问题

中国汉代发明的水碓和十一世纪欧洲水力锻锤既然设计原理一样 为什么中国没把它用于锻造领域?

回答
关于水碓和十一世纪欧洲水力锻锤设计原理相似,但应用领域出现差异的问题,这是一个非常有趣且值得深入探讨的历史技术发展议题。简单来说,中国汉代的水碓主要用于谷物加工,而欧洲的水力锻锤则专注于金属锻造。这种差异并非偶然,而是受到多方面因素共同作用的结果。

水碓的“为什么”:精准与效率的考量

汉代的水碓,其核心设计理念在于利用水的势能来驱动上下往复运动的舂杵。它的主要目标是提高谷物脱壳、舂米等加工的效率,尤其是在处理大量粮食时,其优势远超人力。

原理与优势: 水碓的机械结构相对简单,但设计得相当精巧。通过水轮带动曲柄连杆或者踏板,将旋转运动转化为活塞式的上下运动,驱动木制或石制的舂杵,对谷物进行反复舂捣。与人力舂米相比,水碓的效率和力度都得到了极大的提升。一个水碓可以抵得上数十甚至上百人力。
应用场景: 在以农业为主导的汉代社会,粮食的生产和加工是关乎国计民生的头等大事。水碓的出现,极大地减轻了农民的劳动强度,提高了粮食产量和加工效率,对农业经济的发展起到了重要的推动作用。
精度要求: 谷物加工对机械的精密度要求相对较低。舂捣的力度和频率只要能有效地分离谷物和壳即可,过高的精度反而可能损坏谷物。水碓的设计完全能够满足这一需求。

水力锻锤的“为什么”:力量与需求的结合

到了十一世纪的欧洲,水力锻锤的出现则服务于完全不同的产业需求。

原理与优势: 欧洲的水力锻锤同样利用水轮将水的势能转化为动力,但驱动的是一个巨大的锤头,通过曲柄或凸轮机构实现周期性的上下撞击。这种锻锤能够产生巨大的冲击力,远超人力能够达到的范围。
应用场景: 欧洲在十一世纪已经进入了商业和军事领域都蓬勃发展的时期。铁器在军事装备(武器、盔甲)、农业工具、建筑(门窗、锁具)等方面的需求量巨大且不断增长。传统的铁匠铺依赖人力和畜力锻打金属,效率低下,难以满足日益增长的市场需求。
对力量的追求: 金属锻造,尤其是大规模的金属加工,需要极高的力量和效率来塑形金属。水力锻锤能够提供的强大而稳定的打击力,是提升锻造效率和产量的关键。它可以一次性将烧红的金属锭反复锤打,使其结构更加紧密,性能更好。

为什么中国没将其用于锻造领域?关键在于“时势”与“需求”

尽管原理相似,中国汉代并未将水碓的设计思路大规模地迁移到金属锻造领域,主要原因可以归结为以下几点:

1. 历史技术基础与发展路径:
中国的水力利用: 中国在汉代就已经掌握了较为成熟的水力利用技术,例如水车灌溉、水转连磨(类似水碓但用于磨粉)等。这些技术都基于水力的旋转和持续稳定的动力输出,但其目的都是服务于轻工业和农业。
中国冶金技术: 汉代中国已经拥有了相当发达的冶金技术,特别是铸铁技术。虽然也存在锻造,但早期铁器的生产更多依赖于铸造。对于相对精密的锻造需求,当时的工匠或许已经可以通过更精细的人力或畜力操作来满足,或者说,大规模、高强度的机械化锻造的需求尚未达到燃眉之急的程度。
欧洲的工艺特点: 相较而言,欧洲在十一世纪时,金属加工更侧重于锻造,特别是在武器和盔甲制造上。随着封建领主的崛起和军事竞争的加剧,对高质量、大规模的金属制品需求迫切,推动了对高效锻造技术的探索。

2. 下游产业的需求与制约:
中国: 如前所述,中国农业高度发达,粮食加工是核心需求,水碓能很好地满足这一需求。而金属锻造虽然重要,但其需求模式可能与欧洲有所不同。如果说当时中国更侧重于铸造大量生产简单的铁制农具,或者对精细金属制品的需求主要集中在少数特定领域(如宫廷工艺品、武器少量装备),那么传统的手工锻造技术,配合辅助性的机械,可能已经够用了。
欧洲: 欧洲十一世纪开始,骑士阶层的兴起,对铠甲和武器的需求不断增长。这些产品往往需要通过反复锻打来提高韧性和强度,这就对锻造技术提出了更高的要求。水力锻锤的出现,正是为了解决这种“量”和“质”的双重压力。

3. 技术迁移的“瓶颈”:
力学传递与放大: 将水碓的“舂捣”原理放大到足以驱动重型锻锤,需要更强大的动力源、更坚固的传动机构和更精确的控制系统。汉代的水碓设计可能并没有直接适配这种“力量升级”。将水力转化为高频、高冲击力的反复撞击,对材料的强度、传动轴的刚性以及机构的耐磨性都提出了更高的要求。
安全与稳定性: 沉重的锻锤在高速往复运动中,对整个机械系统的稳定性和安全性是极大的考验。如何设计出既能承受巨大冲击力,又能长期稳定运行的传动和支撑结构,是中国汉代的水力技术设计者可能没有面临或解决过的难题。
能源效率与成本: 虽然水力是清洁能源,但在汉代,建造和维护大型水力机械的成本可能是一个重要的考量因素。如果现有的技术能够满足需求,那么投入巨大成本去发展一种可能并不急需的“大功率”机械化锻造技术,其经济效益可能不高。

