中国传统科技文化与STEM教育——双动活塞风箱

　　一、双动活塞风箱的人文知识

　　风箱，一种由木箱、长方形活动木箱构成，用来鼓风生火，使熔炼炉炉火旺盛，进行金属冶炼的设备。风箱的由来与演变源远流长，根据历史记载，橐（古时一种皮制鼓风器）于战国时代已经存在。《老子·道经》用橐比喻空间“天地之间，其犹橐龠乎？虚而不屈，动而愈出。”不仅体现了中国传统文化对空间朴素的哲学思辨，还指出了利用风箱工作时的连续动作。战国时期甚至出现了多橐并联或串联的装置，名为“橐籥”，汉代又称之为“排橐”。山东滕县出土的汉朝冶铁画像石中也有描述橐的画面，它由3个木环、两块圆板，外敷皮革而成。

　　双动活塞风箱（如图1所示）是由智慧的中国古代劳动人民在旧鼓风器的基础上于唐、宋时期发明的，公元1280年印制的《演禽斗数三世相书》中，刊载有一幅世界上最古老的双动式活塞风箱图。活塞式风箱正逆行程都作有用功，用手拉动活动木箱，每行程中一端排气鼓风，一端同时吸取等量空气，因而能提供连续风流，提高鼓风效率，是鼓风技术上的重大进步，其提供连续鼓风的能力是我国得以在冶金术占优势达数百年之久的决定性因素。欧洲直至公元1716年方发明了类似的双动往复式水泵，为后来的活塞式机械打开了道路。

图1 双动活塞风箱示意图

　　二、双动活塞风箱的科学原理

　　双动活塞风箱具有三处精巧的结构，分别是进风口的两个“风舌头”和出风口的“小舌头”，三个“舌头”可以灵活转动又受到一定限制，通过配合实现正逆行程都能鼓风的效果。下面通过示意图对正逆两个行程进行说明。

　　假设我们把推杆过程称为正行程，拉杆过程称为逆行程，先看正行程（如图2-1所示），推杆过程被木板隔开的左箱室容积变大，内部原有气体发生扩散作用从而体积变大，因此左箱室气压迅速减小，而风箱外部大气压强不变，这导致在左上角的“风舌头”处产生压强差，迫使“风舌头”朝内打开，外界气体冲入左箱室；与此同时右箱室容积变小，内部原有气体被压缩，从而体积变小，因此右箱室气压迅速增大，但右上角的“风舌头”处虽然也产生了压强差，但“风舌头”被木箱壁挡住无法朝外打开，右箱室内部气体只能另寻出路而通过右下角的空缺再推开出风口处的“小舌头”（如图2-2所示），最后从出风口通往需要被送风的地方。逆行程（如图2-3所示）则只是左右箱室工作状态对调。

图2-1正行程示意图

图2-2正行程的出风口

图2-3逆行程示意图

　　三、STEM活动实践

　　（一）创意实践

　　双动活塞风箱的制作

　　材料：鞋盒、硬纸板、直尺、铅笔、小刀、胶水、胶带、一根长筷子

　　创意参考步骤：

　　1.用小刀在鞋盒对应位置划出两个进风口和一个出风口，并预留一个小孔恰好供一根筷子往复运动。

　　2.裁剪硬纸板，一块用作往返运动的活塞，一块用作两边有缺口的挡板，再用一块卷成圆柱状做出风口；接着另外裁剪三块小纸板用作“风舌头”，用胶带粘连（只粘住一个边）。

　　3.用胶水固定穿过鞋盒的筷子与盒子内的活塞板，再用胶水固定其他结构。双动活塞风箱就做好了。

　　4.推拉露出鞋盒外的筷子，感受出风口的风。

　　（二）创意改良

　　1. 如果实验出现出风量很小甚至没有风的情况，请尝试分析原因。

　　2. 分析两根筷子效果会不会更好，为什么？

　　3. 制作风箱的老师傅会用到鸡鸭的羽毛，这能给我们什么启发？

　　（三）创意挑战

　　1.进风口的面积越大越好吗？请设计实验并探究。

　　2.自行搜索资料并设计一个机械结构能使得电动马达的转动转化成我们双动活塞风箱所需要的前后往复运动，请设计实验实现鼓风“自动化”。

　　注：以上图片均来源于网络

　　（作者/刘韬 湖南师范大学）

（一审：卢小伟 二审：蒋玉青 三审：禹振华）