世界科学技术全景百卷书,发动机革命

日期:2019-08-16编辑作者:现代文学

  至于说到蒸汽机在理论上和实践上都取得重大突破,这个问题,要等到将近半个世纪以后,由瓦特对它进行深入地研究,并和当时的物理学家进行探讨以后,才发生了根本性的变化。

  1763年的一天,机会终于来了。学校将一台坏了的纽科门蒸汽机模型交给瓦特修理。已对这种蒸汽机的构造了如指掌的瓦特并不满足于照原样把它修好,而是对它深入细致地进行了研究。瓦特从此走上了长达数十年的改进、研究、制造、经营蒸汽机的道路。世界也因瓦特的杰出贡献而完成了伟大的第一次工业革命。

  拿18世纪初出现的纽科门蒸汽机来说,仍旧是工匠出身的手艺人用手工攒合起来的工匠工艺水平的产物,比中古时代的制作水平高不了多少。他的那种蒸汽机,28英寸口径的汽缸和活塞之间压根儿没有能紧密吻合,而存在着0.5英寸左右的间隙。为了弥补纽科门蒸汽机的这种缺陷,人们在活塞的顶部浇一层水来封闭缝隙。这样做的结果,蒸汽机虽说可以工作,但却降低了机器的效率,因为水使汽缸的温度降低,势必要浪费其中的一部分蒸汽。

  然而瓦特毕竟是瓦特,由于对发明的执著追求,并有布莱克教授的帮助以及工厂主罗巴克、博尔顿等人经济上的合作,终于使他一步步度过了难关,过了7年 (1776年),瓦特在蒸汽机改进上又取得了重大进展。首先,他利用了威尔金发明的能精密加工大炮炮筒的镗床来加工汽缸,使汽缸与活塞配合更加紧密,从而大大减少了漏汽。其次,是扩大了应用范围。从给煤矿抽水,扩大到冶金、开采金属矿等。这时的蒸汽机燃料消耗只有原来的 1/3,功率也大为提高了。于是,求购订单接踵而来。到1780年,仅仅4年时间,就制造销售了40台,使瓦特精神上受到极大鼓舞,经济上的困难也大大缓解了。

  这一切,联系得是多么巧妙,又是多么的隐蔽,前来敬奉神明的虔诚信徒,怎会想到它是由在祭坛上点着的火来操纵的呢?!

  “平行四边形”的部件,改进了活塞杆与摇臂的联接方法,从而获得了第四项专利。

  默多克后来成为索博工厂中负责安装、检查、修理蒸汽机的工头,在《简明不列颠百科全书》及阿西莫夫著作《古今科技名人辞典》中,都为他单立了条目,认为他也是一位发明家。

  人类智慧有一个最大的特点,就是能够利用大自然的力量来为自己的生存服务。

  到此为止,瓦特完成了对蒸汽机的整个发明过程。

  瓦特的智慧和天才来自他长期的实践和劳动,来自他的刻苦学习,来自欧洲十八世纪以来各种优秀文化、科学成果的哺育。而这一切,都为他后来的发明创造奠定了极为坚实的基础。

  让我们来比较一下瓦特改进的蒸汽机与纽科门的蒸汽机有什么根本上的区别。

  水蒸汽的这些特性,许多普通人都熟视无睹。但一些有学问,或长期从事制作的能工巧匠们却想到了利用它。

  议会组织了一个负责调查的委员会来核实瓦特的申请。他们听取了瓦特第一位合作者罗巴克的证词,罗巴克以第一位认识到这项发明实用价值的身份,很公正地指出:

  1761年前后,瓦特就开始把注意力转移到改进当时的纽科门蒸汽机上了。他先后做过数次实验,但没有成功。由于工作的限制,他也没有机会深入研究。

  1765年,瓦特经过改进后试制出的模型实验以后表明,蒸汽机的热效率比纽科门的蒸汽机提高4~6倍,而耗煤量却节省四分之三。

  这里有个很困难的矛盾需要解决:用水蒸汽顶活塞往上做功时,必须使汽缸保持 100℃以上的高温,而为了使缸内产生真空,把活塞往下吸引,又要使汽缸冷却的温度越低越好。这个问题使瓦特伤透了脑筋。他像个呆子一样,走路想,吃饭想,睡觉也想。

  瓦特从布莱克的“潜热”理论中获得了启发:纽科门蒸汽机的要害就在那蒸汽缸上面。它的汽缸既容纳从锅炉里喷出来的蒸汽,然而,当蒸汽注满以后,又要立即喷上冷水,使蒸汽冷凝才能产生真空利用气压的压差去推动杠杆。这样,汽缸一会儿需要加热到充满蒸汽的程度,一会儿又要浇凉到使蒸汽完全冷凝的程度,更何况将浇开的水加热成水蒸汽,还需要相当多的“潜热”,那当然得多烧很多的煤啦!再说,这样用冷水去浇汽缸而使蒸汽冷凝的方法,所得到的冷凝效果也是不充分的,原来那没有产生做功作用而白白烧掉的四分之三的煤,都消耗在既作为汽缸,又完成冷凝功能,一物两用的汽缸兼冷凝器上面啦!

