古罗马机械10页.docx

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古罗马机械10页

古罗马机械

一、冶金成就

罗马时代的冶金成就可以归纳为如下几个方面：

1.通过空前规模的商品流通和工业化生产，铁和其它金属产量达到惊人的数字。

2.普及了铁器生产的各项技术，使铁器的质量稳定，性能卓越。

3.发明了各种复杂的兵器、工具、用具，金属的用途大为扩展。

4.货币的生产量极其巨大。

5.采矿技术得到大的进步。

6.开始生产黄铜。

下面就详细的讲述这些成就，不过在此之前，究竟什么年代是“罗马时代”的开端？

这点是有争议的，有人主张是第二次布匿战争结束的那年——前201年，有人主张是罗马军队攻破科林斯和迦太基的那一年——前146年。

不过这对于我的描述关系不大，因为前3世纪末和前2世纪的冶金技术是差别不大的。

在罗马之前，大多数炼铁遗址上发现的矿渣是以公斤或者几百公斤计算，而罗马时期的渣堆普遍达到成百上千吨，甚至三十万吨（法国艾尔兰特森林）。

铁器的出土也非常多。

比较典型的是在苏格兰因什图锡尔堡垒中，发现了五吨以上的铁钉。

这个堡垒公元83年建成，公元87年即放弃。

把如此多的铁钉抛弃掉，证明这些东西很容易得到补充，毫不值钱。

其它金属的产量也很大，西班牙里奥廷托一地在罗马时代生产了6－7万吨铜。

金银的产量同样很大，相应的，铅的数量就更加巨大了。

事实上通过实物的比较，可以说罗马的冶金工业规模，同时代的任何其它国家或民族都无法相比。

这得益于罗马疆域的广大，生产力的高度发展、交通的畅通和商业流通的空前规模。

罗马时代的冶铁技术主要是普及各文明的冶铁成就。

那时的炼炉可以分为两种类型，即鼓风竖炉和碗式炉，样式跟从前的差别不大，只是尺寸加大了，且都有了出渣口，矿渣可以流到炉外的渣坑中。

碗式炉的加大使它必须安装一个以上的风嘴。

竖炉高1.5米左右，直径0.3米左右，一般来说有多个风嘴（一般是四个），可以鼓风也可以抽风。

取铁时竖炉从炉侧取出，碗式炉从炉顶取出，都跟早期铁器时代没多少差别。

取出的海绵铁在敞炉，或者说是锻炉中加热锻打，制成熟铁。

铁坯重5－10公斤不等。

以上跟早期铁器时代差别不大。

但罗马人发明了三项技术：

利用水磨研磨矿石，维特鲁威的《建筑十书》中讲有大功率的水磨，功率约三马力，后来更进一步提高到五十马力，在西班牙已经发现了梯级水磨的遗迹。

磨碎铁矿石，对入炉炼制有利；在冶炼之前对矿石进行焙烧，提高矿石品位，然后入炉；用煤炼铁这是在罗马占领不列颠之后的事情，因为不列颠的露天煤矿是很多的。

不过罗马人很快发现用煤炼铁不好，所以这项技术没有推广。

煤炼铁之所以不好是因为煤中的硫被铁吸收，使铁成为高硫铁，这种铁是脆性大的劣质铁。

要解决用煤炼铁的问题，要么炼焦炭，要么使用低硫煤。

而当时既没有炼焦碳的技术，也无法分清高硫煤和低硫煤。

顺便说一句煤在罗马用途很广，罗马妇女甚至把它当项链吊嘴使用。

另外，目前已知最大的罗马锻炉是科布里奇那座用来锻接公共浴室桁条的锻炉，它的特点是风嘴可以插入需要提高温度一进行锻造或锻接的任何地方，这种方法在二十世纪仍被用来制造船尾的骨架。

罗马时期，铸铁越来越多的被制造出来，不过它们都被当作次品抛弃。

有人设法利用它，老普林尼就指出可以把铸铁液滴在熟铁器刃部，这样“铁就从废铁那里取得了力量”，这是世界上最早的“擦生”技术记载。

不过铸铁基本上是无用的，需要很大的忍耐力和知足常乐的精神才能接受铸铁的机械性能——在古代，除了中国人以外世界上没有人具有这样的气质。

铁坯质地均匀，渗碳法已经完全成熟，得到了普遍运用。

几乎任何认为是有必要渗碳的铁器都经过这一工序。

仍以上述铁钉为例，含碳量从0.06－0.9%不等，铁钉越大，尖端含碳量就越高，由此获得高硬度，而其余部分含碳量低，但大型铁钉控制在0.2%－0.25%之间，以保证强度和韧性。

