书城自然发明巨匠
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第9章 制作冶炼鼓风装置的杜诗

杜诗(?~38年),字君公。生于东汉时河内汲县,即今河南省卫辉。东汉官员及发明家。他在任南阳太守任上,创造水排,用力少而见效多。

他还主持修治陂池,广开田池,使郡内富庶起来。当时南阳人称赞他为“杜母”。

杜诗青年时期就才能出众,在河内郡任吏员时,人们赞扬他处事公平。汉光武帝初年,为侍御史。当时有个将军放纵士兵,在洛阳民间为非作歹,老百姓惶恐不安。杜诗通告这位将军约束部下,但他不予理睬。杜诗下令依法惩处,并将经过情形向上汇报,得到表扬。

光武帝见他能干,又派他去河东郡诛剿降叛乱势力。杜诗到了河东郡,听说叛军企图北渡,立即派人设法焚烧掉他们的渡船;另又派人收服河东郡的地方军,并进行突然袭击,终于歼灭了叛军。

杜诗在任成皋令的3年间后,因政绩斐然,累次升迁,最后至南阳郡太守。在南阳郡任职期间,更是政治清平,政化大行。杜诗为官两袖清风,病死时竟贫困得无田宅,最后由朝廷赐赙才得以丧葬。

杜诗做了两件在科学技术史上有意义的事,一是兴修水利;一是制作水排。

杜诗在水利事业上作出了很大贡献。秦汉时期,长江长江流域的灌溉以汉水支流唐白河地区的发展最为显著,而唐白河的灌溉又以今河南省的南阳、邓县、唐河、新野一带较为发达。

唐白河地区为冲积平原,年降雨量约900毫米左右,气候温和,适于作物生长。这里开发较早,到西汉中期经济已相当发达。农田水利在西汉后期有突飞猛进的发展。

汉元帝时,即公元前48年至公元前33年间,南阳太守召信臣对此地的水利和农业生产有特殊贡献,因而受到当地百姓的拥戴,被誉为“召父”。

至东汉时期,南阳水利事业进一步兴盛,杜诗在这方面也做出了很大成绩。据史载,杜诗“修治陂池,广拓土田,郡内比室殷足”。

杜诗采取的水利措施,有力地促进了当地农业生产的发展。当时的南阳人称赞说:“前有召父,后有杜母。”

最能体现杜诗创造力的是他制作的水排。最初的鼓风设备叫人排,用人力鼓动。继而用畜力鼓动,因多用马,所以也叫马排。

直至东汉初年,南阳太守杜诗经过实际考察,发明了一种利用水力鼓动风箱的工具,即称为水排。杜诗发明水排,一改我国传统的冶炼鼓风装置,大大提高了劳动效率。

所谓“水排”,就是利用水力推引鞲鞴鼓风的器具,用于冶金。水排是我国古代一种冶铁用的水利鼓风装置。

人类早期的鼓风器大都是皮囊。一座炉子用好几个囊,放在一起,排成一排,就叫“排囊”用水力推动这些排囊,就叫“水排”。

生铁的早期发明,是我国对世界冶金技术的杰出贡献。要获得液态生铁,需有较高的炉温。有风就有铁,而鼓风技术对于生铁冶铸的发展有着极重要的意义。

《礼记》说:“良冶之子,必学为裘。”从商周以来,都用皮囊鼓风,子继父业,年轻工匠必须学会缝制皮囊的技巧。说明早期冶铸匠师高度重视鼓风器具的制作。

《后汉书·杜诗传》说杜诗造作水排,铸为农器,用力少,见功多,百姓便之”。水排的功效不仅比人排,就是比马排也高得多。

南阳自战国时,就是著名的冶铁基地。汉武帝曾在此设铁官,据发掘材料,南阳郡内有汉代冶铁和铸造作坊5至7处,从事冶铁者世代相传,在鼓风冶铸方面积累了丰富经验。

在水排之前,早已使用水碓舂米,杜诗总结了这些经验发明了水排。正是由于杜诗的倡导,水排在南阳地区已较多地使用。

杜诗创制的水排,具体的结构当时缺乏记载,直至元朝王祯在他著的《王祯农书》中,才对水排作了详细的介绍。书中说:

其制,当选湍流之侧,架木立铀,作二卧轮;用水激下轮。则上轮所用弦通缴轮前旋鼓,棹枝一侧随转。其棹枝所贯行桄而推挽卧铀左右攀耳,以及排前直木,则排随来去,揙冶甚速,过于人力。

意思是说,选择湍急的河流的岸边,架起木架,在木架上直立一个转轴,上下两端各安装一个大型卧轮,在下卧水轮的轮轴四周装有叶板,承受水流,是把水力转变为机械转动的装置。

在上卧轮的前面装一鼓形的小轮,即“旋鼓”,与上卧轮用“弦索”相连,这相当于现在的传送皮带;在鼓形小轮的顶端安装一个曲柄,曲柄上再安装一个可以摆动的连杆,连杆的另一端与卧轴上的一个“攀耳”相连,卧轴上的另一个攀耳和盘扇间安装一根“直木”,即相当于往复杆。

