中古時期——創造天工2
製作冶煉鼓風裝置的杜詩
杜詩（？～38年），字君公。生於東漢時河內汲縣，即今河南省衛輝。東漢官員及發明家。他在任南陽太守任上，創造水排，用力少而見效多。
他還主持修治陂池，廣開田池，使郡內富庶起來。當時南陽人稱讚他為“杜母”。
杜詩青年時期就才能出眾，在河內郡任吏員時，人們讚揚他處事公平。漢光武帝初年，為侍禦史。當時有個將軍放縱士兵，在洛陽民間為非作歹，老百姓惶恐不安。杜詩通告這位將軍約束部下，但他不予理睬。杜詩下令依法懲處，並將經過情形向上彙報，得到表揚。
光武帝見他能幹，又派他去河東郡誅剿降叛亂勢力。杜詩到了河東郡，聽說叛軍企圖北渡，立即派人設法焚燒掉他們的渡船；另又派人收服河東郡的地方軍，並進行突然襲擊，終於殲滅了叛軍。
杜詩在任成皋令的3年間後，因政績斐然，累次升遷，最後至南陽郡太守。在南陽郡任職期間，更是政治清平，政化大行。杜詩為官兩袖清風，病死時竟貧困得無田宅，最後由朝廷賜賻才得以喪葬。
杜詩做了兩件在科學技術史上有意義的事，一是興修水利；一是製作水排。
杜詩在水利事業上作出了很大貢獻。秦漢時期，長江長江流域的灌溉以漢水支流唐白河地區的發展最為顯著，而唐白河的灌溉又以今河南省的南陽、鄧縣、唐河、新野一帶較為發達。
唐白河地區為衝積平原，年降雨量約900毫米左右，氣候溫和，適於作物生長。這裏開發較早，到西漢中期經濟已相當發達。農田水利在西漢後期有突飛猛進的發展。
漢元帝時，即公元前48年至公元前33年間，南陽太守召信臣對此地的水利和農業生產有特殊貢獻，因而受到當地百姓的擁戴，被譽為“召父”。
至東漢時期，南陽水利事業進一步興盛，杜詩在這方麵也做出了很大成績。據史載，杜詩“修治陂池，廣拓土田，郡內比室殷足”。
杜詩采取的水利措施，有力地促進了當地農業生產的發展。當時的南陽人稱讚說：“前有召父，後有杜母。”
最能體現杜詩創造力的是他製作的水排。最初的鼓風設備叫人排，用人力鼓動。繼而用畜力鼓動，因多用馬，所以也叫馬排。
直至東漢初年，南陽太守杜詩經過實際考察，發明了一種利用水力鼓動風箱的工具，即稱為水排。杜詩發明水排，一改我國傳統的冶煉鼓風裝置，大大提高了勞動效率。
所謂“水排”，就是利用水力推引鞲韝鼓風的器具，用於冶金。水排是我國古代一種冶鐵用的水利鼓風裝置。
人類早期的鼓風器大都是皮囊。一座爐子用好幾個囊，放在一起，排成一排，就叫“排囊”用水力推動這些排囊，就叫“水排”。
生鐵的早期發明，是我國對世界冶金技術的傑出貢獻。要獲得液態生鐵，需有較高的爐溫。有風就有鐵，而鼓風技術對於生鐵冶鑄的發展有著極重要的意義。
《禮記》說：“良冶之子，必學為裘。”從商周以來，都用皮囊鼓風，子繼父業，年輕工匠必須學會縫製皮囊的技巧。說明早期冶鑄匠師高度重視鼓風器具的製作。
《後漢書·杜詩傳》說杜詩造作水排，鑄為農器，用力少，見功多，百姓便之”。水排的功效不僅比人排，就是比馬排也高得多。
南陽自戰國時，就是著名的冶鐵基地。漢武帝曾在此設鐵官，據發掘材料，南陽郡內有漢代冶鐵和鑄造作坊5至7處，從事冶鐵者世代相傳，在鼓風冶鑄方麵積累了豐富經驗。
在水排之前，早已使用水碓舂米，杜詩總結了這些經驗發明了水排。正是由於杜詩的倡導，水排在南陽地區已較多地使用。
杜詩創製的水排，具體的結構當時缺乏記載，直至元朝王禎在他著的《王禎農書》中，才對水排作了詳細的介紹。書中說：
其製，當選湍流之側，架木立鈾，作二臥輪；用水激下輪。則上輪所用弦通繳輪前旋鼓，棹枝一側隨轉。其棹枝所貫行桄而推挽臥鈾左右攀耳，以及排前直木，則排隨來去，揙冶甚速，過於人力。