  纽科门大气压力蒸汽机的工作原理是这样的:它的主要工作部件汽缸与活塞,合起来很像一个自行车打气筒。活塞可在汽缸里上下移动。是什么力量让活塞移动呢?当锅炉里的水烧开后,产生的水蒸汽就以很大的力量冲进汽缸,这样就把活塞顶上去了。这时,把第一个开关关掉,气断,再打开第二个开关使冷却水进入汽缸,这样缸内蒸汽迅速冷却而变成水。由于缸内成了真空,就“吸引”活塞向下运动,于是完成了一个上下循环运动。再打开第二个开关,冷凝水就流出去了。以上动作只要重复进行,机器就可不断运动下去,活塞杆随活塞上下移动,力量很大,用它就可带动其他机器运动,为人们干活了。

  幸而在这时,瓦特从材料方面得到了后面我们将要介绍的“铁疯子”威尔金森的帮助,又从博尔顿的工厂里发现了一位聪明能干,能够很好配合的助手——工人默多克。坚持到1786年到1787年,索霍工厂终于偿还了所有的债务,并且开始赢利。

  1712年,一个铁匠出身的英国人,名字叫纽科门,他在总结前人经验教训的基础上,制出了一台利用水蒸汽力量做功的机器,还给它取了个名字:

  据记载,包尔祖诺夫设计的蒸汽机模型,早已复制出来珍藏在巴尔纳乌尔矿业博物馆里。

  瓦特仔细研究之后,发现这种蒸汽机最大的缺点是太浪费蒸汽。你看,汽缸外面光秃秃的,温度保不住,每运动一次,还要向缸里喷大量冷却水;为防漏气,还要在活塞上方注入密封水。这样汽缸内温度很难保持在 100℃以上,水蒸汽只好把大量能量消耗在加热汽缸壁上,真正做功的热能就很少了。据测算,纽科门蒸汽机只能利用1%的热量,就是说,烧100公斤煤,99公斤浪费掉了。

  有人说,博尔顿这一次得到了极大的便宜,他只用有限的金额就廉价购买了一项具有无限价值的权利。但当时,人们一般认为,罗巴克与瓦特签定那项合作生产蒸汽机的合同,只不过是为了那“一文钱都不值的机器”,因而不管博尔顿对这一发明抱有多么大的信心和希望,持怀疑态度的人仍然是坚信“那一切都还只是个影子,是纯粹的想象,要使它实现,还需要很多的光阴和金钱”。

  刻苦攻关

  1763年,瓦特终于得到了这个机会:格拉斯哥大学有一台教学用的纽科门蒸汽机坏了,虽然曾经把送到伦敦去找名匠修理过,可取回来后不久又不运转了,于是送给瓦特修理。

  “大气压力蒸汽机”。当纽科门把它用于煤矿抽水时,一台机器竟能顶上二三十匹马的力量,而且只要换人不断烧火操作,它可以不休息地昼夜干活。

  当然,也不必回避,在西方,当介绍蒸汽机的这段发明史时,既没有人提到在18世纪的俄罗斯曾经建造出那么大型的蒸汽机并投入生产实用,更没人知道包尔祖诺夫其人,造成这种结果,一方面是由于这种发明只不过是昙花一现,未能得到社会的承认,而更主要的一主方面,正如俄罗斯科技史学家奥尔洛夫所慨叹的那样:“为什么俄罗斯发明会给埋没,它的天才的发明家的姓名也给忘却呢?”“这要怪当时俄国当政的人们。他们不认识也不热爱自己的国家和自己的人民,他们只知道摹仿别人的习惯和时尚,拜在外国的 ‘新奇事物’面前。”这种分析确令人产生有“一针见血”的同感。

  有一天,他突然想到,为什么不能把汽缸里的蒸汽引到别处去冷却呢?这样不就既可保持汽缸温度,又可使蒸汽冷却产生真空吸力吗!根据这个思路,他去掉了冷却水管路,并把冷凝水收集池改进成能使蒸汽迅速冷却的装置,取名“冷凝器”。这时,只要始终保持冷凝器的低温,就可使蒸汽不断冷凝成水而产生足够的真空把活塞吸下来。

  再就发明的原理看,萨弗里是同时利用了蒸汽的张力和大气的压力,而纽科门没有利用蒸汽的张力,只是利用蒸汽经过冷凝而使气缸产生真空这一特点。所以有人认为,严格地说,纽科门设计的蒸汽机,取名为气压机会更贴切些。

  远古时代,人类的祖先是怕火的。当雷电引起了森林大火时,他们和其他动物一样纷纷逃走,以躲避这个能把整片森林吞掉的怪物。但后来,人们却认识了它,掌握了它,并利用它为自己服务:烧烤食物,取暖,烧掉树林和荒草然后开荒种地。这是人类学会利用的第一种伟大的自然力——火。这也成了人类最后脱离动物界的重要标志之一。

  希罗最著名的发明是用蒸汽推动的空心球。空心球是用铜做的,上面连着两个空心的、方向相反的弯管,把这个空心球卡在连通着蒸汽的管道上,当球下面的器皿里的水烧沸腾起来的时候,蒸汽进入那个空心球,然后从装在空心球上的两根弯管的管口喷了出来,因为两个管口的方向相反,两股相反的力形成一股扭力,这股扭力就会推动着空心球不停地迅速转动。

  前人的努力

  这就是瓦特最早提出单设一个冷凝器,使它与汽缸分离的方案,也是他杰出的发明,甚至认为是一项划时代的发明,至于产生这一发明思维的过程,后来瓦特自己回忆说:

  不平凡的身世

  博尔顿排除掉所有的怀疑和议论,坚定地要与瓦特合作。于是,瓦特在罗巴克那里试制的机器,因为没有达到预期的效果,已经被搁置了多时,现在它们被拆卸下来,运到了博尔顿的索霍工厂,瓦特立即着手进行修复工作,通过博尔顿所培养的熟练工人的帮助修理,终于在1774年11月,这台瓦特精心设计的蒸汽机能接近正常的运转了。

