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中科院力学所
粒和软蒲的直棱碌碡
力学园地
2016年01月04日粒和软蒲的直棱碌碡
尤明庆1)
（河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454010）
摘 要：碌碡在江苏兴化专指侧面开有直槽的圆柱形石磙，用于稻麦的脱粒和蒲叶的碾压。石槽开凿极大地增加了碌碡制作时间，但能够提高掼把、碾场的脱粒效率，减小软蒲时的滚动阻力，而棱条尺度与土基的强度协调。关键词：碌碡，直棱，脱粒，软蒲，滚动阻力
中图分类号： o313.3 ？？？文献标识码：a
a stone-roller with straight grooves for grain threshing and papyrus softening
you mingqing
(school of energy science and engineering, henan polytechnic university, jiaozuo, 454010, china)
key words: liuzhou, groove in stone-roller, grain threshing, papyrus softening, rolling resistance
本文于 2013-05-16 收到
1) 尤明庆，男，1964年生，教授，从事岩石力学领域的教学研究工作。youmq@hpu.edu.cn
依文献[1]所述，碌碡(li zhu)，本名磟碡，原名陆轴，是用于压实、破碎、脱粒的多种农具的统称，发明于西汉，三国、两晋以后得到推广应用；其主要部件为石质或木质的辊子，具有圆柱、圆台、鼓形、齿条等多种形状，尺度差异较大。不过，笔者故乡江苏兴化为水网地区，石制用物较少，因而均有专名；其中碌碡（读为入声的luzhou）单指特殊的一种石磙（图1），用于脱粒和软蒲；直径50 cm、长75 cm左右，侧面有深约3 cm的直槽，槽宽和间距相当，约为4 cm。
碌碡侧面开凿石槽极大地增加了制作时间，必然有相应的功效。不揣浅陋，试作如下解读。
1？ 脱粒
在机械化年代之前，碾场是先进的脱粒方式：以牛拖拉碌碡在平铺的稻秆或麦秆上滚动。碌碡两端凿孔固定轴栓，轴栓再连拉架。这与碾子的结构完全相同，不再细述。此外，碌碡两端都是略微向外凸起，便于转弯时拉架偏斜施载。如果场地较小，碌碡可以做成两端略有差异，即锥度较小的圆台体，便于绕圆周碾压。不过，笔者所见生产队的碾场（约在1974年），场地较大，都是直线碾压，到边转弯，而碌碡是直圆柱形式。
碾场时铺设禾秆较厚，压实后也在半尺以上，碌碡滚过时沉降显著，也就有多个棱条同时接触禾秆，因而接触力在一次滚动过程中会成间断式变化，且局部有明显的差别。这就对禾秆产生多次牵扯，获得较好的脱粒效果。碌碡开槽增加了与禾秆之间的接触面积，也增加了两者之间的水平作用力，即有效工作阻力。拖拉碌碡需要很大的水平载荷，该载荷将转换为禾秆之间的剪切作用力。禾秆、谷物之间的接触状态不同，就会引起相对滑移，使得谷物与禾秆脱离。牛拉碌碡碾过之后，就用丫杈翻转禾秆辅助脱粒，且使再次碾压禾秆时仍能产生压缩变形和水平滑移。当然，对边角没有充分碾压的禾秆，还得辅以打连枷[2]才能完成脱粒。
禾秆之间不仅可以发生差异沉降，还会产生水平滑移，因而碌碡并不是纯滚动，脱粒是碾、压共同作用的结果。假若将平板搁置在禾秆上，其上施加载荷，除边缘之处，平板下方的谷物并不会从禾秆上全部脱落，这与载荷的大小关系不大。据此也可以理解碌碡开槽对脱粒的效用。
农民自留地的水稻数量较少，有时也采用掼把脱粒：双手握住稻秆底端，平放在碌碡上，略作整理；然后拉回、侧身、举起、转身，摔向碌碡；经过三次左右的掼摔，调整禾秆在手中的位置，再掼摔两三次，稻子就会与禾秆全部分离。显然，快速向下运动的部分稻粒和禾秆受到碌碡棱条的阻碍而停止运动，部分尚有向前运动的空间；运动的差异会产生拉力和拉伸变形，使得稻粒与禾秆分离。毫无疑问，稻粒的惯性力是关键性因素。如果只是将稻穗摔向平板，脱粒效果显然会较差。碌碡侧面开槽提高了脱粒效率，充分体现虚实相依、有无共存、动静互济的哲学思辨。
