论上讲，碾砣子的外表面除了最接近碾盘中心的一圈是滚动以外，其他部分相对碾盘而言是滚动加滑动的复合运动形式，越接近远心端，滑动的成分和力度越大。边滚边滑，其外圆表面与碾盘平面就形成了一个“搓”的动作，这一搓，就把谷子的糠皮搓下来了。如果仅是滚压，谷子会被压成薄饼。但是，若谷物太少，在碾盘上仅有薄薄的一层，谷子没有了相互间的缓冲，“搓”就变成了“挤”，谷子就成米粉了。小时候帮嫲嫲（安丘方言“奶奶”）推碾，如果是把谷物去皮（去糠碾米），就要把谷物堆得厚一些，如果是粉碎（俗称“掐面”），就要把米豆摊得薄一些。由于远心端搓的幅度、力度大于近心端，因此远心端的磨损程度也就大于近心端，于是碾砣子两端的直径差逐渐加大，磨盘外圈也会因摩擦损耗而凹陷，渐渐的，远心端对碾盘平面的摩擦力减小甚至悬空，加工效率就要大大降低，如后文所说，就要请石匠师傅“扒碾”了。（参阅《走街串巷的工匠》篇）
碾磙子的圆锥体中心轴线并不通过碾盘中心轴，这里也是暗藏玄机的。碾砣子的表面上的任一点（如图中C点），与碾盘所形成的搓力的方向，与这一点实际行程所划成的圆的切线，有一个向外侧偏转的角度，这个偏转了方向的力，会把碾过的谷物向碾盘边沿推送“出局”，俗语叫“辞”，推出的意思，以避免反复过度碾压。越接近碾砣子外端，这个偏转的力越大。记得小时候推碾，不多一会儿，就有碾好的谷子在外圈形成一道小小的围墙，就是这个偏转推力造成的。
可见，数千年前，我们的祖先，已经把几何、力学知识成功地用于实践，这是我们的骄傲。
回头再说《三里湾》的石磙子。书里说，农户单干的时候，收获谷物较少，使用的打谷场面积小，石磙子的大小头差距大，转的圈就小。合作化互助组以后，使用的打谷场面积大了，石磙子转的圈也要加大，石磙子的大小头差距就要减小，到底相差多少，没文化的男主人公只能用木头模型一遍遍地试验。后来一位上过中学的女主人公用几何公式轻而易举地给计算出来，令男主人公佩服得五体投地。
从这一大段描述里可以想见，山西农村谷麦脱粒是把禾穗堆成圆圈用石磙子平稳碾压的，显得有点儿笨，而且也浪费场地面积。我们安丘农村则是把麦穗均匀地平摊在场地上，用牲口拉了石磙子（碌碡）碾压。用一根长木杆，俗称“撵杆”，一端拴了绳索，绳索牵了碌碡。牲口索套拉了木杆中段，打场人掌控木杆另一端，以掌控人为圆心，牲口走小圈，碌碡滚大圈，碌碡的运动速度大增。另外，绳索牵引碌碡的着力点并非朝向碌碡轴心线中心，而是偏向于掌控人一侧，使拉力与碌碡轴心线形成一个小于90度的夹角，所以碌碡的自由滚动受到了制约与干涉，造成了一个滚动、滑行、跳跃的复合运动形式。随着掌控人位置的不断移动，碌碡碾过的场地平面也不停地位移（由A到B），整个麦场不留空白，其脱粒效率比转圈碾压高出了不知多少倍。
后面记叙的几十种民间技艺，几乎都有现代科技的原始应用。下面简要列出，只为证明拙论“从细微中得到灵感，把平常现象归纳升华，从挫折中吸取教训，把喜欢升格为执着”不谬，请读者审视有没有道理。
1. 龙灯的头部、肚子里点燃的蜡烛，随便龙身怎样倾斜翻滚，烛火都能保持向上，里面插蜡烛的“转花”，是现代机械常用的万向节的雏形。（参阅《春节杂耍》篇）
2. 现在农村还在使用的风箱，里面的学问更大了。零部件的运动，造成了空气压力的局部变化。变化的气压，引起了气体流动并迫使有关部件运动，用于保证不间断地空气供应。箱体就是气缸，“猫头”就是活塞，“猫头”周边的鸡毛无疑是活塞环的鼻祖，在这里还能找到单向阀、换向阀最早的应用实例，所有这些，都是蒸汽机、内燃机的主要部件。只不过，蒸汽机、内燃机是利用大压力气体（爆发推动活塞做往复运动，风箱是靠外力推动“猫头”给空气以压力，其动作是反向的原理是一样的（参阅《风箱里的世界之最》篇）。
