一本数学书 为《西游记》玉华州铁匠证清白

  熟铁虽可锻打,但其内部结构松散,质地较软,需进一步锻打成钢才能制造优质兵器。反复加热、锻打、折叠,可以尽可能去除铁中含镁、铝、硅、钙等元素的杂质,让其质量变得越来越好最终成钢。从生铁到熟铁,再从熟铁到钢,锻打过程都会让其重量减少。

  阿基米德以发现浮力定律而在科学史上赫赫有名,这个发现相传来源于叙拉古国王怀疑一顶金王冠的纯度,于是委托阿基米德查明此事。最终阿基米德运用刚发现的浮力定律,测出制作王冠的工匠偷窃了黄金,代之以杂质。从《西游记》里,我们也能看到一桩颇为相似的案件。它发生在第八十八回到第九十回,大致情节是悟空三兄弟在天竺玉华州收了三个小王子为徒,分别传授武艺,王子们组织铁匠仿造悟空等人的兵器,制造期间黄狮精把金箍棒等盗走,铁匠一度被怀疑为盗窃犯。经过一番波折,金箍棒等神兵被找回。铁匠的盗窃嫌疑虽被洗清,但书中透露的两组数字却让他们有了贪污的嫌疑:

  王子又随宣召铁匠,买办钢铁万斤,就于王府内前院搭厂,支炉铸造。先一日将钢铁炼熟,次日请行者三人将金箍棒、九齿钯、降妖杖,都取出放在篷厂之间,看样造作,遂此昼夜不收。

  又见那铁匠人等造成了三般兵器,对行者磕头道:“爷爷,小的们工都完了。”问道:“各重多少斤两?”铁匠道:“金箍棒有千斤,九齿钯与降妖杖各有八百斤。”

  制器之初,钢铁万斤,造成之后,3种兵器的重量合计只有2600斤,两者相差7400斤。读到此处,不免有读者产生疑问,这相差悬殊的数字,是否意味着铁匠们偷偷搬走铁料,充实了自己腰包呢?

  原料的消耗有多少

  欲判断从原料到产品的产出比是否合理,需知道古代从炼铁到打铁,通常会消耗多少原料。

  从原文可看出,铁匠在造作之前,要花一天时间将铁炼熟,所以王子最先买的万斤都是生铁。生铁就是把粉碎的铁矿石与起还原剂作用的煤粉等混合,得到的含碳量大于2%的产物。它只能铸不能锻,要制作兵器必须再精炼成熟铁。中国传统上使用“炒钢法”来得到熟铁,即在炒炉里鼓风让生铁熔化,并通过搅拌让其脱碳。

  以新中国成立前后仍流传于山西等地的“地炉式”炒炉为例,操作者先把木炭、木柴等装入炉缸内,点燃鼓风烧旺,再加入生铁,这些生铁既可以是刚刚从矿石冶炼出来的,也可以是回收利用的铸铁锅碎块。操作者把炉门堵塞,继续鼓风加热,生铁会逐渐烧成红色,这时开始用铁棍搅拌,当生铁进一步烧得发白时,再用力搅拌,让它形成半熔融状态的团块,搅拌可以让生铁所含的碳与空气中的氧结合逸去,从而降低其碳含量。随后,操作者用火钳把团块取出,锻打挤出杂质,经过几次回炉加热、重打,最终形成铁锭或板条。

  熟铁虽可锻打,但其内部结构松散,质地较软,需进一步锻打成钢才能制造优质兵器。反复加热、锻打、折叠,可以尽可能去除铁中含镁、铝、硅、钙等元素的杂质,让其质量变得越来越好最终成钢。成语有云“千锤百炼”,就源于这个过程。从生铁到熟铁,再从熟铁到钢,锻打过程都会让其重量减少。对此北宋沈括记载道:凡铁之有钢者,如面中有筋,濯尽柔面,则面筋乃见,炼钢亦然。但取精铁锻之百余火,每锻称之,一锻一轻,至累锻而斤两不减,则纯钢也,虽百炼,不耗矣。