  呼唤大力士

  说到这里,不得不把话题稍稍扯得远一点儿,介绍一下当时在英国伯明翰市活跃的一个综合性学术组织——月光学会。

  詹姆斯·瓦特,出生于英国苏格兰的格林诺克城。祖父是教航海学的教师,父亲是一个熟练的修理、装配工人。瓦特幼年在家即受到良好的教育。上学时,他的数学成绩特别优秀。可惜,因从小体弱多病,没毕业就退学了。但他却在家自学了天文、化学、物理等多种知识,还从父亲那里学得了木工、机械制造、仪器修理等多种工艺技术。

  这样一个包括了科学家、制造家、企业家和新兴的职业工程师的不同身份的人聚集在一起讨论学术上的问题,也议论和研究商业上的合作,当然是一个综合性的学术组织,它反映了18世纪工业革命时期出现的科学与技术的合作,是一种历史上少见的新气象。

  在瓦特之前,就有过许多人去寻找这个“大力土”,但结果都不太理想。一些人开始想到了水蒸汽。人们都有这种经验:当一锅水被烧开时,不管盖子有多紧,水蒸汽都会冲出来,怎么也挡不住。如像现在的高压锅,气憋久了,还会发生爆炸。可见水蒸汽的劲儿不小。一些人还发现,在一个很热的密闭容器内的水蒸汽如果冷却变成了水,盖子是很难打开的(如现在人们常用来沏茶的带盖的玻璃杯,水凉后盖子极难打开)。这是因为容器内产生了真空,外边的空气想进去补充,把盖子压紧的缘故。

  1784年,瓦特又根据他发现的“瓦特的平行四边形”作用,申请了“平行连杆机构”专利权。1788年,又发明了离心调速器和节气阀;1790年,又完成了汽缸示动器的发明。

云顶娱乐 ,  这个机器在当时受到许多人的欢迎。但是它的缺点也是很严重的。因为,它还不是一种能在各个部门、各种场合普遍使用的、性能稳定的动力机械。而最后完成这一历史任务的,就是大名鼎鼎的瓦特。

  接着,包尔祖诺夫决定制造一部“火力机”,它“能够按照我们想要它做的工作来调整”。

  瓦特,终于找到了“大力士”——瓦特蒸汽机。在英国各地,到处都有它辛勤工作的身影。它不知疲倦,力大无穷,成为人们最忠实的“超人”朋友。

  瓦特由于体质一直虚弱,影响到他的性格常表现出迟疑、犹豫、懦弱和对自己缺乏信心,每当不利情况发生的时候,罗巴克总是以无比的热情在一旁鼓励他,推动他前进。

  200多年前的英国,是当时世界上最朝气蓬勃、最有活力的国家。资产阶级革命的胜利,为英国资本主义的大发展扫清了前进的道路。各种工业——采矿、钢铁、纺织、机械等大大发展起来。成千上万的劳动者集中到城市,从事各种劳动。许多很小的手工作坊已变成规模很大的手工工场,劳动效率也由于分工而提高了许多倍。

  历史进入18世纪中叶,将科学和科学家带入蒸汽机领域的,就是后来被大家所公认的蒸汽机发明家瓦特。

  人们还把力气很大的牛、马甚至大象驯服,为自己干许多重活:耕地,拉车,运木头……“弱小”的人,竟成了支配万物的神灵。

  那么,萨弗里在蒸汽机的这段科技史中有什么意义呢?

  那时候还没有发明用电呢,矿井中为了排水,人们就用马来拉动抽水机。可这是很不合算的,养马要花很多钱,马干一阵还要休息,为了连续不断抽水,就要轮班换马。因此,有的煤矿单单为了抽水,就要养四五百匹马!

  瓦特对蒸汽机的主要发明的重要性,他的专利的广告性,以及他与合作者善处的策略,这一切保障了瓦特赢得从1769~1890年在蒸汽机上享有的盛誉,尽管在他之前已经出现了在生产上加以应用的蒸汽机,而在他的同时代也有不少人对蒸汽机进行过研究,提出过各自的发明,但最终人们 (社会)终于还是承认瓦特是蒸汽机发明人。

  永不满足的瓦特,就这样无止境地改进着他心爱的蒸汽机。后来,他又给蒸汽机加上了飞轮;用“离心摆”自动控制蒸汽用量的大小,并使汽缸的整个进、排汽机构完全自动化,最后脱离了手工操作。这时的蒸汽机的功率在消耗同样燃料的情况下,比纽科门蒸汽机提高了6倍!转动非常平稳,性能也十分可靠,它几乎成了一件十分完美的工艺品,它成了能在各个工业部门普遍使用的、性能稳定的动力机械,它逐渐把几乎所有的“自然力”——风力、水力、马力排挤出了工业部门 (当然,后来风力、水力又有了新的应用)。

  他设计发明了一种利用蒸汽的抽水机。这台蒸汽机的工作原理,简单地说,是这样的:锅炉B里的水烧开以后,蒸汽从上面的管道送出,通过汽桶T,蒸汽挤压着汽桶里的水从通向上方的P'管中排出,待汽桶T里的水排空,蒸汽又冷凝以后,汽桶T变成真空状态,大气压力就会挤压着地下水从通向下方的P管中涌上来,将汽桶T灌满。在这种循环的过程中,从锅炉B到汽桶T,连通的管道有一阀门,可以启开通入蒸汽,也可以关闭不让蒸汽进入。而与汽桶T相通的P管和P'管,则都有一个单向阀门,只能让水流进和流出。

  人们多么需要一个又听话,又能一天到晚不停地干活的“大力士”为自己出力啊!

