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近兩千年前的古代，沒有電力，卻有著近似“機器人”的裝置在孜孜不倦地工作，這種場景你信嗎？這并非天方夜譚。

東漢年間一項名為“水排”的巧妙發(fā)明，就利用奔騰的水力驅(qū)動沉重的鼓風(fēng)皮囊，為冶鐵爐持續(xù)注入強勁動力，悄然間掀起了一場生產(chǎn)效率的革命。而這項技術(shù)，堪稱那個時代的“黑科技”。

漢代“黑科技”：水力驅(qū)動的鋼鐵心臟

在水力鼓風(fēng)也就是常說的水排，這東西沒發(fā)明出來之前，想煉鐵那可真是個純粹的體力活。爐膛里的火要燒得旺，溫度得夠高才能把鐵礦石給熔了，這背后靠的就是源源不斷送進去的強風(fēng)。

最早的時候，這風(fēng)全靠人。幾個人圍著爐子使勁拉風(fēng)箱，或者操作那種皮囊做的鼓風(fēng)工具。這活不僅枯燥，還特別耗體力，一個人根本頂不住，得好幾撥人輪著上，風(fēng)力也是時大時小，很不穩(wěn)定。

后來大家就琢磨，讓牲口來替人干這苦差事。于是，“馬排”就應(yīng)運而生了，簡單說就是讓馬匹拉著磨盤一樣轉(zhuǎn)圈，通過一套機械裝置，把這轉(zhuǎn)動的力氣變成鼓風(fēng)的動力。

跟純?nèi)肆Ρ?，用馬確實省了不少事算是個進步，可這飼養(yǎng)成本可不低。而且，馬跟人一樣，干久了也得歇氣，不能指望它一天到晚連軸轉(zhuǎn)。

所以這動力輸出還是不夠給力不夠穩(wěn)定，尤其對那些需要大規(guī)模、不間斷生產(chǎn)的官營冶鐵作坊來說，馬排的這點力氣，還是有點捉襟見肘。

誰知就在公元31年一位名叫杜詩的地方官員，給這個老大難問題帶來了一個石破天驚的解決方案。

人力畜力鼓風(fēng)：曾經(jīng)冶鐵多費勁？

杜詩是個務(wù)實派的技術(shù)型官員，史書記載他“性節(jié)儉而政治清平”，深入民間，體察疾苦。看到冶鐵工場里人力、畜力鼓風(fēng)的繁重與低效，他開始琢磨有沒有更省力、更高效的辦法。

于是，他著手“造作水排，鑄為農(nóng)器”，這里的“水排”，就是水力鼓風(fēng)裝置?！逗鬂h書·杜詩傳》明確記載：“用力少，見功多，百姓便之?！倍潭淌畟€字，道盡了這項發(fā)明的巨大價值：投入少，產(chǎn)出高，老百姓都覺得方便。

杜詩并不是從零開始憑空發(fā)明的，水力利用在中國早有傳統(tǒng)，比如水碓（利用水力舂米）。而杜詩的創(chuàng)新之處在于，他巧妙地將水力與鼓風(fēng)設(shè)備結(jié)合起來，并且很可能采用了當(dāng)時相對先進的機械傳動結(jié)構(gòu)。

他利用水流沖擊水輪轉(zhuǎn)動，再通過一套精巧的曲柄連桿機構(gòu)，將水輪的圓周運動，轉(zhuǎn)化為驅(qū)動風(fēng)箱活塞往復(fù)運動的直線動力。這套機制，正是后世機械工程中應(yīng)用極為廣泛的核心原理之一。

當(dāng)湍急的河水帶動巨大的水輪緩緩轉(zhuǎn)動，連接的曲柄和連桿隨之起舞，推動著一排排大型風(fēng)箱（排）有節(jié)奏地張合，“呼嗒、呼嗒”，穩(wěn)定而強勁的氣流便源源不斷地送入高爐。

而水排的核心技術(shù)，就在于那套動力轉(zhuǎn)換裝置——曲柄連桿機構(gòu)。這東西聽起來有點專業(yè)，但原理并不復(fù)雜。

巧奪天工：水輪、連桿、風(fēng)箱的精密聯(lián)動

曲柄連桿機構(gòu)就是一個旋轉(zhuǎn)的輪子（水輪），輪子邊緣固定一個點（曲柄銷），這個點通過一根桿子（連桿）連接到需要前后移動的物體（風(fēng)箱活塞）上。輪子一轉(zhuǎn)，那個點就跟著畫圓圈，而連桿則巧妙地把這種圓周運動變成了活塞的來回直線運動。