这样,当水流冲击下卧轮时,就带动上卧轮旋转。由于上卧轮和鼓形小轮之间有弦索相连,因此上卧轮旋转一周,可使鼓形小轮旋转几周,鼓形小轮的旋转又带动顶端的曲柄旋转,这就使得和它相连的连杆运动,连杆又通过攀耳和卧轴带动直木往复运动,使排扇一启一闭,进行鼓风。

杜诗水排不仅运用了主动轮、从动轮、曲柄、连杆等机构把圆周运动变为拉杆的直线往复运动,还运用了皮带传动,使直径比从动轮小的旋鼓快速旋转。它在结构上,已具有了动力机构、传动机构和工作机构三个主要部分,因此实际上可以看做是现代水轮机的前身,水排的出现标志着我国复杂机器的诞生。

远在1400多年以前,就能创制出这样完整的水力机械,确实显示了我国古人的高度智慧和创造才能,在世界科技史上占有重要的地位。在欧洲,使用水力鼓风设备的鼓风炉到11世纪才出现,而普遍使用却是14世纪的事了。

水力鼓风有十分重要的意义,促进了冶铁业的发展。水排不但节省了人力、畜力,而且鼓风能力比较强,增强了风力在炉里的穿透能力。这一方面可以提高冶炼强度,另一方面可以扩大炉缸,加高炉身,增大有效容积。

这就大大地增加了生产能力。足够强大的鼓风能力,足够高大的炉子,是炼出生铁的必要条件。欧洲人能在14世纪炼出生铁来,和水力鼓风的应用是有一定关系的。水排的发明是人类利用自然力的一次伟大胜利。

杜诗创制的水排,是我国古代的一项伟大的发明,是机械工程史上的一大发明,在我国古代冶炼工艺发展史上具有里程碑的意义,也在世界科技史上占有重要的地位。

[旁注]

河内郡 我国古以黄河以北为河内。汉高祖即位时设置殷国,次年改名为河内郡,位于太行山东南与黄河以北。201年,司马懿为河内郡的上计掾。河内郡有平姓望族,世称河内望。

河东郡 秦置,治安邑,在今山西夏县北,晋移治蒲坂,在今山西永济县东南,隋废,寻复置,即今永济县治,唐改蒲州,复改为河中府,东晋侨置南河东郡,南齐曰河东郡,隋废,故治在今湖北松滋县西。

南阳郡 我国古代的一个行政区,秦朝始设,治所在宛县,即今河南南阳;至唐代改为邓州。东汉时,汉光武帝刘秀发迹于南阳,建都洛阳,定宛城为陪都,又称南都。刘秀和其主要将领大部都出生南阳一带,故南阳又称“帝乡”。

唐白河 唐白河由唐河、白河两条主要分支组成。白河发源于河南嵩县攻离山;唐河发源于河南方城县七峰山的北柳树沟。白河与唐河在湖北省襄阳县龚家嘴汇合后,始称唐白河。唐白河流域大部位于河南省南阳地区,为“南阳盆地”所在,是重要的农业区。

鞲鞴 即活塞,唧筒里或蒸汽机、内燃机的气缸里往复运动的机件。作用是把蒸气或燃料爆发的压力变成机械能。“鞲鞴”是西方传入的蒸汽机活塞的早期译名,一度广为使用。随着现代科技术语翻译规范的推行,“鞲鞴”已经被通俗的用法“活塞”取代。

铁官 我国秦汉时期管理铁的冶铸事业的机构。古代官职与机构往往同名,铁官一词有时也指官职。汉代冶铁手工业空前发展,管理冶铁的机构扩大,职官组织也系统化,地方郡、县、侯国设铁官50处,产铁的县设大铁官,不产铁的县设小铁官。

水力机械 将水能转换成机械能输出或将机械能转换成水能输出的机械。如汉代杜诗的水排。后来的水轮机、水泵水轮机、蓄能泵、水泵和水轮泵等也属于水力机械。

汉元帝(前74~前33年),名刘奭。公元前49年继位,在位16年,谥号“元帝”,庙号高宗,葬于渭陵。宣帝是“中兴之主”,维持了西汉平稳发展的局面,但从元帝开始,西汉开始衰落,所谓“元、成、哀、平,一代不如一代”。

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杜诗是个具有多方面才能的人。杜诗做侍御史时,当时有个将军叫萧广,他放纵士兵,在洛阳民间为非作歹,老百姓惶恐不安。杜诗通告萧广约束部下,萧广不予理睬。

杜诗下令按法诛萧广,并将经过情形向上汇报。光武帝见他能干,又派他去河东郡诛剿降汉复又叛变的杨异等人。杜诗到了那里,听说杨异率部下企图北渡,就立即派人设法焚烧掉他们的渡船;另又派人收服河东郡的地方军,并进行突然袭击,终于歼灭杨异等人。