  关于炼钢损耗,从成书于8世纪末的现存本《夏侯阳算经》里可略窥一二。该书中炒得的熟铁称作黄铁,有两题与之相关:今有生铁6281斤,欲炼为黄铁,每斤耗5两,问为黄铁几何?答曰:黄铁4318斤3两。现在有黄铁4318斤3两,欲炼为钢铁,每斤耗3两,问钢铁几何?答曰:钢铁3508斤8两10铢5絫。

  《夏侯阳算经》把炼钢分成两步,第一步从生铁炼熟铁,产出率为11/16,第二步从熟铁炼钢,产出率为13/16,总计从生铁到钢,产出率约为55.9%。

  《夏侯阳算经》是数学书,它里面的数字能否反映炼铁的实际效率呢?从工艺调查和历史记载来看,倒是相差不多。例如20世纪50年代,学者们在云南调查的毛铁炉炒钢,从生铁炒成熟铁后,损耗三分之一,与“每斤(16两)耗5两”接近。明末的宋应星在《论气》中说,“凡铁……初入生熟炉时,铁华铁落已丧三分之一”,在《天工开物·锤锻》里又说,“凡出炉熟铁,名曰毛铁,受锻之时,十耗其三”。其比例与前面都接近。如果取宋应星和云南调查数据,生铁炼熟铁要损耗1/3,熟铁炼钢损耗30%,则产出率约为46.7%。

  从46.7%到55.9%,可视为传统炒钢工艺的生铁产钢率范围。代入到《西游记》玉华州的情况,工匠从万斤生铁可得钢约5000斤。

  如果用熟铁打制兵器,需要反复折叠锻打,让结构变得致密,增加其强度。如已准备好优良钢材,那么锻打过程就可精简一些。这个环节材料的损失主要是锻打时去除钢材表面的氧化皮,也就是我们旁观打铁时,被铁锤砸落的暗色小块。当然,产品质量也不一定只能减,不能增,对于已经磨损严重的兵器,铁匠也可以取其他钢材,把它们再重新打到一起,日久天长,反复折叠锻打,兵器上就可能呈现出弯曲回转的美丽花纹。

  这道工序造成的损耗视产品种类而定。比如木工所用的刨刃,恰需要利用熟铁的松散性,锻打次数较少,凿子小刀等质地就密实很多,刀剑等则可达“九炼”“七十二炼”乃至“百炼”。锻打次数越多,砸掉的氧化皮也越多,损耗也越大。据有经验的师傅告知,要得到质量上等的刀剑,在前一步基础上还可能耗费材料约20%。也就是说,5000斤钢出的兵器,总重量应在4000斤左右。

  这么看来,玉华州的铁匠给出的产品确实不够足斤足两,比合理情况还要少约1400斤。也许他们把剩余原料交还给官府,但作者并没有记下这件与取经关系不大的闲事,再联系兵器被盗的波折给工匠们带来的警示,他们下手贪污的可能性实在不大。

  铁棒为何重千斤

  如果我们搜集《西游记》一书里的有关数据,会发现,工匠打出的千斤铁棒,恰好对应于孙悟空金箍棒的常用尺寸。

  金箍棒有多重?《西游记》第三回提到它上面铭文记录“重一万三千五百斤”,书里没说悟空的使用体验有什么变化,我们可以认为它的重量保持恒定。金箍棒的材料是“神珍铁”,含义或是随其体积按主人心意伸缩的同时,密度相应可大可小。那么孙悟空惯用什么规格的铁棒呢?《西游记》第五回说孙悟空大战九曜星君,晃一晃铁棒,“碗来粗细,丈二长短”。第八十八回他给小王子们演示武艺时,也是“碗来粗细,有丈二三长短”,看来这就是悟空实战中的金箍棒尺寸了。

  值得一提的是,悟空平常身高只有4尺,“丈二”即12尺,悟空站在地上只能手持棒的一头,因此他不会像戏曲、电视剧里所演的那样站着舞棍,第八十八回他是在半空“离地约有三百步高下”处,撒开架势表演的。