  为了避免任何无益的冷凝,蒸汽对活塞发生作用的那个汽缸,必保持着经常和蒸汽本身一样热……。为了获得必要的空隙,冷凝必须发生在一个单独的容器里,这里的温度按照需要降到足够低的程度,而汽缸的温度却不受到影响……

  人们还学会利用风力和水力。用风驱动帆船在水上航行;利用河里流动的水驱动水轮,然后带动水磨磨面,或带动其他机械为人类做许多工作。

  借的债越来越多,而成功却始终没有看到希望,因为用来做汽缸和冷凝器的器材总也达不到密封的要求,一启动它们就“嗤嗤”地漏气,达不到预期的效果。

  瓦特是个不知疲倦的发明家。为了适应生产的需要,必须设法把蒸汽机活塞及活塞杆的往复运动变为旋转运动。这样,便有可能在机械制造、纺织、交通等几乎整个工业部门得到广泛的应用。瓦特发明了包括“太阳——行星式齿轮”系统在内的多种转换方法,并在1781年获得了第二项专利。这时的蒸汽机使用范围更广了。

  纽科门蒸汽机发明之初,确也表现出是一种制作工艺相当粗糙而且简陋的机型,由于不具备对机器零部件进行精密加工的设备,活塞与汽缸彼此间本应要求它是紧密吻合的,但达不到这种要求,相互间留着相当大的空隙,工作时只有靠水覆盖着才能达到密闭的要求;而用冷水浇灌汽缸使里面的蒸汽冷凝,由于冷却的温度不够,也未能获得理想的、完全的真空;特别恼人的是,安装在汽缸与锅炉通道上的那个龙头,每隔七八分钟就需人去开关一次,十分繁琐,等等,都是不可否认的缺陷。

  哥拉斯哥大学在当时是一所非常进步的学校,学术气氛不错,讲究平等,还能主动适应当时社会生产发展的需要,为当地工人开办夜大学,讲授自然科学知识,瓦特也常去听课。这个工匠出身的年轻人,由于长期的修理、制作劳动,练就了一双灵巧的手。又由于他从小就极其用心地学习自然科学知识,特别是大学良好的学术氛围的熏陶,使他具备了一般工匠所没有的智慧的头脑。他会法语、意大利语和德语,他除了物理、数学有很深造诣外,对化学、考古、法学、美学、诗歌等方面也有很好的修养,还特别对德国的哲学感兴趣。

  诉讼进行了好几年,瓦特和博尔顿决不妥协,最后他们终于胜诉,一下子收到了长期拖欠的应付使用款3万英镑之多。

  就人的体力来说,跟大自然的种种力量比较起来,那简直是微不足道的。狂风,能把巨大的树木连根拔起;地震,能在瞬间毁灭一个城市……就是跟自然界的许多动物比较起来,人身体的那点力量也不值一提。论打架,如果人手中没有武器,狮子、老虎能不费吹灰之力把人撕得粉碎;论干活,一头牛、一匹马差不多能顶十来个人。

  要知道,发明家常是比较清贫无资金,又比较内向不善于经营开拓市场的那样一种人。

  紧接着,在1782年,瓦特又对蒸汽机进行了有决定意义的改进:把从一边向汽缸供汽改为按先后顺序从两边供汽,废汽与冷凝器的联接方法也改进了。这样一来,同样大小的机器,功率几乎一下提高了一倍。同时,瓦特还找到了节约用汽的新方法,即往汽缸送汽时,提前关汽,剩余行程利用蒸汽的膨胀力继续做功。这一改进使瓦特获得了第三项专利。1784年,瓦特又用

  在月光学会上,威尔金森了解到瓦特的蒸汽机,在试制中多次失败,都是由于手工锤打的锡制汽缸,总是“嗤嗤”的漏气而不能达到真空要求。这一回,威尔金森为瓦特提供了一个蒸汽机的汽缸,这汽缸的外形制作是如此精巧,内部采用镗床镗得十分光滑,是手工锤打所望尘莫及的。特别是用钻孔机钻出的小孔,使汽缸与其他部件的接合达到了紧密而不透气的要求。瓦特所追求和要求的真空达到了,他的蒸汽机完全试制成功了,这时已是1774年。研究18世纪产业革命历程的历史学家甚至认为,如果威尔金森没有首先供给瓦特以他所需要的金属汽缸,那么瓦特就无法建造出他的蒸汽机。

  经过这一改进,蒸汽机在原有基础上大大迈进了一步。然而这一步,却整整花了6年时间。瓦特不仅耗费了大量精力,而且在经济上也负债累累。当债务和贫困压得他喘不过气来时,他甚至心灰意冷地觉得:“搞什么发明,真是愚蠢!”

  又过了几年,瓦特的专利还没有能带来任何利益,而它的费用甚至已经达到了四五万英镑。幸亏博尔顿并没有放弃他的其他工业,他靠这些工业的收入用来弥补蒸汽机生产上的费用;瓦特也搞出了另外一个叫做“拷贝机”的小发明,它的收入投入在蒸汽机上了。他们有几次又都到了几乎山穷水尽的地步。在1778年和1780年,博尔顿不得不相继卖掉一部分从他父亲和妻子那儿得来的财产,有一次到了圣诞节差一点就没法付还到期的债务,甚至发不出工资的地步。1782年瓦特在忧虑中甚至说:“如果他们(指债权人)愿意放弃对我的各种债权,我几乎想把我自己所有的一切都交给他们,再把我的命运交给上帝去安排。我不能在我现在所处的忧虑状态中生活下去……”