3. 大家都吃过豆腐，但是见过老式磨豆腐的专用器具“拐磨子”的人多。“拐磨子”推拉杆的往复运动，带动了磨片做圆周旋转，像不像蒸汽机、内燃机的连杆、曲轴？说发明蒸汽机的瓦特先生，是踩了拐磨子、风箱两大“巨人”的肩膀，才爬上了蒸汽机发明者的宝座，并不为过。
您注意到做豆腐过程中的化学变化了吗？早期的豆腐是用卤水凝固的（俗称“点”豆腐）。卤水是有毒的，对皮肤及口腔、食管的腐蚀作用很强烈，能引起腹痛、消化道出血、呼吸困难、血压下降，导致人体电解质紊乱，严重者可致呼吸麻痹和休克，气血衰竭而死亡，“白毛女”他爹就是喝了卤水毒死的。卤水的主要成分是氯化镁、硫酸镁。卤水加进豆汁，豆蛋白凝固成豆腐，看到这里，您是不是不敢吃豆腐了？别怕。镁盐被豆蛋白俘获发生胶体聚沉，已经失去了毒性，只要加的卤水不过量，豆腐中不会有多余的氯镁离子害人。（参阅《做豆腐》篇）
4. 家庭副业淋土硝，是名副其实的化工厂。早年间，安丘、昌乐、以及无棣等地方，都有大量的农户在做。大字不识几个的老农民，使用了溶解、凝缩、提纯、结晶等工艺，也涉及到了不同物质的溶解度、饱和、过饱和等概念，甚至懂得将不同盐类的混合溶液，利用温度对溶解度的细微影响进行分离提纯。（参阅《土硝》篇）
5. 我小时候喜欢放风筝，风筝上升和飞机升空有相似之处。空气流过机翼上下表面造成的压强差使飞机具有上升力，飞机的另一个升力来源是机翼迎角。风筝放飞时也相对于空气运动方向有迎角，这是风筝上升的主要因素。风筝线只用一根，但是拴住风筝却要用两根或三根（当然也有用一根的，如蜈蚣风筝），我们叫“吊线”。如果是两根，上下线的长度决定了风筝的仰和俯（迎角）。风对风筝的推力可以分解成水平和竖直向上两个分力，升力大于风筝的重力和风筝线拉力的向下分力之和，风筝就能升空。角度不合适风筝不会升高。您能画出风推力的分解图吗？风筝多大的迎角上升分力最大？
如果这个上升分力等于风筝线拉力的向下分力与风筝重力之和，风筝就稳定了。这是风筝的力的平衡，这时候风筝悬浮不动，我们叫它“稳风了”。上升分力小于风筝线的下拉分力与风筝重力之和，风筝会慢慢下降，我会下意识地牵了风筝回头跑几步，您是不是也这么做？想过它的道理吗？如果用三根吊线，不但要调整风筝的俯仰角，还要保证上面两根线等长，否则风筝会偏向一侧甚至翻滚，您也用力的分解来解释一下。
升空的风筝上所受的风力的作用点是分散的，理论上讲，每个偏离中心的作用点都对风筝产生扭转作用，要使风筝稳定，必须要满足动态平衡条件，即“合力矩”为零。另外，风筝的重心位置越低，风筝也越稳定。某些种类风筝的长尾巴就是利用这一原理，降低风筝重心，有利于自动保持平衡。
风筝能稳定放飞是一个很复杂的动态过程，有兴趣的读者可以探讨探讨。（参阅《安丘风筝》）
6. 水斗式水车早已绝迹，我见过，并画出了它的结构示意图。两个垂直啮合的木头齿盘，绝对是现代机械中伞齿轮的鼻祖。就连最原始的提水工具“秤杆井”，也是杠杆原理的实际应用。在这件不起眼的器具里，重力势能被派上了用场。（参阅《农田灌溉机具发展史》篇）
7. 说到杠杆，传统的木杆秤是杠杆原理的经典运用。木杆秤匠人把支点、力点、重点以及力臂重臂的平衡关系运用到了极致。（参阅《木杆秤》篇）
下面这张图取自网络，木杆秤称老鼠，画得很有趣，但是却不合乎平衡原理，除非秤砣是纸糊的，或者耗子喝了满满一肚子水银。
