代表影響力的水輪

跟大家一樣，我希望能有充足的時間旅行。如果路途要花四小時以上，我會首選坐飛機；如果少于四小時，我就會開車。而在我工作過的最偏遠的地方，比如阿拉斯加、加拿大北部和西伯利亞，駕船出行是更好的選擇。在這些沒有機場和道路的地方，獨木船就像摩托車一樣便捷。搭乘一艘配有舷外發動機的鋁制船，也能獲得可以匹敵運動型多用途車的駕駛體驗。在這里，河流就如同道路，它們在荒野中蜿蜒穿行。河岸常有動物留下的足跡。從原始時期開始，即使在深冬，北邊的河流也會成為常用的交通通道，人和動物都能在光滑的冰面上順勢滑行。如今在這樣偏遠的水道穿行似乎過于冒險，也過于奇特。但是直到近些年，在河上駕船出行都是人們在內陸通行、探索的主要方式。

駕船出行相對來說較為便捷，且已經有了將近千年的歷史。沒人確切地知道，或許我們永遠沒法判定人們是什么時候建造了第一艘船。的確，在人類歷史上，船經歷了無數次的發明和改造。最早的船的樣式，獨木舟，緊密捆綁的蘆葦筏，或是由樹皮、獸皮包裹的木制船架，都曾在全球各個考古地點被挖掘到。在臨近杭州的跨湖橋遺址，也就是發掘了中國最早的稻田的地方，也曾發現一艘有8 000年歷史的獨木舟。其他的古船，在埃及、美索不達米亞、西非、東南亞、印度、美洲和歐洲等地也均有出土。

圖1—1 在阿拉斯加育空河沿岸出現的狼的腳印。從遠古時期開始，野生動物和人，包括那些最早抵達北美洲的移民，都曾使用河流或是河谷作為天然的通道。（勞倫斯·C.史密斯/攝）

由厚木板所搭建的船，算得上一次提升船只適航能力的技術革新。它的出現可以追溯到公元前1670年或者更早的英國。1996年，人們發現了當時遺留下來的船的木板。公元500年，居住在加利福尼亞海岸的丘馬什人也打造了類似的船。在公元9世紀至10世紀，維京人曾經用輕便的木板戰船占領過歐洲，而且沿著河流順勢侵占了如今屬于波羅的海沿岸國家和俄羅斯的疆域，也在如今的諾曼底、斯旺西和都柏林等地建立了新的定居點。他們占領了格陵蘭島，以及之前渺無人煙的冰島，而且探索了北美洲東北部崎嶇不平的海岸，比1492年到達那里的克里斯托弗·哥倫布還要早500年。

在11世紀至12世紀，安特衛普、根特和鹿特丹等西歐城市沿著萊茵河—默茲河—斯海爾德河三角洲上的通航河道蓬勃興起，船運和商貿已然成為城市發展的原動力。其他重要的濱河重鎮，也包括如今的阿姆斯特丹、佛羅倫薩、巴黎和倫敦。這些城市所形成的貿易網絡，預示著未來的歐洲經濟將以城鎮為中心，以商業為重，也意味著舊時以農業為基礎的封建領主制和農奴制終將崩潰。

當時，人們用水輪從河流中獲取機械動力，這一舉動也助推了歐洲的城鎮化進程。至少從古羅馬時期開始，居民用小型水輪來研磨面粉，這在整個歐洲的村落和莊園里非常常見。最簡單的操作方式是，將水流引到水平的槳輪上，將安裝著石磨的、豎直的曲軸固定在上方。曲軸一般會由小的木棚覆蓋，木棚安裝在水流的上方，這樣也能為碾磨工工作和糧食儲存提供空間，上方的石盤會抵著下方固定的石盤慢慢轉動、研磨。這種簡陋的設備沒有齒輪或飛輪，但在具備可用的水流的地方，如果要研磨不太多的面粉，它能發揮重要作用。此外，人們還用它磨碎發芽大麥來釀制啤酒。

到了11世紀，水輪的技術進一步發展，催生了更為先進的系統。借下方水流轉動的水輪，即下沖式水輪，利用齒輪連接著一個更大的、垂直安裝的，且一部分沉入水中的輪子。如果河流流勢過猛，難以控制，人們就會在船上安裝大型下沖式水輪，這些原本承載工廠磨盤的船，會停靠在萊茵河、易北河和多瑙河沿岸。像維也納、布達佩斯、斯特拉斯堡、美因茨和里昂這樣的歷史古城，在歷史上也曾多次依靠這些船上磨坊來維系生計。在12世紀的法國城市圖盧茲，曾經至少有60個船載磨坊設在加龍河上，而在巴黎的塞納河上，則有將近100個船載磨坊。

借上方水流轉動的水輪，即上沖式水輪，也有垂直安裝的輪子，水流的位置更靠上。水流通常由貯水池攔截下來，或是通過自然瀑布引流的穩定的流水，從水輪上方流下。這一設計改良使得水流落下的重力勢能增加，推動水輪轉動，動力加倍，還能節水。

通過這些技術發明，人類對河流功用的開發，從原本最簡單的研磨面粉，拓展到了更廣的領域。人們開始用水輪來運轉鋸木廠、造紙廠和鑄鐵廠。他們從礦井里提水，轉動木頭車床，錘擊氈布。人們懂得了如何使用齒輪、滑輪、飛輪、凸輪軸、活塞和傳送帶，最大限度地將水流轉換成機械動力，于是機械工程相關的創新層出不窮。由此，在歐洲河流沿岸，利用水能的新工業蓬勃興起。尤其是造紙廠和紡織廠，需要大量的河水來制造木漿、布匹和染料，沖掉廢棄物。到了18世紀中葉，適應了機械化運轉的社會已經準備好迎接工業革命了。