  一丈为10尺,明代常用营造尺为32厘米,“丈二”相当于3.84米。“碗来粗细”是多粗呢?各地博物馆收藏有不少传世和发掘出的明代碗,从故宫博物院等藏品资料,可看到明代大碗口径多为27—30厘米,茶碗或小碗口径多在10厘米左右,大小适中的碗口径多为15—20厘米。如果我们取16厘米为“碗来粗细”,那么就能算出整条棒的体积约77.2立方分米。

  玉华州仿造的铁棒可不是神珍铁,其密度只能是接近于致密的纯铁或钢,即约7.8克/立方厘米,这样可算出如按悟空日常所用棒一模一样的尺寸仿造,铁棒总重量约为602千克。明朝的一斤又有多少呢?据度量衡史学者考证,其重量相当于现在的596.8克,如此则仿造铁棒合1009斤,恰与书中所说“千斤”相差无几。

  (作者系中国科学院自然科学史研究所副研究员)

  来源:科技日报

古代的天文历法是以直观感觉的现象,去建立天文观察的历法,以太阳升起和降落一次称之为“日”;以月亮的圆缺变化一次称之为“月”;以寒来暑往、草木枯荣一周期称之为“年”。期三百有六旬有六,以闰月四时成岁《尚书尧典》。以天干地支记岁法推算年龄,并以12种动物(鼠、牛、虎、兔、龙、蛇、马、羊、猴、鸡、狗、猪)形象相属对应记年龄。使每一个人都有固定不变的属相。每一个人,不论你的生命的一年中占有多大份额,哪怕是一天,也必须是一个属相年岁就算一岁。由于受时间、空间和文化科学知识的限制,认识事物从比较原始性的思维出发,即一种较为低级的形象思维,把一个物体作为一个整体看待如1块石头、2块石头、3块石头,而无法抽象化思维理解成1、2、3的数字概念,不能理解年、月、日是一种时间现象。把“年”、“岁”作为一个具体物体,这一“先验性论”就把一个年岁作为增加一个岁数。虽然人类的思维从形象思维已过渡到抽象思维,但由于有“宁卖祖宗田,不卖祖宗言”(言指铭言属用)的传统一直流传下来,所以从出生、上族谱、上新丁、入学、做生日、寿终等,一直以来还用虚岁来计算岁数。 https://t.cn/RJPse79

窗外的工地(二)
         今天中午,照例在从学校吃过午饭后回到一两公里外的家属区休息(其实学校到家属区的直线距离就二三百米,只是学校太大,学校的大门靠东边,家属区的门目前又在西边。所以来来回回要走一大截路)。同样也是在一点四十多到家,然后换鞋、脱衣服,等两点左右上床准备午休。如若往常,此时窗外工地上的工人刚好也该下班吃饭休息。待下午三点二十左右,工地上的工人又开始下午的工作,人声刻渐嘈杂,间或钢筋碰撞的声音、塔吊启停的声音,而我也刚好伴着这特殊的闹铃醒来,起床穿衣,背包穿鞋出门。我将我的时间和他们的时间计算融合的如此完美。