意思是說，選擇湍急的河流的岸邊，架起木架，在木架上直立一個轉軸，上下兩端各安裝一個大型臥輪，在下臥水輪的輪軸四周裝有葉板，承受水流，是把水力轉變為機械轉動的裝置。
在上臥輪的前麵裝一鼓形的小輪，即“旋鼓”，與上臥輪用“弦索”相連，這相當於現在的傳送皮帶；在鼓形小輪的頂端安裝一個曲柄，曲柄上再安裝一個可以擺動的連杆，連杆的另一端與臥軸上的一個“攀耳”相連，臥軸上的另一個攀耳和盤扇間安裝一根“直木”，即相當於往複杆。
這樣，當水流衝擊下臥輪時，就帶動上臥輪旋轉。由於上臥輪和鼓形小輪之間有弦索相連，因此上臥輪旋轉一周，可使鼓形小輪旋轉幾周，鼓形小輪的旋轉又帶動頂端的曲柄旋轉，這就使得和它相連的連杆運動，連杆又通過攀耳和臥軸帶動直木往複運動，使排扇一啟一閉，進行鼓風。
杜詩水排不僅運用了主動輪、從動輪、曲柄、連杆等機構把圓周運動變為拉杆的直線往複運動，還運用了皮帶傳動，使直徑比從動輪小的旋鼓快速旋轉。它在結構上，已具有了動力機構、傳動機構和工作機構三個主要部分，因此實際上可以看做是現代水輪機的前身，水排的出現標誌著我國複雜機器的誕生。
遠在1400多年以前，就能創製出這樣完整的水力機械，確實顯示了我國古人的高度智慧和創造才能，在世界科技史上占有重要的地位。在歐洲，使用水力鼓風設備的鼓風爐到11世紀才出現，而普遍使用卻是14世紀的事了。
水力鼓風有十分重要的意義，促進了冶鐵業的發展。水排不但節省了人力、畜力，而且鼓風能力比較強，增強了風力在爐裏的穿透能力。這一方麵可以提高冶煉強度，另一方麵可以擴大爐缸，加高爐身，增大有效容積。
這就大大地增加了生產能力。足夠強大的鼓風能力，足夠高大的爐子，是煉出生鐵的必要條件。歐洲人能在14世紀煉出生鐵來，和水力鼓風的應用是有一定關係的。水排的發明是人類利用自然力的一次偉大勝利。
杜詩創製的水排，是我國古代的一項偉大的發明，是機械工程史上的一大發明，在我國古代冶煉工藝發展史上具有裏程碑的意義，也在世界科技史上占有重要的地位。
[旁注]
河內郡 我國古以黃河以北為河內。漢高祖即位時設置殷國，次年改名為河內郡，位於太行山東南與黃河以北。201年，司馬懿為河內郡的上計掾。河內郡有平姓望族，世稱河內望。
河東郡 秦置，治安邑，在今山西夏縣北，晉移治蒲阪，在今山西永濟縣東南，隋廢，尋複置，即今永濟縣治，唐改蒲州，複改為河中府，東晉僑置南河東郡，南齊曰河東郡，隋廢，故治在今湖北鬆滋縣西。
南陽郡 我國古代的一個行政區，秦朝始設，治所在宛縣，即今河南南陽；至唐代改為鄧州。東漢時，漢光武帝劉秀發跡於南陽，建都洛陽，定宛城為陪都，又稱南都。劉秀和其主要將領大部都出生南陽一帶，故南陽又稱“帝鄉”。
唐白河 唐白河由唐河、白河兩條主要分支組成。白河發源於河南嵩縣攻離山；唐河發源於河南方城縣七峰山的北柳樹溝。白河與唐河在湖北省襄陽縣龔家嘴彙合後，始稱唐白河。唐白河流域大部位於河南省南陽地區，為“南陽盆地”所在，是重要的農業區。
鞲韝 即活塞，唧筒裏或蒸汽機、內燃機的氣缸裏往複運動的機件。作用是把蒸氣或燃料爆發的壓力變成機械能。“鞲韝”是西方傳入的蒸汽機活塞的早期譯名，一度廣為使用。隨著現代科技術語翻譯規範的推行，“鞲韝”已經被通俗的用法“活塞”取代。
鐵官 我國秦漢時期管理鐵的冶鑄事業的機構。古代官職與機構往往同名，鐵官一詞有時也指官職。漢代冶鐵手工業空前發展，管理冶鐵的機構擴大，職官組織也係統化，地方郡、縣、侯國設鐵官50處，產鐵的縣設大鐵官，不產鐵的縣設小鐵官。