铁钉中有害物质的含量也极低，ＡⅠ型铁钉含硫量仅0.009%，含磷量仅0.008%。

罗马时期的绝大多数铁器含硫量非常低（基本介于0.003－0.03%之间），大多数的铁器含磷量也很低，这说明当时的人们已经认识到高硫铁和高磷铁的危害——前者脆性大，后者低温脆性大，且不利于渗碳，罗马人当然不知道地球上有磷和硫这两种元素，他们主要通过避开含磷量或含硫量高的铁矿来达到提高铁品质的目的（铁品质好坏可以通过试炼得知）。

锻造工艺也已经稳定下来，不再出现早期某些铁器强度与含碳量不相称的情况。

锻打对铁的好处是使铁的组织更加紧密，提高机械性能，如熟铁的强度可以比未经锻打时提高1.5倍甚至两倍以上，塑性和韧性提高更多。

从罗马实物看，铁器硬度基本上跟含碳量吻合，可见锻打技术已经完全成熟了。

在铁器热处理方面，罗马的成就主要在于普及了淬火工艺。

如英国斯塔福德郡的沃尔和哈德良长城边切斯特霍尔姆发现的凿子，后者的刃部硬度达ＨＶ579到464，这种凿子用于对付坚硬的石头无疑是大有好处的。

在波兰克拉科夫发现的罗马出口的铁工具，23把小刀和凿子中，有六把经过淬火，刃部硬度介于ＨＶ433－724之间。

罗马时代攻城武器已经达到火药时代之前的巅峰。

罗马弩炮的技术成就和普及程度在整个古代都没有任何国家或民族可以企及，投石机也仅比八百多年以后的重物杠杆式投石机稍逊。

除了物理学上的理论指导外，冶金学的发展也是罗马攻城武器大放异彩的重要原因。

尽管在罗马之前，西方国家和印度都已经普遍装备了攻城武器，也已经在这类武器上使用了大量铁部件，铁的强度和韧性高过青铜，这点人人都知道，但一个非常棘手的问题是：

如果铁质不纯，则受力部件易于弯曲，而如果有害杂质如硫、磷过高，那更会导致事故的发生。

所以铁部件有赖于锻打渗碳技术的进展。

罗马时代，这项技术完全成熟，因此钢铁质量非常优异，工程师们可以放心大胆的在攻城武器上采用铁部件。

这种过程到了安东尼王朝初期达到最高点。

当时的罗马轻型弩炮的棘齿、制退销、扳机和固件、扭曲发条和弓臂全都用钢制作，这反映了工程师对钢材质量的信任，因为一旦发生事故，如弓臂折断，势必造成操纵人员的伤亡。

这种弩炮在保持威力的同时重量减轻，体积缩小，是古代最优秀的弩炮。

锻造的铜用品依然大量存在，而且数目惊人。

由于医学的发展，铜制手术器械已经非常精巧，止血钳等跟今天的差别已经不大。

铜的质量没有大的变化，罗马铜艺术品大体上能够达到希腊古典时代的水平。

而巨型商船的大量出现，表明铜钉的质量已经很稳定。

青铜这时派上了新的用场：

活塞和弹簧。

前面所说的压力泵、吸水泵、双筒柱塞泵就是以青铜活塞为核心部件，至于弹簧，我们知道青铜作为弹性组件要经过退火和冷变形过程。

这种技术在罗马时代也已经掌握。

任何高科技产物，几乎肯定会被运用到军事方面，青铜活塞和青铜弹簧也是如此，前200年，使用压缩空气和青铜弹簧的弩炮试制品问世了。

但试验表明，它们的效果不佳。

我们当然知道，在那个时代，活塞的气密性是完全无法保证的，用于抽水还凑合，要达到有效投射箭支的高压，是无法做到的；而青铜弹簧的直径要足够大，这也是无法做到的，况且这样的武器效率也不佳。

青铜在另一个场合发挥了实用性，前180年，帕加马的奥门二世主持修建了三公里长的高压水管，其落差达200米，工作压力达2兆帕。

这是当时西方青铜铸造业的杰出成就。

唯一的问题是青铜有价值，所以这种管道常常被偷窃——破坏公物并不是现代才有的事。

在罗马时代，曾经出现过高37.2米的尼禄巨像，它的构造方法跟罗得岛巨像相似，但罗马出色的冶铁业使它一直屹立到6世纪，比罗得岛巨像成功得多。

罗马帝国领土达五百万平方公里，为了维持国家的统一，必须依靠商品经济（这点以后我有时间的话再发贴说明），虽然拉丁人是农耕民族，而罗马人也始终保持重农轻商的经济思想，但罗马的商品经济仍然达到了空前的规模。

