“新年货”鼓风机的祖先，是中国人发明的？！（下）丨科学史

原标题：“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（“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

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 Deive 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 Deive 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