水力機械 將水能轉換成機械能輸出或將機械能轉換成水能輸出的機械。如漢代杜詩的水排。後來的水輪機、水泵水輪機、蓄能泵、水泵和水輪泵等也屬於水力機械。
漢元帝 （前74～前33年），名劉奭。公元前49年繼位，在位16年，諡號“元帝”，廟號高宗，葬於渭陵。宣帝是“中興之主”，維持了西漢平穩發展的局麵，但從元帝開始，西漢開始衰落，所謂“元、成、哀、平，一代不如一代”。
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杜詩是個具有多方麵才能的人。杜詩做侍禦史時，當時有個將軍叫蕭廣，他放縱士兵，在洛陽民間為非作歹，老百姓惶恐不安。杜詩通告蕭廣約束部下，蕭廣不予理睬。
杜詩下令按法誅蕭廣，並將經過情形向上彙報。光武帝見他能幹，又派他去河東郡誅剿降漢複又叛變的楊異等人。杜詩到了那裏，聽說楊異率部下企圖北渡，就立即派人設法焚燒掉他們的渡船；另又派人收服河東郡的地方軍，並進行突然襲擊，終於殲滅楊異等人。
機械發明與製造專家馬鈞
馬鈞，字德衡，生於扶風，即今陝西興平，三國時期的著名機械製造專家。
他具有高超的製造技巧，發明和製造了織綾機、水車、指南車等多種機械，成為我國古代非常有名的機械發明和製造專家，為古代機械製造技術的發展做出了巨大貢獻。
馬鈞從小善言談，喜歡思索，善於動腦，同時注重實踐，勤於動手，尤其喜歡鑽研機械方麵的問題。他早年生活比較貧困，長時間住在鄉間，比較關心生產工具的改革。他雖然一生不大得誌，但刻苦鑽研，設計製造出多種機械。
馬鈞生活在封建軍閥混戰、社會動蕩不安的東漢末年。在當時，魏、蜀、吳三國的統治者，為了增強自己的力量，都比較注意恢複和發展生產，而恢複和發展生產，就需要解決生產中遇到的一些技術問題。
而馬鈞恰恰生於曹魏統治下的扶風，這裏地處渭河平原，農業和手工業生產都比較發達，是一個經濟繁榮的地區。他為了解決生產實踐中的問題，搞出了許多科學技術發明。
馬鈞的成名，是在他到京城洛陽做官之後。魏明帝曹叡在位時，他在魏國朝廷裏擔任博士。根據史書上的記載，馬鈞擔任博士時，生活仍然比較貧困。為了擺脫困境，他潛心鑽研技術，希望能在這方麵有所作為。馬鈞的發明創造，就是這時從改進織綾機開始的。
織綾機是我國古代一種織絲機具，能織出提花的絲織品。在當時，這種織綾機，每台有50組或60組經線，需要120個踏板。織成一匹散花綾，要用兩個月時間。
由於工序複雜，費時費力，因此織出來的綾，價錢很高，“匹值萬錢”，普通老百姓根本買不起。馬鈞決心將這種織綾機加以改良。他經過深入鑽研，多次試驗，終於改製成功，造出了新式的織綾機。
馬鈞改製的織綾機，把原來織機上50組或60組經線合並成12組，這樣，隻需要安裝12個踏板就行了。同時，他還在織機上設計安裝了一些別的裝置，使之操作起來更為靈便。
經過馬鈞的改進，新織綾機不僅更精致，更簡單適用，而且生產效率也比原來的提高了四五倍，織出的綾錦，花紋圖案奇特，花型變化多端，受到了廣大絲織工人的歡迎。
新織綾機的誕生，是馬鈞一生中最早的貢獻，它不僅推動了我國古代絲織技術的發展和提高，而且為後來製造和推廣家庭使用的織布機奠定了基礎。
如果說馬鈞發明的織綾機的改良推動了手工業生產的發展，那麼，他發明的“翻車”則極大地推動了農業生產的發展。
當時，洛陽城裏有一塊空地，很適合於種植蔬菜。但是因為這裏的地勢較高，無法引水灌溉，所以一直荒蕪著。馬鈞看到這種情況，覺得讓這塊可耕地荒蕪下去，非常可惜。於是，他為了把這塊荒地改成菜園，決心研製一種提水工具，解決灌溉問題。