这样就要求钜额的硬通货——金银货币。

据老普林尼的说法，他那个时代罗马一年要向阿拉伯、印度、中国支付一亿塞斯太尔斯银币（很遗憾我没有找到货币重量的资料，姑且以13克算之）。

对帕提亚、东欧、日耳曼、撒哈拉、埃塞俄比亚、东南亚、爱尔兰、西非的外贸支出不计，国内贸易不计，中央储备不计、民间收藏又不计，可见罗马商品经济的规模。

罗马人对金银的需要如此迫切，所以除了向被征服者劫掠勒索外，每占领新的地区都立即开采银矿——在当时实际上基本是铅矿。

根据出土资料，罗马银币的含银量资料如下：

共和国时期94%、帝国时代80%、公元220年44%（仿雅典货币资料）、三世纪的银币含银46－60%之间，到四世纪，出现了镀银铜币，含银量仅1.76%。

也就是说罗马银币的含银量随着外贸的进行而不断下降。

罗马的贸易，遍及全欧、北非、西非、东非、西亚、印度、东南亚、中国，而货币回流却很少——关于这个问题可以参考秦晖的《外贸顺差逆差与“经济中心”》一文——目前能够确定的只有中国的黄金流向罗马，而且数量不详，其它地区有若干货币回流，但总的来说，罗马长期处于逆差状态中，尤其印度，简直是罗马银币的坟墓，上述普林尼所说支出中，有一半就流入了印度，而印度却很少购买罗马商品。

这样入不敷出，银币的含银量当然只有减少。

其实，以政府信用为基础发行纸币，也许是一个办法，但在那个时代，却没人想到这点。

随着银币质量的下降，罗马的商品经济也越来越难以维持，商业在国家经济中的比重不断下降，自然经济的比例不断上升，最后必然导致统一国家无法维持——这也就是4世纪发生的事情。

随着西罗马商业的萎缩，连西罗马帝国也无法维持了上面说的镀银铜币，制作方法有三种：

氧化法，即在空气中加热，用酸性液体使氧化铜溶蚀，从而使铜币表面发出银色的光泽；镀银法，把铜币蘸入银液中；或者在铜币外包一层银皮。

这些照我看，没有什么说头。

而罗马银币的冲压模，跟希腊时代相比已经有了改进，主要是含锡量下降到了15%，罗马人并不知道青铜中锡的固溶极限，因此这可能是长期实践摸索出来的结果。

含锡15%的青铜，强度达到最大，如果进行退火，强度就更大了。

因此罗马冲压模可以使用很多次，根据实验，使用热冲法，上模（反模）约可使用8000次，下模（块模）可使用16000次。

钢铁冲压模也已经发明出来，在特里尔发现的上模就是铁质钢面的，模体含碳0.038%，而工作面含碳1.03%.显然，图案是在尚未渗碳时刻上去，然后进行表面渗碳和淬火。

这是一种超前的工艺——要知道，对造币模来说，渗碳和淬火过程很容易导致图案变形。

因此，在现在出土的46件希腊和罗马冲压模中，只有8件是钢铁制品。

罗马的采矿技术在当时世界上也是领先的。

在罗马立国之前，意大利人就可以打出深达130米的矿井，到了罗马时代，这个数字更是达到了230米。

矿井的深度意味着支撑框架、排水、通风诸技术的发展。

罗马时代的最后一件可叙的大事是黄铜诞生。

时间大致是前45年左右的事情，典型的最初黄铜是前20年的罗马作品，内含17%的锌。

黄铜跟青铜相比，有三样好处：

易锻造、抗腐蚀性更佳、外表光亮，如果含锌量适当，类似黄金。

当时黄铜的制造方法是渗锌法，也就是在坩埚内同时放置铜、菱锌矿（ＺｎＣＯ3或ＺｎＳｉＯ3），有若干锌在铜熔化之前就被木炭还原了，锌蒸气进入铜内，从而使铜的熔点降低。

