(一)对气压的认识和实验
    春秋时人严喜在其所著《关尹子》一书中最先提到了气压现象：“瓶存二窍，以水实之。倒，泻；闭一，则水不下。”⑤其后，唐代的王冰在《素问》的注释中谈到同一现象：“虚管满，捻上悬之，水固不泄，”同时他提到了相反的另一种现象：“空瓶小口，顿溉不入。”⑥其中的道理是什么呢?王冰解释说，前一种现象是由于气不能升入管中，所以管中的水不下降；后一种现象是由于小口瓶中的气出不来，所以水进不去。阐述了空气的物质存在，描述了大气压现象。而对大气压力的理论认识，直到著名的托里拆利(Torricelli.E.，1608～1647)真空实验完成时，才得到完整的科学的解释。⑦

    (二)制造负压汲水的唧筒和虹吸管
    1.唧筒
    儿童游戏用的水枪，是利用负压的典型器具，起源当很早。北宋太平兴国六年(981)太宗派遣供奉官王延德等出使高昌(今新疆吐鲁番东约二十余千米)。雍熙元年(944)叙其所见当地居民风俗，例如：“以银或输(黄铜)为筒，贮水，激以相射，或以水交泼为戏，谓之压阳气，去病”①。是用银或黄铜做成的唧筒。元代俞宗本《种树书》②回介绍果树养植经验时提到：“凡木早晚以水沃其上，以唧筒唧水其上(今用粤中铜水枪较便)”，可能当时铜水枪多产自广东一带，唧筒即水枪。
    ①元?王祯：《农书》，农业出版社，1963年，第377页。
    ②  明?徐光启：《农政全书》卷17，农业出版社，1979年，第431页。
    ③徐国荣、罗顶明，清嘉庆年间的石质倒虹吸管，四川水利，1986年第5期。
    ④清?徐家干：《苗疆闻见录》；清?张泓：《滇南新语》，丛书集成本。
    ⑤《关尹子?九药》，四部备要本，第14页。
    ⑥《黄帝内经?素问》卷19，四部备要本，第147页。宋人俞琰在《席上腐谈》卷上全文转引并补充了一些例证。
    ⑦弗?卡约里(F.Cajor)，物理学史，戴念祖译，内蒙古人民出版社，1981年，第69～74页。

   北宋庆历年间(1044～1048)四川发明了从地下抽吸盐卤的卓筒井，其做法是：“用圜刃凿如碗大，深者数十丈。以巨竹去节，牝牡相衔为井，以隔横入淡水，则咸泉自上。又以竹之差小者出入井中，为桶无底而窍，其上悬熟皮数寸，出入水中气自呼吸而启闭之。”③熙宁年间任四川陵州(今仁寿)太守的文同(四川梓潼人)以及南宋淳熙四年(1177)四川制置使胡元质，对卓筒井的构造也有大致相同的描述。④其中汲取盐卤的器具和唧筒有些差别。其结构是：以相互衔接的大竹筒为外筒，以隔断井身中上部的淡水。以直径小于外筒的竹筒为内筒，内筒底部凿一窍，其上敷熟皮革为阀瓣。阀瓣是内筒底窍上的活瓣，以控制盐卤只入不出。操作时，当内筒向下运动时，皮瓣向筒内打开，盐卤进入内筒；而当内筒向上运动时，皮瓣关闭，使吸入内筒的盐卤不致流出。如此往返多次，待内筒积蓄较多盐卤时，再由井中提出。不过，由于外筒和内筒之间并不密封，所以在内筒上下运动时，并非依靠形成筒中负压“吸水”，“气自呼吸而启闭之”，描述的主要是皮瓣开合运动⑤。

    苏轼在介绍了卓筒井的构造之后，又对它的起源提出见解：“后汉书有水鞴(即水排)，此法惟蜀中铁冶用之，大略地盐井取水筒，太子贤不识，妄以意解，非也。”苏轼说的是唐章怀太子李贤对《后汉书?杜诗传》“造作水排，铸为农器”句的注解。李贤注文是“冶地者为排吹炭，令激水以鼓之也”。今人一般认为，杜诗造的水排是以流水为动力的皮囊式鼓风机，⑥李贤的解释是对的。苏轼认为水排与盐井取水筒相类似，是形似而非神似(原理相似)。