這種設(shè)計在當(dāng)時絕對是頂尖的機械思維，它不僅成功地將自然界的水力轉(zhuǎn)化為了冶鐵所需的風(fēng)力，而且實現(xiàn)了動力的連續(xù)、穩(wěn)定輸出。這比人力斷斷續(xù)續(xù)的拉扯，或者馬匹需要停歇的轉(zhuǎn)圈，都要可靠得多，也強大得多

風(fēng)箱本身可能也經(jīng)過了改良，變得更大、更耐用，以承受水力持續(xù)不斷的驅(qū)動，于是整套系統(tǒng)構(gòu)成了一個高效的自動化鼓風(fēng)流水線。

雖然東漢時期的水排實物至今未有完整考古發(fā)現(xiàn)，這不能不說是一個遺憾。不過，后世的文獻，特別是元代王禎的《農(nóng)書》中，詳細繪制了水排的結(jié)構(gòu)圖，其工作原理與《后漢書》的記載高度吻合。

這表明杜詩的這項發(fā)明及其背后的機械原理，在中國歷史上被長期繼承和應(yīng)用，生命力極其頑強。那么，水排的出現(xiàn)，究竟給東漢的冶鐵業(yè)帶來了什么

不止省力：一場席卷漢帝國的冶鐵效率革命

好處絕不僅僅是“用力少”那么簡單，最直接的就是鼓風(fēng)效率的大幅提升。持續(xù)、強勁的風(fēng)力，意味著冶煉爐可以達到更高的溫度，而且溫度更穩(wěn)定。高溫是冶煉高質(zhì)量生鐵的關(guān)鍵。

有了水排，爐溫能輕松突破過去難以企及的閾值。首先鐵礦石熔化更充分，冶煉出的生鐵（尤其是可以用于鑄造的液態(tài)鐵水）產(chǎn)量大大增加。

高溫也有利于去除礦石中的雜質(zhì)，提升了生鐵的質(zhì)量。甚至有學(xué)者推測，水排提供的強大風(fēng)力，可能也促進了炒鋼（將生鐵脫碳成鋼）等先進工藝的發(fā)展。

效率提高了，成本自然就下降了。原來需要大量人力或畜力投入的鼓風(fēng)環(huán)節(jié)，現(xiàn)在主要依靠自然水力。

這不僅節(jié)省了勞動力和飼料成本，還將寶貴的人力解放出來，可以投入到采礦、運輸、冶煉操作等其他環(huán)節(jié)，進一步提高了整個生產(chǎn)鏈條的效率

杜詩在南陽推廣水排，“百姓便之”，說明這項技術(shù)迅速帶來了實實在在的好處。高質(zhì)量的鐵器，特別是農(nóng)具（犁、鋤等）的大量生產(chǎn)和普及，有力地支撐了漢代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。所謂“鑄為農(nóng)器”，正是杜詩推行水排的初衷之一。

同時，充足且優(yōu)質(zhì)的鐵，也為漢帝國的軍事力量提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。鋒利的兵器、堅固的鎧甲，都離不開冶鐵技術(shù)的進步。

水排雖只是冶鐵流程中的一個環(huán)節(jié)，卻為整個漢代社會經(jīng)濟的發(fā)展注入了澎湃動力

更深一層看，水排的意義還在于它所體現(xiàn)的技術(shù)思想。利用自然力替代人力、畜力，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的某種程度的自動化，這在世界科技史上都具有里程碑意義。

當(dāng)然盡管水排技術(shù)先進，但它的推廣應(yīng)用受到地理條件的限制，比如必須靠近有足夠落差和流量的水源，而在封建社會中，這種純粹的技術(shù)進步，其潛力并沒得到充分釋放，可惜可嘆！

信息來源：《持續(xù)擦亮天工開物“文化名片”》，2023年12月20日，新余市人民政府。

信息來源：《漢代冶鐵技術(shù)》，中國科學(xué)技術(shù)館，2023年11月11日。