第二节风车与蚕茧
作者:法拉第      更新:2017-12-19 12:26      字数:7551

第一个风车模型和他当初设想的差不多:一个可以旋转的木座;上面有一个滑轮,前后各装了四片桨叶;一根绳索绕在上面的滑轮,以及下面一个滑轮上。小理这个模型的桨叶在鼓风机的吹动下可以旋转,通过绳索把动力传到下面。但它除了需要人工控制方向外,还有一个比较大的缺点,那就是风车转动的角度有限。而且一旦风向反过来,风车的旋转方向就反了,下面的滑轮会反过来旋转。轸老头他们倒是想到了一个解决方法,那就是通过一对滑轮让绳索偏转96度,把风车底部的滑轮从垂直改成水平旋转。

姜海涛受他们的启发想起了一个办法:在风车上面的轴那里装一个锥形齿轮,把垂直旋转直接变成水平旋转,然后通过一根立轴引下来。他把想法告诉大家后,大家对于怎样造锥形齿轮很糊涂,姜海涛也突然发现自己并不了解齿轮的具体结构,只有一点模糊的印象。那可不是平面几何,而是立体几何,自己还没开始学呢。要不是去老爸的车间里玩过,他都不知道那种形状叫“圆台”。两个圆台的侧面有齿,靠在一起后成直角,就能让两个成直角的轴一起旋转。

工匠们听明白这所谓的锥形齿轮,以及它的作用后,大多数人都觉得这东西用木头造起来有点难,因为雕凿的工作量比较大。另外,它能否耐用也是一个问题。有人提出造一对精细的木齿轮作模子,然后用青铜铸造。姜海涛答应他们只要能在模型上造成,他负责弄青铜来铸造。

第二个风车模型,姜海涛看到后立刻觉得它更加实用。

这台风车看起来像排成一圈的船帆,而且它的设计灵感也确实来源于刚刚用上的转动帆。

井从一开始就觉得姜海涛的那个设计不简便,因此一直在琢磨另外的思路。他首先想到了姜海涛设计的那种风速仪、流速仪,于是用竹片、树叶造了四个v形的小帆,安装到一个旋转的十字架上。后来他又把小帆增加到六个。利用v形帆在顺风、逆风时的不同阻力,的确可以让整个木架旋转。但试验表明,两侧v形帆的阻力差别还不够大,旋转时的效果明显不如那个螺旋桨式风车。这时,因为井也负责转动帆的改进工作,结果从船帆在风力下转动找到了灵感。

现在这个模型的底部也是一个旋转木座,向外平伸出六根木棍,每个木棍的端头插了一根桅杆。桅杆上都挂着一面帆,70%的面积在桅杆内侧,30%在外侧,而且帆的内侧底部有一根绳子,连到顺时针转过去的那根相临桅杆上。当风吹来时,左侧的帆会在风的作用下逆时针偏转,和风向保持平行角度,因此不承受风力;右侧的帆会顺时针旋转,但帆的内侧受到绳子的限制,结果只能转到指向木座中心的方向,整个帆面迎风,承受风力。无论风向怎么变,顺风一侧的帆都会被风吹得与风垂直,逆风一侧的帆则会被吹得与风平行,完全是自动调节。

和第一个风车相比,这种风车的动力可以直接从风车底部的木轮上输出,而且旋转方向固定。虽然它占用的地面似乎大一些,但是井为自己的设计找到了两个不错的优点。第一,是可以通过调节帆的高度,来调整动力大小,防止损坏。如果碰上大风天气,那个螺旋桨式风车必须偏转一定角度,以免转得太快,损坏风车。他这台风车应对起来就简单些。第二,是维修起来方便。高高在上的螺旋桨拆装时肯定不方便,而他的风帆可以放下来更换。[注030201]

姜海涛立刻决定按照井的设计,在池塘边造一台大风车,和一台翻车连接上,看能否利用这种风车自动提水。归豹得到消息后,对这个新发明非常关注。他和薳书都马上意识到,如果能用风力提水,那将会节省很多劳力。

在归豹的大力支持下,这台风车七天后就完工了。它直径6米,高3米多,每面帆宽2米。当天正好风力不弱,风车顺利地旋转起来,通过绳索带动翻车旋转提水,效果和原先两人蹬踏差不多。很多人都觉得,这一台风车相当于6个人,因为它一天能够工作24小时。可是刚过了一天,风力变小了,风车的转动速度明显慢了一些。检查后大家认为还是因为风车本身太重,底座虽然采用了青铜轴和青铜座,但摩擦阻力仍旧有点大。特别是帆绕桅杆的转动,让整个旋转系统有点偏心,增加了振动和阻力。井提出的解决方法是用更轻的材料代替竹篾,把帆的重量降下来。姜海涛问他什么材料最合适,他居然回答说“丝绸”,把一旁的轸老头吓了一大跳。