    清代也是四川人的张宗法在其所著《三农记》中介绍了一种灌溉用具，与宋代卓筒井的提水器械相同。“水太深难上者，以大竹，内去其节，长一二丈，下节不去，如制炊火风匣法，上以抽竿，底苗一窍，往来推之，水从窍入，窍出而溉”⑦，当然，这种器具用于灌溉，效率显得更低，因此只用在“水太深难上”的地方。

   西方利用负压汲水的机械在古罗马时代已较完备。它用青铜制造，结构与近代的抽水机相仿。⑧英国博物馆收藏了一架在玻尔塞那出土的罗马时代的青铜制水泵，见图2-16。

徐光启在《泰西水法》中所介绍的玉衡，就是这种人力水泵，见图2-17。

李约瑟认为，这种压力唧筒的发明，西方早于中国约18个世纪。①此外，徐光启还介绍了一种称作恒升的机械，见图2-18，完全是近代人力水泵的样子。其原理和构造，与宋代卓筒井中的提水机械相类似。

    ①  宋?王明清：《挥麈前录》卷4，王延德历叙使高昌行程所见。王延德并未以唧筒为新奇，而是着重说明当地的泼水风俗。因为王延德还介绍了当地有磨面的水硝和从山窆引水入城湛并灌溉农田的人工渠道等中原常见事物。
    ②元?俞宗本：《种树书》，丛书集成本。王毓瑚《中国农学书录》对本书真伪多所考证，认为应把本书的写作“列  在明初时期”，农业出版社，1964年，第125页。
    ③宋?苏轼：《东坡志林》卷4，筒井用水鞴法。华东师范大学出版社，1983年，第123页。
    ④参见宋?文同  《丹渊集》卷34，奏为乞差京朝官知井研县事，四部丛刊本，第256页。清?毕沅：《续资治通鉴》卷146，中华书局版，第3895页，引四川制置使胡元质于淳熙四年(1177)对四川盐业状况的介绍。
    ⑤  白广美，川东北井盐考察报告，自然科学史研究，1988年，第3期，第270页。作者实测的一眼老井，井口直径  为9厘米，井深130米。汲水筒外径6厘米，长9米。“筒底置熟皮活塞，当筒入井水时，水激皮张而水入筒；筒起时，水压皮而水不泄。如此，筒可借花车做往复运动而多次汲水，直至汲满然后上提。每筒可汲水三十至四十斤”。
    ⑥参见李崇州，古代科学发明水力冶铁鼓风机“水排”及其复原，文物，1959年，第5期，第45～47页。
    ⑦清?张宗法著，邹介正等校释，《三农记校释》卷5，农业出版社，1989年，第166页。本书作者自序于乾隆二十五年(1760)。文中“下节不去”，似应理解为节中隔打开而周边保留，以为加固竹筒之用。
    ⑧维特鲁威著，高履泰译，建筑十书，中国建筑工业出版社，1986年，第237页。

    2．虹吸管的应用和原理
    虹吸管的运用原理也是利用负压。有关虹吸管的最早记载见于《后汉书?张让传》。范晔在这里记述了这样一件史实。东汉中平三年(186)②有一个名叫毕岚的能工巧匠，制造了许多灵巧的机械。其中“(毕岚)又作翻车、渴乌。施于桥西③。用洒南北郊路。以省百姓洒道之费”。翻车一般公认作龙骨水车。至于渴乌是何种引水器械，后代人则解释不一。李贤在唐初为《后汉书》的这段文字作了注解。他说：“渴乌，为曲筒。以气引水上也。也就是说，渴乌是一个弯曲的筒状物。其形状类似饮水的乌鸦。它的工作原理是“以气引水上也”，即利用空气压力的原理来引水。

