“新年貨”鼓風機的祖先,是中國人發明的?!(下)丨科學史

   

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,今天他將為我們講解更多鼓風機的知識。

上篇()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,但中國人還發明了多種專門燒火的鼓風器,不僅能做飯,還能用來煉銅冶鐵。

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。有時干脆把大樹掏空制成箱體,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

云南鶴慶土法煉鉛爐水力驅動的風箱(孫淑云教授供圖)

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。

風箱屬于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。其妙處在于——推拉過程都可以鼓風。

這是怎么做到的呢?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并為一個雙向活門。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)

風箱出現于宋代。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征認為這本書成書于明代。但新發現的西夏陶質雙作用活塞式鼓風器為其出現年代的判定,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才有風。一般將兩個鼓風器作為一組,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,只能煉銅或冶煉塊煉鐵。

中國拉薩娘熱鄉傳統鼓風灶(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)

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于升級版:

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)

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.)

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。

隨著木工技術的進步,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?!靶袪t”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》)

影視劇中燒紅的烙鐵已讓人“不燙而栗”;“鐵水淋頭”誰樂意腦補一下?額~~

木扇被廣泛用于冶金場所。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 制作)

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)

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)

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,為啥?這是一個小物理題:木扇的推拉桿位于扇板下方,而扇內氣體壓力等效作用點在中間,由此木扇板就起到了杠桿的作用——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年前后,德國工匠將楔形皮囊改進為木風箱,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 Calv?r. 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)

其他地區也用過小型木質鼓風器??纯瘩R達加斯加島上生產塊煉鐵的場景。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?。?/p>

馬達加斯加塊煉鐵雙缸鼓風筒(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.)

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為并聯。

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。這才是真正的雙作用!

中國古代的鼓風技術長期處于國際前列,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制鋼技術體系。歐洲一直沿用簡單低效的塊煉鐵技術,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。

好啦,福利又來了~,中國科學院自然科學史研究所也收藏了“佩奇”版鼓風機的遠房親戚——渾脫式皮囊、木扇、雙作用活塞式鼓風器。開放日的時候,小朋友玩的多開心!吼~吼~!

來源:中國科學院自然科學史研究所

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