“新年货”鼓风机的祖先,是中国人发明的?!(下)丨科学史

   

编者按:针对前几天刷屏的《啥是佩奇》,中科院科学史所的黄兴副研究员介绍了很多我国古代用来“扇米”的鼓风机,今天他将为我们讲解更多鼓风机的知识。

上篇()说到,爷爷用鼓风机制作了一个可爱的“佩奇”。而这种鼓风机的祖先竟然是中国两千年前发明的扇车。虽然扇车不能用来烧火做饭,但中国人还发明了多种专门烧火的鼓风器,不仅能做饭,还能用来炼铜冶铁。

大家首先想到的可能就是——风箱(双作用活塞式风箱)。答对啦!

冶炼用的大风箱风力十足,要好几个人才能拉动,常用水力驱动。有时干脆把大树掏空制成箱体,承压和密封性都是工业级的。

明代宋应星《天工开物》“冶铁炒铁

云南鹤庆土法炼铅炉水力驱动的风箱(孙淑云教授供图)

小型的民用风箱用木板拼箍而成。在农村,几乎每家都有一个,用来烧火做饭。

风箱属于容积型往复式鼓风器。通过压缩容积,将空气挤出去;只要使劲压,就可以形成很高的静压。其妙处在于——推拉过程都可以鼓风。

这是怎么做到的呢?关键点:风箱壁上安装了4个活门和一个风道。

向右拉的时候,左侧活门在箱外气流作用下,自动打开,气流进入;右方活门在箱内气流带动下,自动关闭;这样活塞右侧气流就通过右下方的活门流到风道内;再从风嘴排出来。反之,向左推的时候,4个活门反向作用,使得右侧气流进入箱内,左侧气流经过风道,从风嘴排出来。有的风箱将风道内的两个活门合并为一个双向活门。在气流带动下左右开闭,引导气流从风嘴排出来。真是把活门给玩绝了!

双作用活塞式风箱工作示意图(俯视,黄兴 绘)

风箱出现于宋代。南宋刊刻(约1280年)的《演禽斗数三世相书》中有两幅简单的风箱图;近年有学者据服饰特征认为这本书成书于明代。但新发现的西夏陶质双作用活塞式鼓风器为其出现年代的判定,重新提供了坚实的证据。

中外也曾使用其他多种容积型鼓风器,但都是单向鼓风,像注射器一样,只有朝一个方向压的时候才有风。一般将两个鼓风器作为一组,交替推拉,以形成持续的气流。

最早的容积型鼓风器就是皮囊。

原始的浑脱式皮囊,需要手持木柄一张、一合、再一压,把空气吸进来、鼓出去;在印度、中国西藏、东北亚等地,以及在欧洲的吉普赛人都使用过。其风压和风量都有限,只能炼铜或冶炼块炼铁。

中国拉萨娘热乡传统鼓风灶(黄兴 摄)

印度铁匠使用浑脱式皮囊鼓风(Thomas Ewbank. A Descriptive and Historical Account of Hydraulic and Other Machines for Raising Water, Ancient and Modern, with Observations on Various.1858)

东北亚北方四岛原住民使用的浑脱式皮囊(《北蝦夷图说》)

下面这一波大型皮囊属于升级版:

山东藤县东汉鼓风锻铁画像石上的皮囊(国家博物馆藏,黄兴 摄)

欧洲楔形皮囊(德国鲁尔博物馆藏,潜伟 摄)

西班牙卢斯塔尼亚16世纪双筒鼓风皮囊(Georgius Agricola: De Re Metallica. 1556.)

大型皮囊的风量和风压都很足;还安装了活门,气流自动走它该走的路径,人只负责推拉就行。这也是应用水力鼓风的重要前提。

随着木工技术的进步,鼓风器进入了木质时代。在中国风箱出现之前,先有了木扇。

北宋《武经总要》记载的“行炉”用木扇鼓风;守城时熔化铁水,向敌人泼洒,或将铁水装入土瓶内,抛向敌人。“行炉”最早可以追溯到唐玄宗李隆基的儿子唐肃宗时期——李筌著《神机制敌太白阴经》已有文字记载。

“行炉”图(北宋《武经总要》)

影视剧中烧红的烙铁已让人“不烫而栗”;“铁水淋头”谁乐意脑补一下?额~~

木扇被广泛用于冶金场所。在敦煌榆林窟西夏壁画《千手观音变》、元代《熬波图》与王祯《农书》等处中常见它的身影。

古代木扇冶铁动画(黄兴 制作)

敦煌榆林窟西夏壁画《千手观音变》局部“打铁图(J. Needham. Science and Civilization in China(Ⅳ︰2),1965)

元代陈椿《熬波图咏》“铸造铁盘”图(《四库全书》)

元代王祯《农书》“水排”图(王祯著,王毓瑚校. 王祯农书. 北京:农业出版社,1981)

木扇甚至一直用到了近几年——我们冶金考古夏令营也用木扇冶炼。

大家都觉得木扇很给力,为啥?这是一个小物理题:木扇的推拉杆位于扇板下方,而扇内气体压力等效作用点在中间,由此木扇板就起到了杠杆的作用——木扇更容易产生高风压。

类似的鼓风器在其他国家也有使用,但晚了很多。1550年前后,德国工匠将楔形皮囊改进为木风箱,很快也用了水力鼓风冶铁,呼呼的。

欧洲水轮驱动的楔形木扇结构图(Henning Calvör. Historical Chronological and Mechanical Facts in Relation to Metallurgy in Upper Hercynia. 1763.)

17-18世纪日本用踏鞴鼓风铸钱——炉火太大,上房浇瓦:

日本17-18世纪铸钱场用踏鞴鼓风熔铁(李延祥 供图)

其他地区也用过小型木质鼓风器。看看马达加斯加岛上生产块炼铁的场景。非洲小哥连鼓风的动作都像跳舞,动感十足(请看官脑补:嘿~嘿!)

马达加斯加块炼铁双缸鼓风筒(William Ellis, et al.. History of Madagascar. 1838.)

马达加斯加岛上还有一种鼓风器:一根垂直的活塞杆上安装了两个活塞,中间隔了一个双向活门,每个活塞上也有一个单向活门。推拉的时候,侧面的C口都能出风。赞!

马达加斯加双活塞鼓风筒(Thomas Ewbank. A Descriptive and Historical Account of Hydraulic and Other Machines for Raising Water, Ancient and Modern, with Observations on Various, 1858.)

这种鼓风器是把两个风箱串联起来,其他的双筒鼓风器可以视为并联。

只有中国的风箱:一个活塞板两侧交替进风、鼓风,将鼓风器的体积精简到了极致。这才是真正的双作用!

中国古代的鼓风技术长期处于国际前列,对冶金技术的发展贡献卓著。

籍此,中国在公元前8世纪就已建立高大的竖炉冶炼生铁,炉温超过1400℃,高效地实现了渣、铁液态分离。东汉初年,杜诗创制水排,开外挂用水力鼓风冶铁。汉代起逐渐形成了独特的生铁及生铁制钢技术体系。欧洲一直沿用简单低效的块炼铁技术,公元13~14世纪才懂得冶炼生铁。生铁是中国的另一个大发明,对中华文明在铁器时代的繁荣和发展功不可没,而中国古代先进鼓风器——功亦不可没。

好啦,福利又来了~,中国科学院自然科学史研究所也收藏了“佩奇”版鼓风机的远房亲戚——浑脱式皮囊、木扇、双作用活塞式鼓风器。开放日的时候,小朋友玩的多开心!吼~吼~!

来源:中国科学院自然科学史研究所

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