井这样说其实只是开个玩笑,可是姜海涛上心了,想到一些重要东西。

今后随着水运的增加,会需要不少船帆。加上这风车,它们俩都有很大作用。虽然无法进行具体计算,但用丝绸造风车、船帆未必不可能。

姜海涛以前曾向归豹提出铸造青铜镰刀,根据那次经历,他觉得自己只要能“发明”一些方法,把丝绸的产量提高很多,就可以从归豹那挤出一些供自己使用。而且退一步讲,就算归豹舍不得用丝绸造帆,以现在丝绸的价值,也可以卖掉后换成更多的麻布、木料,用来制造风车。还可以“出口创汇”,因为听养敖说,楚吴之间就曾因为争夺养蚕的桑树林而打仗。

可是自己对丝绸有什么了解呢?大概只有“春蚕到死丝方尽”,还有蚕吃的是桑叶。对了,还有丝肯定是从蚕结的蛹上面弄下来的。可到底是怎么弄的呢?

问了一下工匠,姜海涛突然知道现在正是春蚕快要结茧的时间,随后就要抓紧时间缫丝了。小理第二天,姜海涛就找人带自己去看了看养蚕的地方。

和自己脑海里可怜的记忆差不多,也是在一个大竹盘里放了很多桑叶,一些蚕宝宝在里面吃。要说区别,那就是现在养蚕的密度似乎不高,而且桑叶是整片放入的,记忆中则是把桑叶切成了细条,大概是方便蚕宝宝吃。把这当作建议给养蚕人提出后,却引起了了对方的迷惑,因为他们可没有什么好工具来切桑叶;仅仅为了让蚕吃顺口一点,就费这么大劲,是不是闲得慌?

姜海涛还发现那些养蚕人对于防止蚕宝宝生病、选择合适的桑叶等方面都有很多经验,自己问来问去显得有点“笨”。赶紧走吧,别再现眼了。

可是刚刚离开,一名随行工匠的话引起了他的注意,那就是“马上就得抓紧时间缫丝了”。姜海涛鼓起勇气问他:“这抓紧时间是什么意思?”然后他才知道:即将得到的蚕茧无法长期保存,必须抓紧时间进行处理——把蚕茧放到水里多次浸泡,等一些丝头脱离出来,然后把它们抓在一起抖动,让丝从茧上逐渐剥离下来。

这和姜海涛的记忆可有不少差别。

首先,从蚕茧上抽丝,也就是缫丝的过程中,蚕茧好像是泡在热水里的,可是现在这工匠说的可不是热水。第二,是这蚕茧应该能保存一段时间,因为没听说哪个丝绸厂只在一年里开两次工。从工匠的介绍看,他们现在要抓紧时间缫丝,是因为蚕茧很快就会破洞,里面变出飞虫。这姜海涛可很明白,那不就是幼虫变成虫嘛!

姜海涛立刻找到了自己可以发明的东西,于是告诉他:只要能把蚕茧里的蚕弄死,这蚕茧就应该能保存一段时间,慢慢缫丝了。不料对方有点不相信:“公子,真的只要把里面的蚕弄死,蚕茧就不坏吗?”“对啊?把蚕弄死,比如用针刺死它,它就不能变成飞虫,也就不会弄破茧飞出来了。”

“可是?这办法能行吗?”姜海涛感觉这名工匠似乎有点支支吾吾,于是说:“你来工场应该时间不短了吧,应该知道我的脾气。有话尽管说呗。”“是,公子。经常也会有一点蚕茧没有变成飞虫,但蚕茧还是会坏,会发臭。”“发臭?”姜海涛愣了一下,随后想到:就算把蚕蛹里面的虫体弄死,它的尸体还是会腐烂,自然会损坏外面的蚕茧。那名工匠又接着说:“再说公子你说的用针刺,一个一个地好像要不少时间,而且万一没刺死呢?”

