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“新年貨”鼓風機的祖先,是中國人發明的?!

http://finance.sina.com   2019年01月28日 17:52   北京新浪網

  來源:中科院之聲

  編者按:針對前幾天刷屏的《啥是佩奇》,中科院科學史所的黃興副研究員介紹了很多我國古代用來“扇米”的鼓風機,今天他將爲我們講解更多鼓風機的知識。

  上篇(“新年貨”鼓風機的祖先,是中國發明的?!(上)丨科學史)說到,爺爺用鼓風機制作了一個可愛的“佩奇”。而這種鼓風機的祖先竟然是中國兩千年前發明的扇車。雖然扇車不能用來燒火做飯,但中國人還發明瞭多種專門燒火的鼓風器,不僅能做飯,還能用來鍊銅冶鐵。

  大家首先想到的可能就是——風箱(雙作用活塞式風箱)。答對啦!

  冶煉用的大風箱風力十足,要好幾個人才能拉動,常用水力驅動。有時乾脆把大樹掏空製成箱體,承壓和密封性都是工業級的。

明代宋應星《天工開物》“冶鐵炒鐵”圖明代宋應星《天工開物》“冶鐵炒鐵”圖
雲南鶴慶土法煉鉛爐水力驅動的風箱(孫淑雲教授供圖)雲南鶴慶土法煉鉛爐水力驅動的風箱(孫淑雲教授供圖)

  小型的民用風箱用木板拼箍而成。在農村,幾乎每家都有一個,用來燒火做飯。

  風箱屬於容積型往復式鼓風器。通過壓縮容積,將空氣擠出去;只要使勁壓,就可以形成很高的靜壓。其妙處在於——推拉過程都可以鼓風。

  這是怎麼做到的呢?關鍵點:風箱壁上安裝了4個活門和一個風道。

  向右拉的時候,左側活門在箱外氣流作用下,自動打開,氣流進入;右方活門在箱內氣流帶動下,自動關閉;這樣活塞右側氣流就通過右下方的活門流到風道內;再從風嘴排出來。反之,向左推的時候,4個活門反向作用,使得右側氣流進入箱內,左側氣流經過風道,從風嘴排出來。有的風箱將風道內的兩個活門合併爲一個雙向活門。在氣流帶動下左右開閉,引導氣流從風嘴排出來。真是把活門給玩絕了!

雙作用活塞式風箱工作示意圖(俯視,黃興 繪)雙作用活塞式風箱工作示意圖(俯視,黃興 繪)

  風箱出現於宋代。南宋刊刻(約1280年)的《演禽斗數三世相書》中有兩幅簡單的風箱圖;近年有學者據服飾特徵認爲這本書成書於明代。但新發現的西夏陶質雙作用活塞式鼓風器爲其出現年代的判定,重新提供了堅實的證據。

  中外也曾使用其他多種容積型鼓風器,但都是單向鼓風,像注射器一樣,只有朝一個方向壓的時候纔有風。一般將兩個鼓風器作爲一組,交替推拉,以形成持續的氣流。

  最早的容積型鼓風器就是皮囊。

  原始的渾脫式皮囊,需要手持木柄一張、一合、再一壓,把空氣吸進來、鼓出去;在印度、中國西藏、東北亞等地,以及在歐洲的吉普賽人都使用過。其風壓和風量都有限,只能鍊銅或冶煉塊鍊鐵。

中國拉薩娘熱鄉傳統鼓風竈(黃興 攝)中國拉薩娘熱鄉傳統鼓風竈(黃興 攝)
印度鐵匠使用渾脫式皮囊鼓風(Thomas Ewbank。 A Descriptive and Historical Account of Hydraulic and Other Machines for Raising Water, Ancient and Modern, with Observations on Various.1858)印度鐵匠使用渾脫式皮囊鼓風(Thomas Ewbank。 A Descriptive and Historical Account of Hydraulic and Other Machines for Raising Water, Ancient and Modern, with Observations on Various.1858)
東北亞北方四島原住民使用的渾脫式皮囊(《北蝦夷圖說》)東北亞北方四島原住民使用的渾脫式皮囊(《北蝦夷圖說》)

  下面這一波大型皮囊屬於升級版:

山東藤縣東漢鼓風鍛鐵畫像石上的皮囊(國家博物館藏,黃興 攝)山東藤縣東漢鼓風鍛鐵畫像石上的皮囊(國家博物館藏,黃興 攝)
歐洲楔形皮囊(德國魯爾博物館藏,潛偉 攝)歐洲楔形皮囊(德國魯爾博物館藏,潛偉 攝)
西班牙盧斯塔尼亞16世紀雙筒鼓風皮囊(Georgius Agricola: De Re Metallica。 1556。)西班牙盧斯塔尼亞16世紀雙筒鼓風皮囊(Georgius Agricola: De Re Metallica。 1556。)