与稻草不同，麦秆为中空的管状结构，抗弯强度较高，但成熟之后因水分失去而变脆，容易折断，不能以摔把方式脱粒，只能以碾场或打连枷的方式脱粒。又，自古就有“拾麦穗”的作业，如白居易《观刈麦》中称“更有贫妇人，抱子在其旁。右手秉遗穗，左臂悬敝筐。听其相顾言，闻者为悲伤。家田输税尽，拾此充饥肠。今我何功德，曾不事农桑。吏禄三百石，岁晏有馀粮。念此私自愧，尽日不能忘”。
2？ 软蒲
蒲草为多年生草本植物，生于湖沼；叶长而细，可达两米以上；购回之后，先将其平铺在地上晒干，以便长期保存；然后将叶从秆上逐片剥下，理直分类；再用水湿润后以碌碡滚压，俗称软蒲，即可用于农妇田间劳作之余的编席、做包和制扇。这些都是30多年前的日用之物，售给供销合作社可得少许钱财，置换食盐、肥皂、火柴以及过节之糖烟酒等物。所购之物多是计划供应。
蒲叶脉管众多，干燥脱水之后可见明显的孔隙；而碾压以及拉伸（后述）可排除空气使纤维紧密接触而增加粘结力；也使蒲叶变薄，弯曲时外侧变形减小，柔软平顺。又，蒲草应在枯萎之前即“有劲儿”时采割，以免强度丧失；蒲叶晒干之前不能碾压，否则细胞里水分被挤出，结构遭到破坏，降低强度，损坏品相；而碾压时又需以水湿润。水对植物纤维的强度、变形影响显著。
碾压蒲叶使用碌碡，碌碡很重，不过70岁的农村奶奶竟也能操控自如。软蒲是个技术活儿。碌碡上开有直槽，人能够稳定站立，扶持、牵拉拴于房梁之长绳，便能使碌碡向前滚动，其间将双脚轮换向后上方移动以保持平衡，而将脚立于碌碡后侧即可停止。这与“狮子盘球[3]”类似。因房间空间所限，碌碡只是在两三米范围内往复运动，滚动速度也就较低。
若滚动阻力系数达到3 cm，则难以完全利用人体自重驱动碌碡，因而碌碡上棱条不能过宽。另一方面，软蒲在刚度较低的土面上进行，棱条也不能过窄，以免增大对地面的应力而破坏。以前述参数计算，宽4 cm的单一棱条支承碌碡时，平均接触应力为133 kpa（含软蒲者的重力），已经达到或超过土基的极限承载能力[4]，碌碡滚动形成的动态载荷使地面逐步变形而呈波浪状。蒲叶在碾压过程中受到凸出土基的抻拉，且对其产生压力。该压力有利于维持地面的最终稳定。此外，软蒲过程中蒲叶位置需作数次调整，使得各处变形均匀。
假如碌碡是圆柱面，其接触地面的宽度大于4 cm，即超过一个棱条宽度。棱条支承可减小滚动阻力。碌碡停止时应为两个棱条支承，土的变形会使支承应力趋于均匀，即58 kpa。该值与粘土强度相当或略小[4]。如果棱条宽度减小，碌碡将会因粘土流变而陷入地中。
3 结语
碌碡开槽费弃了部分材料，增加了制作时间，但工作性能显著改善。碾场时碌碡对禾秆作用非均匀的压缩载荷并增大水平作用力，引起禾秆、谷物之间的相对位移，提高脱粒效率；掼把时碌碡棱条和直槽使得快速向下运动的稻粒和禾秆产生运动差异，因惯性力而引起拉力使得稻粒与禾秆分离。软蒲碌碡的大小及棱条尺度，不仅满足操控所需，减小滚动阻力，且与土基的强度协调。
人类为了更好地生活，发明了众多器物。中国古代一直缺少科学意义上的力学分析和机械设计，能工巧匠只是依赖师徒相授的规制以及经验、类推、比拟来工作；而社会实践在流淌的时间中择善而存。存在的总是合理，传承的都已优化。不过，以“拆（农家）院上楼”为标志的新农村建设以及工业经济的展开，农业正在急剧演变，传统农具也在快速消亡，正如生物灭绝一样。
参考文献
1 周昕. 中国农具通史. 山东科学技术出版社，2010. 439-449.
2 周靖. “一夜连枷响到明”打连枷的力学. 力学与实践, 2012, 34(6)：91-95
3尤明庆. 关于狮子盘球力学原理的注记. 大学物理，2010, 29(6)：12-14.
4 陈希哲. 土力学地基基础 (第4