只是今天不同往日,因为窗外工地上的工程进入到了一个特殊的阶段———“浇顶”。这是一个简单的不能再简单的工程工序,只需要工地上少数人参与就可以完成。但该工序也有一个特点和特殊的要求,那就是中间不能停。
        所谓“浇顶”就是将混凝土倒入楼层与楼层之间钢筋框架结构浇筑塑形。包括屋顶、楼顶、楼梯、承重立柱等,均是钢筋架内倒入混凝土浇筑完成,所以这个工序形象的被称之为“现浇顶”。因为混凝土从凝固到彻底固化,有科学的时间。所以一层楼的楼顶一旦开始浇筑,中间绝对不能停,最起码不能长时间停。否则会影响整层楼甚至整栋楼的整体安全性。
          我从中午返回,窗外就一直有大型的设备在进行浇顶作业,下午离开时工作还在继续,现在已近凌晨,工作也还未停。我撩窗俯瞰,恐怕他们得到一两点才可以彻底收工。工地和我的卧室不过一墙之隔,确切说是只隔了一层玻璃。混凝土向外喷涌落地的声音,震动棒搅拌的声音,各种机器加油时马达的轰鸣声,以及工人们在如此环境下高声交流的声音,各种声音交织到一起。组成了一曲曼妙的工地交响曲。
         还好靠近工地的这两栋楼住的人不是很多,否则此刻楼里面的咒骂声可能会冲破楼顶的。而我之所以对窗外工地的嘈杂声充耳不闻,是因为我曾辗转几个工地打工,太熟悉浇筑这个工作阶段的特性了,对工地、对建筑工人也有特殊的感情。
          之所以说“浇顶”特别简单,是因为这个工序进行时,其他工作已全部停止,或者说其他工作相互配合进行到一定程度才能进行浇顶。比如楼顶所有的区域均按图纸设计,用粗细、形状、形制、作用不一的钢筋组成,这一工序需要钢筋工配合完成。钢筋工也分很多种,懂技术的师傅们会看图纸,依图纸将粗细不同的钢筋截成小段,再加工成各种形制的“圈套”,虽叫圈套,多为方形。然后由塔吊运到各个位置进行绑固。而绑钢筋则属于钢筋工里最没有技术含量的活了。
         除了钢筋工,最主要还得是木工。所有钢筋架均为中空结构。这就需要木工师傅用专用的模板将钢筋架三面包裹起来,行里话叫“支盒子”。工地上木工们,人手一把斧头,一头用来砍削,一头用来敲砸,因为支盒子用的模板多为金属所制,所以支盒子时师傅们会不停的敲打,以确保板与板之间没有缝隙,那叮叮当当的声音,曾在不同的季节,不同的地域,出现在我不同年纪里,时隔多年,现在听起来仍觉得亲切熟悉。
         木工和钢筋工联合组成楼顶的钢架,这时候就剩下浇筑了。在浇筑的过程中还有一个重要的工序———融合震动。混凝土由砂子、水泥、石子(工地上叫石硝)加水混合而成,砂子水泥与水提供黏性,石子负责硬度,而后倒入钢筋框架内,还需要震动棒的震动才能让混凝土和钢筋实现零距离粘合,最终合为一体。震动棒是一种特殊的装置,由电机和产生震动效应的棒头组成,功率很大,工作时会发出嗡嗡的声响。

工程浇顶时,大部分的工人可以歇班休息。记得自己刚去工地干活时就很期待浇顶时刻,因为可以名正言顺的休息。工地的活很累人,工时也特别长并且一般不能请假。所以对于当时十六七岁的我来说,经过十余天的连续劳作后能休息上那么半天,会是多么惬意的一件事情。

现在机械化越来越发达了,记得当时我在工地上干活时,还没有专门传送混凝土的设备,只能用一个大型的钢制漏斗装混凝土,然后由塔吊转运到相关位置。很多位置还需要人工用铁锹才能完成。加上中间不能停的特殊性,有时会没日没夜的干。再看看窗外的工地,专门拉送混凝土的罐车,然后直接倒入到混凝土的输送装置,之后混凝土便可以到达工地的任一个角落。再回想自己当年拿着铁锹向钢筋柱子里填混凝土的场景,画面历历在目,内心也止不住悸动。恍惚间,那也是很多年前的事了。

此刻,窗外工地上的声音消失,人和车辆也都撤去,想是楼顶已浇筑完成。所有的工人们,各司其职,用辛劳和汗水获取酬劳,用爱和坚韧拥抱人生,回馈家庭。所以,工地上师傅们锤头的每一下敲打,塔吊师傅升降开关的每一次按拧,小工们的每一块砖每一锨石灰…,都像是今天楼顶的浇筑。不同的是工人们浇筑的是家庭的幸福,是妻儿的守望,是一群人的翘首与光明。而这一切,仅靠双手,仅凭勤奋与激情。


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