  大型皮囊的風量和風壓都很足;還安裝了活門,氣流自動走它該走的路徑,人只負責推拉就行。這也是應用水力鼓風的重要前提。

  隨着木工技術的進步,鼓風器進入了木質時代。在中國風箱出現之前,先有了木扇。

  北宋《武經總要》記載的“行爐”用木扇鼓風;守城時熔化鐵水,向敵人潑灑,或將鐵水裝入土瓶內,拋向敵人。“行爐”最早可以追溯到唐玄宗李隆基的兒子唐肅宗時期——李筌著《神機制敵太白陰經》已有文字記載。

“行爐”圖(北宋《武經總要》)“行爐”圖(北宋《武經總要》)

  影視劇中燒紅的烙鐵已讓人“不燙而慄”;“鐵水淋頭”誰樂意腦補一下?額~~

  木扇被廣泛用於冶金場所。在敦煌榆林窟西夏壁畫《千手觀音變》、元代《熬波圖》與王禎《農書》等處中常見它的身影。

  古代木扇冶鐵動畫(黃興 製作)

敦煌榆林窟西夏壁畫《千手觀音變》局部“打鐵”圖(J。 Needham。 Science and Civilization in China(Ⅳ︰2),1965)敦煌榆林窟西夏壁畫《千手觀音變》局部“打鐵圖(J。 Needham。 Science and Civilization in China(Ⅳ︰2),1965)
元代陳椿《熬波圖詠》“鑄造鐵盤”圖(《四庫全書》)元代陳椿《熬波圖詠》“鑄造鐵盤”圖(《四庫全書》)
元代王禎《農書》“水排”圖(王禎著,王毓瑚校。 王禎農書。 北京:農業出版社,1981)元代王禎《農書》“水排”圖(王禎著,王毓瑚校。 王禎農書。 北京:農業出版社,1981)

  木扇甚至一直用到了近幾年——我們冶金考古夏令營也用木扇冶煉。

  大家都覺得木扇很給力,爲啥?這是一個小物理題:木扇的推拉桿位於扇板下方,而扇內氣體壓力等效作用點在中間,由此木扇板就起到了槓桿的作用——木扇更容易產生高風壓。

  類似的鼓風器在其他國家也有使用,但晚了很多。1550年前後,德國工匠將楔形皮囊改進爲木風箱,很快也用了水力鼓風冶鐵,呼呼的。

 歐洲水輪驅動的楔形木扇結構圖(Henning Calvör。 Historical Chronological and Mechanical Facts in Relation to Metallurgy in Upper Hercynia。 1763。) 歐洲水輪驅動的楔形木扇結構圖(Henning Calvör。 Historical Chronological and Mechanical Facts in Relation to Metallurgy in Upper Hercynia。 1763。)

  17-18世紀日本用踏鞴鼓風鑄錢——爐火太大,上房澆瓦:

日本17-18世紀鑄錢場用踏鞴鼓風熔鐵(李延祥 供圖)日本17-18世紀鑄錢場用踏鞴鼓風熔鐵(李延祥 供圖)

  其他地區也用過小型木質鼓風器。看看馬達加斯加島上生產塊鍊鐵的場景。非洲小哥連鼓風的動作都像跳舞,動感十足(請看官腦補:嘿~嘿!)

馬達加斯加塊鍊鐵雙缸鼓風筒(William Ellis, et al。。 History of Madagascar。 1838。)馬達加斯加塊鍊鐵雙缸鼓風筒(William Ellis, et al。。 History of Madagascar。 1838。)

  馬達加斯加島上還有一種鼓風器:一根垂直的活塞桿上安裝了兩個活塞,中間隔了一個雙向活門,每個活塞上也有一個單向活門。推拉的時候,側面的C口都能出風。贊!

馬達加斯加雙活塞鼓風筒(Thomas Ewbank。 A Descriptive and Historical Account of Hydraulic and Other Machines for Raising Water, Ancient and Modern, with Observations on Various, 1858。)馬達加斯加雙活塞鼓風筒(Thomas Ewbank。 A Descriptive and Historical Account of Hydraulic and Other Machines for Raising Water, Ancient and Modern, with Observations on Various, 1858。)

  這種鼓風器是把兩個風箱串聯起來,其他的雙筒鼓風器可以視爲並聯。

  只有中國的風箱:一個活塞板兩側交替進風、鼓風,將鼓風器的體積精簡到了極致。這纔是真正的雙作用!

  中國古代的鼓風技術長期處於國際前列,對冶金技術的發展貢獻卓著。

  籍此,中國在公元前8世紀就已建立高大的豎爐冶煉生鐵,爐溫超過1400℃,高效地實現了渣、鐵液態分離。東漢初年,杜詩創制水排,開外掛用水力鼓風冶鐵。漢代起逐漸形成了獨特的生鐵及生鐵製鋼技術體系。歐洲一直沿用簡單低效的塊鍊鐵技術,公元13~14世紀才懂得冶煉生鐵。生鐵是中國的另一個大發明,對中華文明在鐵器時代的繁榮和發展功不可沒,而中國古代先進鼓風器——功亦不可沒。

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