“新年貨”鼓風機的祖先，是中國人發明的？！（下）丨科學史_風聞

上篇（“新年貨”鼓風機的祖先，是中國發明的？！（上）丨科學史）説到，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

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為這本書成書於明代。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。

原始的渾脱式皮囊，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灶（黃興 攝）

印度鐵匠使用渾脱式皮囊鼓風（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脱式皮囊（《北蝦夷圖説》）

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）

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》）

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）

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 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）

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。這才是真正的雙作用！

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，爐温超過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。

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——渾脱式皮囊、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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