“新年货”鼓风机的祖先,是中国人发明的?!

“新年货”鼓风机的祖先,是中国人发明的?!
2019年01月29日 09:52 新浪科技综合

  来源:中科院之声

  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(“新年货”鼓风机的祖先,是中国发明的?!(上)丨科学史)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”图明代宋应星《天工开物》“冶铁炒铁”图
云南鹤庆土法炼铅炉水力驱动的风箱(孙淑云教授供图)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)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)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)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》)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)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)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。)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》)“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)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)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。) 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)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。)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。

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