是啊,看来得找到一种容易把蚕蛹杀死,同时又不让它的尸体腐烂的方法。那怎么弄?对了,学木乃伊!应该是把尸体里的水分都蒸发掉,它应该就不会腐烂了。姜海涛一下子找到了方法:“有了。试一试把蚕茧放到火上,不,不行,温度太高。嗯,放到温度稍微高一些的锅上,把它慢慢烤干,就可以杀死里面的虫子,又不腐烂了。”

那名工匠听后有点糊涂,于是姜海涛告诉他,蚕茧是为了保护里面的小虫子变成飞虫,所以利用高温把里面的虫子烤干,就能阻止它破坏蚕茧了。工匠听后明白了他的目的,于是说:“如果要这样,那公子,您可以直接用热气把蚕茧烘干,就像我们有时烘制肉干。肉干就能放很久。”

姜海涛一听:是啊,直接造一个烟道,里面放上蚕茧,然后用木柴燃烧后的热气,可能还需要加上冷空气混合,控制好温度,往里面吹过,不就能达到自己的目的吗?于是他立刻把这个想法告诉给工匠,让他着手造一个设备进行试验。随后姜海涛就去找归豹,要求他提供一批蚕茧。[注030202]

归豹刚听到姜海涛说有办法提高丝绸产量时,先是有点惊讶,然后就高兴地站起来问是什么方法。

于是姜海涛告诉他,一是用热风烘茧,让它可以放很长时间,今后就不必赶在短时间内缫丝了;二是用热水缫丝,应该能加快速度。不过姜海涛随后也提醒他,具体怎么操作还需要很多试验,他要的这批蚕茧恐怕得浪费了。另外,提高丝绸产量的第一条还是得多养蚕,所以在下一批的秋蚕饲养上需要扩大规模。可是能扩大多少,姜海涛暂时说不准,得看烘茧、热水缫丝这两项改进可以让原来同样的人多干多少天、多处理多少蚕茧。归豹立刻答应他需要多少蚕茧尽管用,自己马上派人送过去。

第二天是3月25日,归重率领着19名骑士悄悄地出发前往蓼城,两艘新造的五人四桨快艇也顺颖河而下。归豹、养敖和姜海涛把他们送出城外,反复叮嘱归重他们既要注意侦察楚军动向,还要尽量保守马镫的秘密。除了骑兵,还有10辆战车、100名甲士步卒、10辆牛车、20名仆役组成的队伍随同前往蓼城,作为支援部队。

回城后,姜海涛看到蚕茧已经送来,于是立刻开始进行烘茧试验。这时姜海涛发现自己没有温度计,烘茧的热风温度只能凭感觉判断高低。这可与他一贯要求的“量化记录试验数据”相矛盾。怎么办?是不是造一种温度计呢?

随后从霍传回的消息也促使姜海涛琢磨怎么造一个温度计。

那里的第二座冶炼炉刚刚完成,而且它采用了铜管烟道回热技术,明显提高了炉内的温度。不过现在铜矿的采掘有点跟不上,所以只能保证一座冶炼炉开工。归辛他们正准备对第一座冶炼炉也进行改造,并且把它的烟道设计得和第二座不一样:更高更宽,贴着炉壁,这样就缩短了趴在地面那一段的长度;里面的铜管上下地拐个弯,从直接横走变成竖立的。因为有工匠提出,这铜管如果竖起来,应该更容易被热风吹热。而且冶炼工匠们都知道,细高的炉子不如矮粗的炉子保温,所以他们就联想到:二号冶炼炉的细长烟道要是能被缩短,应该能让热气的温度少浪费些。这样改动的另一好处是减少冶炼炉的占地面积。不过对于送气温度究竟能提高多少,归辛他们估计不出来,因此派人回来询问姜海涛。姜海涛也觉得这样改进应该能提高温度,家里的暖气片不就是那么一片片竖着的吗?

至于温度具体能提高多少,自然得有温度计才能看出来。

归辛还送来一个消息,那就是他们造出了一种新的提水设备:首先把一根长长的竹管劈开,把里面刨光滑,然后再合起来,外面用另外一对半圆形竹管包起来,减少渗漏;造很多锥形木块,底部直径比竹管内径略小一点,围上皮圈;在每个锥形木块的尾部穿上一根2米长的绳索,绳索另一端系到另一个锥形木块的尖端,这样它们就连接成一个大环,穿在竹管里;把竹管竖在矿井里,上面架设一个大滑轮,绳环绕在上面拉动,这样就能把水从竹管里提上来。[注030203]