这样，若干炉料在900摄氏度左右熔化，凝固后黄铜也就炼成了。

罗马的锌矿石来自不列颠的曼迪普斯和比利时的阿尔登，以及帝国东部的许多矿床。

至于熔炼法，那是十八世纪末的事情了。

这里要说明，黄铜在罗马时代还远没有取代青铜。

那时的罗马人更乐意使用铜锡锌三元合金。

而真正的黄铜，在一到二世纪含锌量持续下降。

从前45年的27.60%到79年的15.9%，再到161年的7.8%，这是一种异常情况，也说明黄铜跟青铜相比，长处还不足以压倒后者。

至于金属锌，只在雅典发现过两块。

二、机械成就

公元前六百年至公元四百年的古希腊和古罗马被称为古典文化时期。

这一时期在古希腊诞生了一些著名的哲学家和科学家，他们对古代机械的发展作出了杰出的贡献。

如学者希罗关于五种简单机械（杠杆、尖劈、滑轮、轮与轴、螺纹）推动重物的理论，至今仍有意义。

这一时期木工工具有了很大改进，除木工常用的成套工具如斧、弓形锯、弓形钻、铲和凿外，还发展了球形钻、能拔铁钉的羊角锤、伐木用的双人锯等。

广泛使用的还有长轴车床和脚踏车床，用来制造家具和车轮辐条。

脚踏车床一直延用到中世纪，为近代车床的发展奠定了基础。

冲制钱币也是这一时期金属加工方面的一大成就，是现代成批生产技术的萌芽。

但随着罗马帝国的灭亡，这种技术失传了几百年。

约在公元前一世纪，古希腊人在手磨的基础上制成了石轮磨。

这是机械和机器方面的进步。

约在同时，古罗马也发展了驴拉磨和类似的石轮磨。

齿轮系在欧洲最早的应用是装在战车用来记录行车里程的里程计上。

杠杆原理在机械上的应用此时已较普遍，如用在建筑上起吊重物的滑车和复式滑车。

马车和战车也有了改进。

这时期在流体机械和动力机械方面的发展是，首先扩大了桔槔式提水工具和吊桶式水车的使用范围；创造了涡形轮和诺斯水磨等新的流体机械，前者靠转动螺纹形杆，将水由低处提到高处，主要用于罗马城市的供水，后者用来磨谷物，靠水流推动方叶轮而转动，其功率不到半马力。

功率较大的有维特鲁维亚水磨，水轮靠下冲的水流推动，通过适当选择大小齿轮的齿数，就可调整水磨的转速，其功率约三马力，后来提高到五十马力，成为当时功率最大的原动机。

利用活塞和气缸制成的压力泵和吸水泵，在此时期也有发展。

最早出现的是用来灭火的菲罗压力泵，后来又有了从井中提水的吸水泵和压力泵，以及罗马人用于灭火的双筒柱塞泵。

热力机械这时主要是作为希腊学者和哲学家们的玩物而出现的。

在公元一世纪，希罗的汽转球（又叫风神轮）就是一例。

汽转球下部的蒸锅盛水，其上用支管连接着一只空心球。

球上有两支方向相反的切向喷口。

当锅下烧火、球内的水沸腾变成蒸汽喷出时，如产生的喷气反作用推力足够大，便会推动球体不断转动。

汽转球作为第一个把蒸汽压力转化为机械动力的装置而闻名于世，它也许是最早应用喷气反作用原理的装置。

图1.神奇的阿基米德螺旋管

这时期在流体机械和动力机械方面的发展是，首先扩大了桔槔式提水工具和吊桶式水车的使用范围；创造了涡形轮和诺斯水磨等新的流体机械，前者靠转动螺纹形杆，将水由低处提到高处，主要用于罗马城市的供水，后者用来磨谷物，靠水流推动方叶轮而转动，其功率不到半马力。

功率较大的有维特鲁维亚水磨，水轮靠下冲的水流推动，通过适当选择大小齿轮的齿数，就可调整水磨的转速，其功率约三马力，后来提高到五十马力，成为当时功率最大的原动机。

图2.最基本的压力泵现在还在用，和希腊罗马的几乎无改变，经典设计

利用活塞和气缸制成的压力泵和吸水泵，在此时期也有发展。

最早出现的是用来灭火的菲罗压力泵，后来又有了从井中提水的吸水泵和压力泵，以及罗马人用于灭火的双筒柱塞泵。

图3.这个古罗马双筒柱活塞泵看上去是不是很工业化？

图4.希望以上资料对你有所帮助，附励志名言3条：

图5.1、上帝说：

你要什么便取什么，但是要付出相当的代价。

图6.2、目标的坚定是性格中最必要的力量源泉之一，也是成功的利器之一。

没有它，天才会在矛盾无定的迷径中徒劳无功。

图7.3、当你无法从一楼蹦到三楼时，不要忘记走楼梯。

要记住伟大的成功往往不是一蹴而就的，必须学会分解你的目标，逐步实施。

图8.