      渴乌曾是铜壶滴漏上的注水部件。明确记载渴乌这一用途的，最早见于唐代徐坚所撰的《初学记》。徐坚在该书里引证北魏道士李兰④所著《漏刻法》说：“以器贮水，以铜为渴乌。关如钩曲，以引器中水，于银龙口中吐入权器。……”⑤李兰著书时间大约在公元5世纪。⑥到了北宋天圣八年(1030)在燕肃改进的莲花漏上，也“置铜渴乌引水”。南宋初年杨甲在《六经图》中绘制了燕肃莲花漏的形状，由图中明显可见渴乌的虹吸形状和工作状态，见图2-19。当然，由于在计时器中使用的虹吸管管径较小，铜管密闭性能可靠，因而易于制造和使用。

    生产中使用的渴乌当然要求有较多的引水量，较大的管径。其密闭性较难保证。在开始引水时，制造真空也更困难。以竹子为材料的大管径的渴乌。在唐代已经使用。
    现存的最早记载竹制渴乌的制作和使用方法的文献是杜佑《通典》。其原文是：“渴鸟⑦：隔山取水。以大竹筒雌雄相接。勿令漏泄。以麻漆封裹。推过山外。就水置筒。入水五尺。即于筒尾取松桦乾草当筒放火。火气潜通水所。即应而上。”①北宋康定年间(1040)曾公亮在所著的《武经总要前集》对这种取水方法也有记述。
    ①李约瑟，中国科学技术史(中译本)第一卷第一册，1975年，科学出版社，第551页。
    ②据《后汉书?张让传》记载，毕岚在做翻车、渴乌的同时。还“铸天禄、虾蟆”。《后汉书?灵帝纪》载，铸天禄、虾蟆事在中平三年。
    ③此为平门外桥西。据《水经．谷水注》记载，东汉平门(又名平城门)是洛阳城南东数第二座城门。谷水在城外流过。平门西有洛阳池。
    ④《隋书?天文志上》说李兰是北魏道士。
    ⑤徐坚：《初学记》卷25，又见沈约《袖中记》(《说郛》本)。
    ⑥我国在铜壶滴漏中使用虹吸管的时间，也许可以上溯得更早。《太平御览》中记载了晋代孙绰的《漏刻铭》。其中有这样的句子：“……累筒三阶，积水成渊。器满则盈，乘虚赴下。灵虬吐注，阴虫承泻。……”水满容器后，则由灵虬溢向下一级水筒。而不是由容器底部下漏，此灵虬可能也是一种外观像龙的虹吸。孙绰的时代约相当于公元4世纪下半叶。世界上，埃及人在公元前1世纪时已在天文仪器中使用虹吸装置。参见李约瑟《中国科技史》天学卷(中译本)第四卷第一分册。科学出版社，1975年。
    ⑦鸟当作乌。也有的书将渴乌记作渴兔。大约都是由于字形相似而引起的书写错误。

    渴乌的用途是隔山取水。显然要做成中间高于两端的虹吸状。其结构是用凿通中间隔节的竹筒相互套接而成。为保证接合处的密闭性，用麻缠裹并涂以油漆。然后，将渴乌前端插入水面以下五尺。那么，怎样才能将水引上竹筒呢?关键是要在筒内制造一定的真空。从而在大气压力作用下，
    ①唐?杜佑：《通典?兵》卷157。《通典》对渴乌的记载和李贤的注解是一致的。李贤在仪凤元年至调露二年(676～680)注解《后汉书》时，应当是看到渴乌的实物了。此外，据清代汪宗沂研究。《通典?兵》、《太白阴经》、《武经总要》等军事著作，多取材于隋唐初著名军事家李靖的兵法。他还搜集散见于各书的李靖兵法佚文，辑成《卫公兵法辑本》，其中也包括对渴乌的记述。
    将水“吸”入筒内，继而从出口端流出。古人巧妙地采用燃烧的办法制造这种较大型的虹吸管中的真空。即在竹筒出口端塞上细松枝、干草等易燃物，点燃柴草，筒中氧气迅速燃尽。从而短时间内使筒内空气压力低于筒外大气压力，于是水得以“自中逆上”。

   明清间方以智、徐光启、郑复光等都对虹吸原理有所解释。①其中徐光启认为：“今之过山龙，必上水高于下水则可为之，至平则止，”②点明了上游水位必须高于下游水位，认识又进了一步。