第121章 世纪荷兰对风车动力的改进

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刚一走进翁翊皇炼铁的风车塔内部，李国助的目光就被炼铁高炉使用的鼓风设备吸引了。 它用的并不是传统的皮囊风箱，而是双作用活塞式风箱， 也就是与瓦特蒸汽机的双向汽缸结构相近的那种风箱。 据李国助所知，这种风箱在古代主要是通过人力驱动的。 虽然水排可以把水车的圆周运动转化成直线往复运动， 但其使用的似乎主要还是皮囊风箱。 至于双作用活塞式风箱在唐宋年间发明以后， 似乎一直都是以人力驱动，并没有与水排相结合的记载。 但这也可能是李国助对古籍的涉猎还不够广泛的缘故。 在明末，主要的动力来源就是人力、畜力、水力和风力。 畜力难以精确控制风箱运动的频率和幅度，以符合鼓风的要求。 风力又不够稳定，同样难以精确控制风箱运动的频率和幅度。 水力倒是比较稳定，也可以借助水排来驱动风箱做有规律的直线往复运动。 但金角湾周围并没有河流，只有一些泉水和小溪，难以提供足够的水力。 所以要在这里炼铁，理论上就只能用人力鼓风。 可偏偏用风力驱动的风箱此刻就明明白白地摆在李国助的眼前， 而且看起来运动的频率和幅度都还算稳定。 很明显，这里用来转化风车动力的装置是借鉴了水排的结构， 一个曲柄连杆机构连接着一个竖直的齿轮和双作用活塞式风箱的活塞杆， 曲柄连杆机构把齿轮的圆周运动转化成直线往复运动，驱动风箱鼓风。 至于这个齿轮的动力则是来源于风车的转动。 荷兰风车的巨大扇叶在风力作用下旋转，将风能转化为风车的机械能， 再通过传动装置连接风车塔内的各种设备，从而实现各种不同的用途。 连接磨盘，就能使风车塔成为磨坊。 连接榨油机，就能使风车塔成为油坊。 连接锯木机，就能使风车塔成为锯木工坊。 连接纺织机，就能使风车塔成为纺织工坊。 连接抽水装置，就能使风车塔成为抽水机。 连接起重装置，就能使风车塔成为起重机。 在17世纪，风车内的传动装置一般就是齿轮传动系统，是由一系列齿轮和转轴组成的。 风车的转轴与一系列齿轮和转轴相连，通过齿轮的啮合，将转轴的转动传递到其他部件。 风车转轴的转动，是竖直的圆周运动，通过齿轮，可以将其转变为水平的圆周运动。 而风车最常见的两种用途磨粉和抽水，都可以利用这种水平的圆周运动。 它可以带动磨盘旋转，也可以带动阿基米德螺杆抽水。 后者是17世纪时，荷兰风车常用的抽水方式之一。 螺杆泵由螺旋状的螺杆和管道组成。 风车的机械能通过传动装置传递给螺杆泵，使螺杆旋转。 当螺杆在管道内旋转时，会将水从低地沿着螺杆螺纹提升到高地，实现抽水目的。 除此之外，17世纪的荷兰风车还可以利用桨轮抽水。 风轮通过传动系统带动桨轮转动，桨轮部分浸在水中， 随着桨轮转动，桨叶会将水舀起并提升到一定高度，从而将水从低处提升到高处。 但这种方式效率相对较低，提升高度有限，一般只能将水提升约1.5米。 除了传动，齿轮还可以起到调速的作用，所以也叫变速齿轮。 齿轮的大小和齿数不同，可以改变转速和扭矩， 大齿轮带动小齿轮，可以增加转速但减小扭矩， 小齿轮带动大齿轮，则会降低转速但增大扭矩。 抽丝剥茧地观察了一阵风车塔内的传动系统，李国助突然开口问道： “翁叔，你是怎么让风箱稳定推拉的风力可不是一种稳定的动力呀！” “不是你给的图纸上都有方法吗” 翁翊皇有些诧异地说道，显然他以为李国助应该比他更清楚这些， “这座风车可是安装了尾舵，还用了八个船帆形的叶片呢，我几乎就没见它停转过。” “再说，这里面不是还有变速齿轮和飞轮吗你肯定比我清楚它们的用途。” “另外，这里也并不完全是用风力，也有蓄水池，必要的时候，可以用水力驱动。” 他这短短几句话，可谓是涵盖了17世纪，荷兰对风车动力的各种改进。 在17世纪，荷兰拥有世界上最先进的造船技术。 其对风车的改进也有很大的推动作用。 这集中体现在了风车的叶片和尾舵之上。 叶片数量和叶片形状的改进，极大提高了风车捕获风力的效率。 这使建设在沿海地区的风车很少会出现自行停转的情况。 叶片的材质也很重要。 在当时，通常使用坚固且轻便的木材，如橡木来制作叶片。 橡木质地坚硬，能够承受一定的风力， 经过适当的加工和处理，还能使叶片表面更加光滑，减少风的阻力，提高风能转换率。 为风车安装尾舵，就像船的舵一样，能够使风车自动对准风向。 在17世纪，尾舵一般是用橡木制成，通过简单的机械连杆与风车主体相连。 它就像一个风向标，对风向的变化非常敏感。 当风向改变时，尾舵首先感受到风力的变化，并围绕其固定轴进行转动。 尾舵的转动通过一套机械传动装置与风车的顶部结构相连， 通常是通过绳索、滑轮或齿轮等部件，将尾舵的转动传递给风车的塔顶，从而带动整个风轮转向，使其对准新的风向。 当风向发生变化时，尾舵受到风力的作用，带动风车主体转动， 使风车的叶片始终垂直于风向，从而最大程度地利用风能。 除了调整风车的受风方向，尾舵还有刹车制动和稳定机身的作用。 当需要停止风车运转时，可以通过操作尾舵，使其与风向形成较大的夹角，增加空气阻力，从而减缓风轮的转速，直至风车完全停止。 这能对风车起到保护作用，避免在强风或其他异常情况下风车因过度转动而损坏。 在风车运转过程中，尾舵能够提供一定的稳定性，减少风车的晃动和摇摆。 特别是在风力较大或风向不稳定的情况下，尾舵可以帮助风车保持平衡，确保其安全、可靠地运行。