17.4 维特鲁威水磨
希腊水磨虽然使家用谷物碾磨机械化，但是如果它没能激发公元前1世纪的罗马机械师去建造更高效的竖直式水磨或维特鲁威水磨的话，也不会有太大的影响。利用有关齿轮的基本知识和用希腊的机械技能制造出的其他产品，发明者把古老的希腊水磨改造成更为实用的机械（图540B）。现在，人们把水轮置于垂直的位置。为了使磨石转动，它的水平轴与垂直轴相咬合，从而带动垂直轴上边的石头转动。在罗马式水磨中，磨石和轮子的转速比通常为1∶5。更大的输出功率需要更加复杂的结构。还有三种次要形式的立式水磨，每一种都有自己的长处和不足（图541）。
维特鲁威说过，卢克莱修曾经谈到的效率并不高的下射式水轮［16］，很多世纪以来一直被普遍使用。它可能也是第一台人们设计并建造的水磨，仅仅在流量稳定的急速河流中才能有效地工作，因为那时没有坝、贮水池和水磨引水渠。实际上，只有到了13世纪，堰与磨坊连在一起后，这种水磨才被比较普遍地使用。在此之前，磨坊是通过引水渠供水的。人们后来发现，实际上可以使水冲击轮子的顶部，通过其下行的重力带动水磨转动，这样可以得到更高的效率（图541B、图542）。这是上射式水磨的工作原理，它要求有方向性的、规则的供水，通常把溪流和山泉的水收集到磨坊的水池中，水对轮子施加适当压力后，再从排水道流入急流和瀑布。人们用堰或水坝使水平面升高而迫使流量增大，或者使部分水流入磨房的水池（图543）。因此，流速慢、流量不稳定的河上也能使用这种水磨，引水渠同样适合供水（图544）。
在古典时期，这种效率最高的水磨并不普遍。最早出现在雅典市场上的水磨，大约建于470年［17］。甚至在阿拉伯国家，这种水磨也并不占主流地位，阿尔皮尼（Al-Qazwīnī）认为，值得提及的是阿德里（Al-Adri）在马略卡岛附近发现的一种直径80厘米、长350米的由瀑布提供动力的上射式水轮，建造它是因为“一般水磨在水位下降时会停止转动”［18］。
图543 在有鱼尾井的水流上筑坝拦水，建成磨坊贮水池，通过斜槽引水冲击上射式轮子。《勒特雷尔圣诗集》，约1338年。
大约在16世纪，福尔图纳塔（Venantius Fortunatus）称水磨为“莫拉”（mola），一个用来称谓碾磨装置的古代术语。奥索尼厄斯（4世纪）用诗意的语言描述它为cerealia saxa［19］，维特鲁威［16］和斯特拉博［9］则称它为hydraleta hydraletēs，后面的那个词通常特指晚一些出现的立式水磨。我们知道，这三种早期水磨中的其他两种都建于罗马帝国时期。
在图利维罗的韦纳夫罗，人们在靠近那不勒斯的地方发现了水车进水槽和引水渠的遗迹，同时在石灰质沉积层中发现了水磨的印记（图545）［20］。沉重的轮毂（直径74厘米）外面套有18个外形像铁铲的短桨，通过两个平行的轮缘连接形成直径为1.85米的轮子。人们靠引水渠注入水流，据估计下射的水轮有3马力的输出功率，石磨以每分钟46转的速度旋转，每小时可磨150千克的谷物。奴隶用手推磨每小时只能碾磨7千克谷物，驴磨的碾磨量也大不了多少。维特鲁威水磨的碾磨量与它们相比，可看作是谷物碾磨史上的一次革命。它的输出功率比用人或用牲畜带动的机械要高出很多，不比古代的任何其他动力资源差。一旦人们认识到水磨不但能碾磨谷物，还可以为其他机器提供能量时，技术操作就有可能提升到一个新的水平。
图544 一种用上射式水轮带动的压矿机。
水流经斜槽冲击轮子带动它转动。阿格里科拉，1556年。
在罗马，距离阿尔勒大约6英里的巴尔贝格尔的面粉厂里，工业生产早已依赖于水力（图546、图547）。建于阿格里帕时代（time of Agrippa，公元前63—前12）沿着圣雷米河的引水渠将水导入阿尔勒，在引水渠旁边有另外一种收集阿尔科尔、莱博山谷和曼维尔井中水的方法。莱博山谷的引水渠是一个用砖和混凝土建造的宽2米、深5.6米的水渠，可以追溯到哈德良统治时期。巴尔贝格尔的水渠是双层的，有30°倾角和18.6米的落差。在倾斜的引水渠上装有两套各有8个上射式水轮的装置，每一个轮子直径220厘米，厚70厘米。木制大齿轮被用铅固定在铁轮轴上，然后把齿轮装置隐藏在磨石下面的隔室里，每一个轮子才有一副磨石，而不是像雅典那样每两个轮子才有一副磨石。这样磨石可以更重，效率也更高。下面的磨石厚45厘米，直径90厘米。上面的磨石有一个漏斗，以便使玉米流到下磨石的表面［21］。
图545 在意大利卡希诺附近的韦纳夫罗，一个下射式罗马水磨的模型。
从熔岩流经磨坊留下的痕迹可以看出它重修过。
图546 阿尔勒附近巴尔贝格尔磨坊的假想复原图。308—316。
图547 巴尔贝格尔磨坊的（底层）平面图。
与老式的谷物磨不同，这样的磨石每小时可碾磨谷物15—20千克，也就是说每小时可磨出面粉240—320千克。如果以每天10小时的工作量计算，每天的产量约是28吨，完全能满足8万人的口粮供应，阿尔勒在3世纪还不足1万人。
阿尔勒是一个向罗马输出谷物的重要海港，那里工场的起源可以追溯到2世纪，当时那里驻扎着纳博讷省的粮食控制官员。据推测。巴尔贝格尔的面粉磨坊由当地著名的工程师贝尼格纳斯（Q.Candidius Benignus）建成。根据一段铭文的记载，“他娴熟的技巧胜过任何人，在建造机械、建造水渠方面没有人能超过他”。
以现在的状况看，君士坦丁大帝时期就建有磨坊。308—316年，君士坦丁一世一直居住在阿尔勒。那时的阿尔勒因谷物短缺建有重要的仓库，面粉磨坊可以满足当地和纳博讷省军队的需要。从考古证据中可以明显地看出，在图尔尼附近的普雷蒂和勃艮第也有相似的面粉磨坊，碾磨索恩河流域产的谷物，供给高卢北部的军队［21］。
第三个例子是出现在雅典市场的早期立式水磨，它有一个直径324厘米的上射式水轮和两套磨石［17］。木制的轮轴由一根横梁制成，大约350厘米长，在木制的轴承内旋转。根据考古资料，磨坊是在利奥一世（Leo Ⅰ，457—474）相当长的统治时期内建成的，可能在强悍的斯拉夫人入侵时期（582年）因火灾而毁坏。磨坊和带有单个存水湾的进水槽说明，当时存在着丰富平稳的水流。由庇西特拉底特（Peisistratids）引进的伊米托斯和彭特利库斯的水供应系统，显然是相对稳定的。然而，阿戈拉的考古发掘已经显示了一系列最早使用的泉水，它们可能来源于阿雷奥帕格斯山的北坡。
水磨的最早图片出现在15世纪拜占庭宏伟宫殿的镶嵌工艺中（图548）［22］。它展示了一个维特鲁威式的下射水轮，与在韦纳夫罗发现的那种十分相似。
图548 宏伟的拜占庭宫殿中一幅马赛克画中显示的水磨。15世纪早期。