8. 我小时候玩过“脱泥钱”游戏，两枚清钱夹住一小团硬泥巴，钱眼里穿一根筷子，挤一挤，滚一滚，就能把“乾隆”“康熙”字样印在泥巴上，不过字形是反的。我想到了毕昇的活字印刷术。他用胶泥刻了一个个反字，放在火里烧硬，灵活拼版，代替整体雕版印书，就像前几年普遍使用的制版铅字，发明了活字印刷术。同一个字要做好多个，常用字做得更多，以备同一版内重复的时候使用。这些重复的字要一个个地刻制，不但费时费力，而且难以保证字形一致，要是我做毕昇的助手，我会刻一个阴文正字做母模，用它可以快速翻印出大量的反形字，是不是要得技术创新奖？（参阅《从儿时玩具说到广播喇叭电视机》篇）
9. 农村中家家户户都有的火炕，涉及到能源综合利用、热量交换和管道流体力学，您想想是不是。（参阅《火炕》篇）
10. 算卦摊上的小鸟抽签，用的是条件反射原理，据说北宋年间就有，估计得有一千年了吧。巴甫洛夫可比最早的抽签小鸟晚生了八百年。（参阅《县城内消失的行业》篇）
11. 砖窑里的化学反应是怎样的？为什么有的砖是红色的，有的是青灰色的？烧砖用的土是黏土，黏土的主要成分是二氧化硅（SiO2）和三氧化二铝（Al2O3），还有一部分铁氧化物。烧制的过程中，二氧化硅和三氧化二铝反应生成硅酸铝，硬度高了，也不怕水泡了。
如果砖坯一烧到底，黏土里面的铁质被氧化成红色的三氧化二铁（Fe2O3），就是红砖。如果在烧制结束后，趁窑内高温，从窑顶加水冷却，密闭的煅烧窑内会产生大量的还原气体氢气和一氧化碳，它们把红色高价的三氧化二铁又逐渐还原成为低价的氧化亚铁（FeO），氧化亚铁是青灰色的，烧好的红砖就变为青砖。青砖和红砖的硬度和抗压强度差不多，红砖是在烧制结束后自然冷却而成，较为简单，青砖是在烧制结束后加水冷却（缺氧冷却）而成，工艺成本较高，所以现在生产的青砖比较少。但青砖在抗氧化、水化、侵蚀等方面的性能优于红砖，中国的古建筑全部用的青砖，所以能保存至今。烧砖师傅可能不动化学，更写不出分子式和化学方程式，但是在实践中用得烂熟。（参阅《老式砖窑》篇）
12. 热烘烘的铁匠炉，打铁淬火，铁匠师傅也许不懂得钢材的热硬性和红硬性。刃口上“擦渗”，师傅的师傅的师傅就是这么做的，至于为什么，也许没有探究。钢铁中按含碳量不同可分为：生铁2.0～4.5％，钢0.05～2.0％，熟铁小于0.05％。过去铁匠师傅打制锄头菜刀一般用熟铁，这种材料加工容易，但是刃口硬度不高。但是他们会用一小块儿烧熔的生铁摩擦几次烧红的菜刀刃口，将生铁中含量较多的碳元素转移到熟铁表层，改变了刃口部分的含碳量，淬火后硬度增加了。这实际上是简化了的渗碳淬火热处理工艺。（参阅《走街串巷的工匠》篇）
13. 爆仗、泥垛子里面都是装的黑火药，由于原料配比不同，其燃烧反应速度也不同，引发的效果就大不一样了，此其一。其二，爆炸物的威力在于能量的释放速度，那种放射性的什么物件在原子反应堆中慢慢释放就是能源而不是武器。爆仗里的黑火药类似于炸药，它在密闭的纸筒里迅速反应造成爆炸效果，其音响强度与燃烧反应时间大有关系。爆仗的装药方式，与战争年代手榴弹的装药方式极为相似，保证了弹体内的炸药同时起爆，这种装药方式，也是诺贝尔炸药起爆原理最原始的应用。（参阅《爆竹烟花》篇）
14. 走马灯俗称“转灯”，水平旋转的转轮，带动了吊挂在转轮周边的七八件剪纸，在灯壳上映出了活动的皮影图形，所用的动力，是一支点燃的蜡烛。小小的火苗，使灯头附近的空气受热上升，从而推动轻巧的转轮转动，这是现代燃气轮机、风力发电机工作原理的原始应用。家用的电风扇，飞机、轮船的螺旋桨，也是走马灯原理的反向应用。（参阅《走马灯》篇）
类似的情况还有太多太多，在我们的古老技艺里，几乎无处不在。如果你喜欢动脑筋，就探讨探讨，希望你也能踩上这些“巨人的肩膀”。