4. 知识的传播与积累:
技术秘诀: 在古代,尤其是对于生产工具和工艺的知识,往往是高度保密的,并且以师徒传承为主。水力机械和金属锻造技术可能分属于不同的技术体系和工匠群体,知识的横向迁移和融合并非易事。
科学理论的缺失: 缺乏对材料力学、工程学等现代科学理论的支撑,技术的发展更多依赖于经验的积累和试错。在没有强大理论指导的情况下,将一种技术从一个领域成功地“跨界”到另一个需要截然不同力量和精度的领域,难度非常大。

结论:

总的来说,中国汉代的水碓和十一世纪欧洲的水力锻锤虽然在利用水力进行机械往复运动这一基础原理上存在相似之处,但它们的应用领域和发展轨迹却截然不同。这反映了不同时期、不同社会对技术的需求差异。中国汉代更侧重于提升农业和轻工业的效率,其水力技术的发展路径也由此形成。而欧洲在十一世纪,军事、商业需求的增长迫切需要更高效、更有力的金属加工手段,水力锻锤的出现正是这一时代需求的产物。

简单来说,不是中国没有能力发展出水力锻锤,而是当时中国“需要”水碓的效率来加工粮食,而欧洲在那个时间点“需要”水力锻锤来锻造武器和工具。技术的发展总是与社会经济需求、历史的偶然性以及技术本身的发展阶段紧密相连的。中国虽然在水力机械方面有其独特且先进的成就,但未能将其直接复制到金属锻造领域,是多种复杂因素综合作用的结果,体现了技术发展的多样性和针对性。

网友意见

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谢邀

汉代的水碓(有可能时间更早,只是最早的文字描述来自汉代)与欧洲的水力锤锻设计原理确实是一样的,都是利用水轮将水力转换为机械动能。只不过一个用于舂米,一个用于锻锤铁器,用途不一样罢了。

其实呢,欧洲发明水力锤锻也是有一条清晰脉路的,公元1世纪,罗马也有大量的水力机械被用于舂米。在西班牙和伊比利亚半岛发现了公元1到2世纪用于水力机械的锤石,这些有可能被用于矿山粉碎矿石。在肯特郡也出土了公元4世纪的大型金属锤和水轮机。但是随着罗马毁灭,这些机械似乎中断了一段时期(失传??),直到11世纪才在欧洲再次被发现。

欧洲的水力锤在11世纪出现后即有被用在锤锻金属器上面,但是也要注意,欧洲的水力锤很长一段时间干的也是捣碎物品的工作,类似中国的水碓,在15世纪水力锤被广泛用在捣碎矿石上。16世纪~17世纪,水力锤锻被广泛使用在金属工具和武器制作上。

有人认为水力锤只是制作铁条原料,这个我可不认同。插一段视频的连接

顺便贴一些图。

1 水力锤的原理图。锤子下面的那块垫铁,如果换成米槽,就可以舂米╰( ̄▽ ̄)╭

2 欧佬的复原

再贴一张锤头正面图

这种机械,用于制作武器如刀剑板甲之类,毫无压力。或者说用于最初的胚料锻打是完全可行的,然后再用人工锤锻修型。

强调一个细节,操作机器打造铁器的是一名老头。这就体现了水力锤锻的优势,节约了大量青壮年劳动力,可以让这种老先生也能轻松的利用机械制造出一块板甲或刀剑,而不是只能依靠年轻小伙子在一边抡大锤。这对于劳动力并不富裕的地区,所带来的效率提升与成本优势无与伦比。

正是因为水力锤锻机械的普及,才让欧洲的板甲制作得以普及,普及的条件即成本降低到普通士兵也能承受的程度,而不是只能制造出几款高大上的盔甲,供贵族骑士玩。

回到题主的问题,为什么中国就没有将这种水力机械用于铁器制作锻打呢?

个人认为,这与中国与欧洲不同的冶金模式有点关系。

欧洲中世纪冶金炼铁的模式是用熟铁吹炼炉直接做熟铁,本质上是块炼铁在高温下继续还原为熟铁的模式。这种炉出来的熟铁与块炼铁一样,含有大量的杂质,必须通过不断的锤锻排除杂质,再渗碳才能用于武器和铁制的工具制作。因此,欧洲的冶金模式对锤锻的工作量需求很高,因此,水力锤锻出来前,这种模式下,炼出来的铁需要依赖人工锻打排渣后才能当做制作武器和工具的原料,制作成本很高,效率很低。有需求就有动力,自然就有人把脑筋用在了原本用于捣碎谷物和矿石的水力捣碎机上,略作修改就可以用在锤锻上。

中国的冶金模式恰恰不太需要如此多的锤锻工作量,除非制作百炼钢兵器。

中国的冶铁是用高炉生产生铁,生铁再炒炼为熟铁,高炉炼生铁,温度高于块炼铁,冶炼过程中已经排除了一次杂质。生铁炒熟铁过程中又一次排除了杂质。后来又发明了灌钢,即将熟铁插入生铁液中,这个过程又可以排一次杂质。换言之,中国的冶金模式得到的最终制作工具和兵器的原料铁锭时,铁中含有的杂质已经很微少了,完全达到了欧洲模式需要耗费大量人力才能达到的铁原料品质。在此基础上,如果用于制作农具,基本不大需要锤锻。如果用于制作精良的武器才需要进行锻打,总体的锻打工作量已经远远低于欧洲模式。

这就是一种可能的原因。

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