  幸好,哥拉斯哥大学的布莱克教授收留了他,让他当了修理、制造教学仪器的工人。布莱克教授和当时在该校任副校长的著名经济学家亚当·斯密独具慧眼,看中了这个心灵手巧的年轻人,并全力支持他的工作,甚至专门给他房间做工作室和出售产品的店铺。

  罗比森和瓦特谈起过蒸汽机,谈到人们已经实现了用蒸汽力代替人力、畜力作工的愿望,也谈到蒸汽力的应用将有远大的前景。罗比森认为,蒸汽机不仅只用来提水,还可以把安装在工厂中带动织布机,甚至也许应该将它装在车子上让它推动车轮转动。

  17岁那年,父亲经商失败,家道中落,瓦特被迫外出谋生。他来到伦敦,很幸运地做了著名技师摩尔根的学徒。有名师指点,加上勤奋好学,基础又好,还没出师就能制造难度很大的经纬仪、四分仪、罗盘等仪器了。

  过去人们在介绍瓦特发明蒸汽机的事迹时,往往只写到他在格拉斯哥大学草坪上散步得到了将冷凝器与汽缸分开的灵感为止,几乎很少有人提到罗巴克与蒸汽机的关系。然而写作《18世纪产业革命》的法国历史学家保尔·芒图却认为,瓦特与罗巴克签订的“这份合同,在蒸汽机史上开辟了一个时代。蒸汽机正是在这种情况下才得以走出了实验室,进入它即将加以改造的工业世界中去,这多亏了罗克巴的大胆创造精神”。

  此外,他又对汽缸进行了很大的改进:第一,在外面包上很厚的保温层。第二,去掉了活塞顶上的密封水并给汽缸加上了盖。第三,给活塞加上了密封垫圈以避免漏汽。上述成果使瓦特获得了第一项专利。

  蒸汽机并不创造大工业,但是,它为大工业提供了动力。特别是当1784年瓦特对自己提出的将蒸汽机由直线运动转变为圆周运动的专利申请书时,已经预见到蒸汽机必将转化为一切机器的动力的光辉前景。他在那份申请专利的说明书上提示说,利用蒸汽机的活塞联结杆或冲模连接起来可以锻造铁和其他金属的可能性。

  如此说来,人不是很没用了么?然而,摆在我们眼前的事实是,大自然正在被人类一步步征服;说到动物,哪一个也不是人的对手。这是为什么呢?因为人类有智慧,有科学技术。

  也许瓦特是发明家中难得的幸运儿,正在这似乎又到了山穷水尽的时候,出现了另一位有眼光来支持瓦特的企业家——博尔顿,瓦特和他的蒸汽机进入柳暗花明又一村。

  随着社会的不断发展,人们的不满足感与日俱增,迫切需要寻找一种力气大得惊人,却又特别听人使唤的、不知疲劳的“大力士”,以帮助人们从事更多、更重的劳动。那么,最后找到了没有呢?是谁找到的呢?这就是我们要在下面讲的故事。

  萨弗里是英国皇家工程师队的大尉军官,1650年出生于康沃尔,那里是出产铜矿的地方。萨弗里在那里亲眼目睹了矿工们在开采铜矿时遇到的困难:当矿井掘到一定深度的时候,地下水就会不断地渗透出来,涌满了整个坑道,矿工双腿都没在冷水中操作。为了排出坑道的积水,当时只有采用根据葛里克提出的真空提水的水泵用手压泵造成真空的办法提水。

  艰苦的生活和繁重的劳动使瓦特再一次病倒,只好又返回家中。可是,迫于生计,病没好就又去了哥拉斯哥。他本想在该城搞点制造和修理的营生,但该城的“铁匠行会”因他不是本城居民而不允许他开业。这使瓦特陷于绝望之中。

  科学和科学家一旦进入蒸汽机的领域,果然使瓦特的认识得到了飞跃的突破:他需要解决的关键问题,原来是潜热消耗太多的矛盾,他需要的是循着这个思路,去找到解决这一矛盾的具体方法。

  但人们还不满足,总觉得这些被利用了的自然力缺点太多:火,只能利用它的热;风力有些靠不住,不用时刮得很大,用时又没有了;水力只能在有河的地方利用;至于牛马,虽然忠实可靠,可晚上它们还要休息。还有一点,就是当人们利用这些自然力为自己做有用的事时,总觉得它们力气还不够大。

  瓦特向罗比森提出了自己的问题,罗比森带瓦特去请教了格拉斯哥大学的布莱克教授。布莱克是化学教授,但却对热的研究很感兴趣。

  但是有一个问题却时时困扰着人们,那就是:人们的力气太小了,许多重活根本不能胜任。比如推动机器转起来,用以织布,或加工铁制品。比如开采煤矿,因为煤埋在很深的地下,要采煤必须挖很深的井。但煤井中常常有许多地下水,如果不排掉,矿井就要被淹,而排水是一件非常重的劳动。

  “全世界第一部工业各部分都可以应用的蒸汽机,在技术发展史上打开了一个新时代。”

  据说,包尔祖诺夫还研究出了给锅炉自动添水的装置。和维持蒸汽机不间断地动作的装置,使他设计的蒸汽机的全部零件都能够经常“自己保持运动”。

  当时人们已经有了用水力去推动的磨、纺纱机等等,都是利用大小不同的齿轮和曲柄,将水力从直线运动转换成旋转的运动才能作为动力使用。但是怎样才能达到使蒸汽机的活塞杠杆所进行的直线运动转换成圆周运动呢?

  那么,蒸汽机走向成功还缺少的关键一环是什么呢?