这东西的提水深度可以超过竹管真空式抽水机,只要竹管密封好。当然,它需要的动力也比较大,现在需要十一二个人一起拉动才能把水从30米深的矿井直接提上来。归辛他们正在设想一个解决方法,就是造一对带有三角凹陷的木滑轮,夹住那个绳圈,然后用一头牛转动滑轮。他们已经在风箱上试验了用牛代替人,效果很不错。

这个木滑轮的设计灵感来源于磨床下面的踏板和飞轮。姜海涛设计的那个连杆机构把上下踏动变成了转动,于是有个工匠反过来想,提出能否用一个转动的飞轮代替人手推拉风箱。归辛最初不明白他这样作的目的是什么,听了解释后才明白:他是想把两个风箱一起用,这样可以连续送风。现在的风箱只有推的时候才送风,拉的时候是在吸气。这名工匠最初是想把两个风箱简单地并在一起,然后用一个类似跷跷板的东西连接他们的推杆,还是用人推拉。后来他在维修磨床时突然从连杆机构那受到启发。归辛觉得这个改进建议不错,于是和大家一起讨论。结果另一个工匠提出:干脆别再用人转飞轮,用牛转,像转磨一样,然后利用飞轮上的连杆推动风箱拉杆。虽然增加连杆机构后,整个系统的摩擦力增加,效率会比原来降低,但用畜力代替人力后,总体来看还是很合算。

不过在这次改动后,鼓风量又明显增加,归辛他们不得不再次进行试验,调整冶炼炉的操作流程。一座炉不需要那么大风量,因此新的风箱可以同时满足两座炉的需要,只要让牛走快点就行。

姜海涛听到这消息后很高兴,对于他们提到的气温测量问题也开始想办法。可是他马上就碰到了一个问题——没有玻璃。

[注030201]:这里的第一台风车在中国古代属于卧轴式风车。但中国古人不用那么复杂的传动系统,而是直接把风车轴作成斜的,高的一端是叶片,低的一端有木齿轮输出动力。福建等地区,这种风车很常见,直到解放后还有保留的实物。第二台风车属于立轴式风车,是中国古代风车的主流。对于它们的具体结构,《中国科学技术史机械卷》第258页有详细介绍,网络上相关资料也很多,笔者就不罗嗦了。

唯一需要说明的是,要想在春秋时代发明它们,除了事先掌握一定的物理知识,或者有现成的“记忆”供参考,还得有足够精细的木加工能力。没有框锯之类的工具,造出的风车必然很笨重,而风车这种大型木结构稍微笨重一点,就很可能无法正常运行。这就好比人推一个东西,低于摩擦阻力哪怕一点点都没用,可是高出一点点后,结果就完全相反了。

[注030202]:杀蛹和缫丝,是丝绸织造过程中的两个重要环节。商周时期还采用鲜茧缫丝,而且缫丝工艺中只是把蚕茧多次浸渍、大把聚束振动出绪。这时可能有了阴摊法杀蛹,但只能推迟出蛾期一两天,所以当时的人们必须抓紧时间缫丝。秦汉以后开始出现日晒法杀蛹,这样虽然对丝有点损伤,但可以把蚕茧储存起来慢慢处理,沿用了很长时间。大概西汉时,开始采用沸水煮茧,把缫丝技术提高了一大步,但蚕茧的保存时间仍旧不长。大约南北朝、隋唐时,开始用盐腌制蚕茧,后来甚至出现了专用于腌茧的盐。元代出现蒸茧法。明朝开始出现用火力焙茧,清代出现烘茧,后来成为主流。

烘茧除了可以杀死蚕蛹,防止活蛹化蛾,以及蛹体腐烂而损坏茧层,还能适当改变茧层外层丝胶的易溶性质,增强煮茧抵抗能力,保护茧的解舒,有利于后面的沸水煮茧缫丝。烘茧过程要根据蚕茧的特性,采用合理的温度、湿度和风速,避免丝胶的过度变性,达到适干均匀,保全茧质。

[注030203]:这类似于管链式水车。它曾在20世纪50年代的中国北方广泛流行,来源可以追溯到清代。管链式水车的基本结构是把铁管立入井中,管中有循环铁链,链上串有与管壁密合的许多皮钱。铁链绕在铁管上方的链轮上,转动链轮,皮钱就不断把水提上。铁管的上方有接水簸箕,水从簸箕流出。这种水车有手摇的,也有脚踏的,甚至还有三管并联的,两人就可以操作。清代,根据文献记载是采用铅管、棕绳球。这里用竹管代替了金属管,木块皮革代替了皮钱、棕绳球,从原理结构上都应该可行,区别只在效率高低而已。

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