  在索霍工厂里,博尔顿和瓦特培养了一批极好的工头做为自己的助手。其中有一位工头就给了瓦特的发明以很有作用的暗示。这位工头的名字叫默多克。

  (他发现了氧气),有对铁特别爱好,绰号“铁疯子”的威尔金森(他给了瓦特蒸汽机以关键性帮助,他是一位制造家),有瓦特年轻的同乡,后来为瓦特助手的工匠默多克(他独立发明了煤气灯);还有前面说到的那位钮扣制造家博尔顿(他是一位富有而又充满进取心的企业家),当然,其中还有这位忧郁而又百折不挠进行发明的瓦特,称他为工程师是后来由于他的成功而获得的尊敬,事实上他当时仍是一名修理仪器的、或为勘测运河而奔走的工人而已。

  瓦特的伟大天才表现在,他在1784年4月获得的专利说明书中,预见到蒸汽机的一切可能用途,并指出利用它来建造机车、锻造金属的可能性。

  布莱克教授在当时最著名的发现是“潜热”理论,而对瓦特思想难题最大的理论启发,也正是来自潜热理论。

  于是萨弗里想到,手压水泵为的是要造成能使大气将地下水挤压上来的真空,而充满蒸汽的容器在冷凝以后,不是同样可以得到真空吗?这样不就同样可以达到利用大气的压力将近地下水挤压到形成真空的管道里去了吗?

  “大约总有1000多镑了吧?”

  瓦特的蒸汽机由此为开端顺利地走入了市场,并由于它所具有的明显的优势,而迅速被社会所接受。

  经过这番调查,瓦特的专利证期限被延长为25年。在批准的法令上是这样说的:

  然而不管怎么说,人类从此进入了一个新的时代,人类的文明也由此发展到一个新的阶段。至于它所产生的积极影响和消极影响,则要由后人来不断解决,历史的巨轮不以人的主观意志为转移,而是按着事物发展的规律阔步前进!

  1767年,瓦特曾去博尔顿的索霍工厂参观,瓦特很赞赏那里的冶金工作完善;而博尔顿,对瓦特正在探索的蒸汽机更是向往不已。第二年,博尔顿又专门请瓦特到工厂里来,和瓦特进行过仔细的探讨。

  瓦特实在无力将这试制工作继续下去了,加上这时妻子又生了孩子,加重了家庭负担,瓦特不得不暂时停止他的试制工作,而接受了另外一项的工作——为修挖一条喀里多尼亚运河进行勘察,绘出线路图,并且在工作中发明了一种简便的测距器和制图机。

  纽科门设计的蒸汽机比萨弗里的更简单,从原理上看,是这样的锅炉B与汽缸C相通连,汽缸上面有一个活塞P在动作,活塞P是杠杆D的一端,当汽缸里的蒸汽膨胀时,推动活塞P上升,使杠杆D的另一端 R下降,R下面连接有重量的平衡锤N,N挤压着水泵上的活塞P'下降;当汽缸里的蒸汽冷凝成为真空时,大气压力就会推动活塞P下降,它就带动着杠杆D的R将平衡锤N提起,使地下水被大气压力挤压着,冲开活塞P'涌入水泵。这样,只要连接着锅炉的汽缸不断充汽、冷凝,它的活塞P就会不断地上下往复,成为有节律的运动,抽水机也就连续不断地工作了。

  瓦特的蒸汽机图纸是设计出来了。但要使它变成实物,还有相当多的困难和障碍在等待。简直可以说,那需要配备一套齐全的工业设备才能满足制作蒸汽机的要求。首先要有一批既有体力、经验又有充分智力和理解力的工作者,去代替当时只能从社会上搜罗到的各类手工工匠,如钟表匠、白铁匠、水车匠等,才能完成那些有复杂要求的各个机器部件。比如说,蒸汽机的汽缸,必须达到几何作图那样的精确度,蒸汽出口的活塞,必须具有能紧密贴合但又不过分接触的灵敏度,还需要有一些部件必须制作得像手表的齿轮那样精确。这一切,对当时的工艺发展水平来说,都是超标准的要求。岂是几个匠人用手工操作和在市面上随意买一些器材就能制作成功的?瓦特的试制遭到了一次又一次的失败。

  将瓦特蒸汽机的命运与包尔祖诺夫蒸汽机的命运相比较,每个人都可以按照自己的体会从中得到某些启迪。

  瓦特的这一发明思维的产生,用他自己的话来表述就是:

  直到 18世纪才陆续有人申请用煤或用煤加工出的焦炭作为炼铁的燃料,这样铁的生产才逐渐出现一些转机。

  博尔顿在那时已经是一位富有的重要人物,他的父亲是伯明翰的玩具制造人,博尔顿从小就跟着父亲从事商业,同时也受过相当好的教育。他经营的索霍工厂,制造金属钮扣、表链、钢鞋扣等,还有装饰用的铜器如花瓶、枝形烛台、鼎,还有纯金银的和包镀的金银制品、人造金制品和人造玳瑁制品等。他的工场可以容纳600多个工人。但劳力太多带来一系列的麻烦,因为一个劳力就是一个劳工,雇佣一个劳工就意味着要准备为他付出相当于能养活他,还有他的妻子、孩子的生活费用的工资。劳力多了,工场的负担就重,所以博尔顿一直在希望能寻找到某种动力,能像纽科门蒸汽机那样自动把水提上去的动力。

  现在我们就要讲到瓦特和蒸汽机发生接触的正题。

  正像有的科技史学家所分析的那样:“发明是一回事,会不会经营利用发明却是另一回事。”

  (瓦特发明的)蒸汽机和现在通常的火力机相比较,消耗同样多的燃料,至少可以多做一倍多的工作……凡是需要动力的地方,无论用于什么用途,采用这种蒸汽机都是有利的。

  历史进入了18世纪,在英国,由于炼钢的需要,英国的森林几乎都要被砍伐光了,但是企业家们对燃料的需要仍旧十分迫切,这时人们发现,幸亏英国的地底下蕴藏着丰富的煤,一时之间,矿业主们纷纷投入资金和设备去大力开采地下的煤矿。

  “我的意见是在我们工厂旁边,在我们运河岸上,建设一个工厂,在那里,我想安置制造机器所必须的全套设备,而且这个工厂可以向世界上提供各种大小机器。……仅仅为三个郡而制造,那就不值得这么费事了。值得费事的目的,是为了全世界制造。”

  不过,萨弗里也有属于他自己的创新——他在蒸汽锅炉上安装了量水旋塞,可以用它观察到锅炉中的水位。

  由于矿井的积水都在井下,当人们为利用蒸汽机去抽提矿井的水的时候,活塞只需作上下垂直移动,利用可形成的真空和大气压力,就可达到将矿井中的水挤压抽取到井上的目的,但是如果指望蒸汽机作为其他用途的动力,那么,垂直运动就显然是达不到这个目的的。

  罗巴克本是一位医生,但对办工业很感兴趣,这时他已经拥有了几座工厂和矿场,并且刚刚获得博罗斯托内斯矿场的开采权,排除矿井中的积水成为他迫切希望解决的问题。一天,他在格拉斯大学的布莱克教授那里,谈到矿井抽水的严重性,布莱克向他介绍了瓦特正在试制的新型蒸汽机,预期如果采用这种蒸汽机,将可大大节省燃料,提高抽水的效率。

  从1775年瓦特、博尔顿合作的索霍工厂开始向伯明翰附近的布卢姆菲尔德煤矿提供一架蒸汽抽水机,到1795年,20年内,据瓦特的儿子给顾客的信中所说,这20年来他们生产的蒸汽机,“其中只有不到三台或四台的汽缸是别的厂家所制造,其余都是由威尔金森的工场所提供的。”

  瓦特从小体弱多病,性格懦弱悲观,又不善经营,这样长期在债务中打滚不得翻身,他简直是受不了啦!

  “为什么停止?”罗巴克问。

  因此,罗巴克与瓦特的合作最后虽然未能获得成功,罗巴克并不因此而懊悔、而抱怨瓦特或蒸汽机;而瓦特,他也始终对罗巴克给予自己的帮助怀有深深的谢意,在他临终的时候,他曾说:

  瓦特的勘察工作进行得胜任而又愉快,如果不是在这期间出来一位热心的实业家罗巴克,那么,瓦特发明的蒸汽机也许像其他运气不佳的发明家那样,被搁置起来,直到他死后若干年才被发掘,才被认识。

  可见,发明的灵感(现在也有人把它称做“顿悟”)在经过一段艰苦的冥思苦想、反复琢磨之后,确实会在某种轻松的状态下,突然间脱颖而出呢!

  至于瓦特,他对布莱克更是充满了尊敬和感激的心情,在他成名之后,他曾说:“我之所以能够有今天,多亏布莱克的巨大帮助。是他教给我物理学的理论和实验的。他始终是我的真正朋友和顾问。”有记载说,瓦特曾经用他那灵巧的双手,制造了一架小风琴送给布莱克,可见感情之深厚。

  然而,采用这种方法提水,并不能一次就达到将水提到所需要的高度,而需要在几个高度安装几台水泵,接力提水,可以想象得到,要想在狭窄、黑暗的坑道里安装几台水泵,它的难度肯定很大,费用也是很可观的。

  17世纪中叶以前的英国,当时是一个缺铁的国家,它的某些附属工业所需要的铁,一般是从瑞典或俄罗斯进口的。英国并不是缺铁矿,铁产量低的原因是因为英国一直没有找到适合的炼铁的燃料。传统的炼铁方法是将从森林中砍伐出来的树木烧成炭,用炭去炼生铁,为此英国已经损失了大片的森林,而随着森林的消失,炼铁的高炉难为无米之炊也悄悄消失。

  现在我们就要讲到那位钮扣富商博尔顿,1766年,他曾写信给富兰克林,告诉他自己原来有一个工厂设在伯明翰市郊外的小河旁,工厂的动力就靠小河的流水推动水轮机转动,可是遇到枯水期水轮机就不转了,所以他想建造一座水坝,将山坡上流下的水蓄起来,利用水从高处流下的势能,冲动一个动轮,而这个动轮可以驱动许多不同的机器。但没能得到回音。后来博尔顿又想制造一个蒸汽泵,利用蒸汽推动活塞去加强河水的压力。他还把自己设想的模型寄给了富兰克林,请富兰克林帮助提提意见,出出主意。当时富兰克林已经是一位享有盛名的科学家了,可是也没能得到回音。于是博尔顿打算自己来进行这项实验。

  1769年,瓦特设计出可以“节约火力蒸汽机和燃料消耗”的分离冷凝器,并在这一年为他的这一划时代的发明获得了专利权。作为资本主义大工业动力机械的蒸汽机由此诞生了,工业革命由此成为可能。

  至于希罗发明的那种会转动的空心球,也并不是一点用处也没有。这也是一个很巧妙的设计,而且它并不一定要靠蒸汽来推动,只要受到内部流体力量的冲击,就能转动。现在已经根据这种原理制造出一种可以旋转喷水的喷灌器,而用于驱使喷灌器的喷头转动的那股动力,已不是蒸汽的力,而是有压力的水流。当你走到公园的草坪上,看见喷灌器的喷头在旋转着绕着圆圈喷水的时候,不妨留住脚步仔细地观察一下它的结构,想一想它的基本原理竟是在大约2000年前,一位名叫希罗的古希腊学者发明的,那个时代还远远没有建立物理学的理论体系哩!

  而且我们已经从前面的故事中看到,瓦特蒸汽机决不是属于他独自一人的发明。

  根据瓦特所获得的专利权,瓦特他们定出的这种专利收费标准,既确保了瓦特的发明是确实有效益的,也合理地保证了发明者和使用发明物的厂家双方收益,按理说是公平而又合理的。

  通过在罗巴克工场和在博尔顿工厂工作的比较,瓦特开始觉察出“工场制”和“工厂制”上许多不易觉察的细微差别,这两者决不能混为一谈。博尔顿为瓦特所提供的,是大工业的资源以及几乎是大工业的权力。

  瓦特当然愿意再次获得机会。但是关于蒸汽机的制造,他和罗巴克签有合同。这事需要与罗巴克磋商。

  瓦特很感谢,也很钦佩博尔顿给他的支持,感谢他有足够的勇气和远见的胆识进行这种带有极大风险性的投资。他说:“博尔顿先生的积极性格及其深信未来,是我的天生胆怯和平衡的积极力量。”

  萨弗里发明的这种机器,原理和构造都比较简单,但却同时利用了两种力量:利用蒸汽的张力把水送出去,利用大气的压力将水从地下提上来。

  在谈到蒸汽机的发明时,前苏联曾为他们的俄罗斯技师包尔祖诺夫大声疾呼,并且列举了他的发明和他的坎坷遭遇。

  当然,萨弗里真正投入生产的蒸汽机比这个原理图要复杂得多。

  随着第一项的改进,很快促使瓦特完成他的第二项重大改进。那就是,瓦特很快发现,那始终保持着同蒸汽一样热的汽缸,里面蕴藏着具有极大动力的蒸汽,而且它产生的蒸汽将不是断断续续,而是可以一直连续不断的。瓦特认识到,“为了不必用水来防止活塞漏汽,为了在活塞下去时防止空气冷却汽缸,那就必须使用蒸汽的张力作为动力,而不仅只是使用气压作为动力”。

  瓦特加以改进的蒸汽机,目的就是要使汽缸始终保持着它的高温,以免蒸汽散失,造成燃料的浪费,所以不能再沿用纽科门蒸汽机中采用的水封闭活塞的手工艺土办法,它要求一种精密的机器造型,它要求有金属造成的汽缸,汽缸的内壁必须光滑,才能使活塞与汽缸之间吻合得十分严密而又能活动自如;它要求金属与金属的各个衔接的地方必须衔接得十分坚固,而“关节”处又能进退灵活。正是这种材料和工艺的严格要求使瓦特试制蒸汽机过程进展不顺利,用手工锻打出来的金属汽缸和各种部件,总是协调不好,达不到预期的要求,汽缸与活塞之间吻合不严密,一工作就“嗤嗤”地漏气。

  比如说,纽科门蒸汽机并不符合蒸汽机这个名称,因为它并没有利用蒸汽的张力,就像萨弗里蒸汽机那样;它仅只利用了气压的压差,严格地说,还不如叫气压机更名实相符些。瓦特认为,如果已经烧出了那么多的蒸汽而让张力白白散失,仅仅只利用了它的气压差,这未免太“大材小用”,也未免太浪费了,因为蒸汽本身的力量几乎是无可限量的呀!

  需要正式加以澄清的是,瓦特发明蒸汽机决不像传说中说的看见壶盖被蒸汽冲动而产生发明灵感那么简单。

  瓦特与罗巴克的合作开始于1765年,瓦特于1769年获得的“节约火力蒸汽机的蒸汽和燃料消耗”的分离冷凝器专利,就是与罗巴克合作申请到的。不幸的是,经过将近10年的努力,瓦特蒸汽机还是没能走出实验室,没能获得走向市场的成功。因为用手工锤打出来的锡制汽缸严重漏水漏气,理想中的真空状态始终未能形成,直到1773年,罗巴克的矿井仍然没能得到瓦特所设想的那种高效低耗的蒸汽抽水泵,而且经过这么多年的折腾,罗巴克在经济上也承受不住了,他所经营的矿井由于严重渗水,需要不断排水而花费了很多的钱,这些耗费使他濒临破产的边缘,不能再继续承担瓦特的试制蒸汽机的研究。

  这时是1766年,经过与瓦特的接触,他们签订了一份合同:罗巴克代瓦特偿还1000镑的债务,允许瓦特使用罗巴克的卡伦铁工厂设备,向瓦特提供继续研究的资金,帮助瓦特去申请他的蒸汽机专利和推广使用——事成之后,所获得的利润,罗巴克得三分二,瓦特得三分之一。

  根据希罗在书中的描述,人们画出了利用蒸汽推动神殿大门的示意图:在祭坛的A上点着火,使祭坛内部的空气压力增加,挤压着空心球B里贮藏的水通过水管流入水桶C,当水桶的重量渐渐增加而向下沉坠时,就会拉动盘绕在殿门旋转轴D上的绳子,绳子被拉动时带着旋转轴回转,殿门于是缓缓打开。

  再看瓦特改进的蒸汽机,锅炉B与汽缸E相通,汽缸E中充满汽后通往冷凝器C,再从W处向C喷浇冷水使蒸汽冷却。冷凝器的充汽与冷凝带动与之相连的活塞P上下运动,活塞P再带动和上面相连的杠杆动作。这样汽缸与冷凝器分开,汽缸可以永远保持必须的高温,而单使蒸汽冷凝冷凝器可以不间断的工作。这样不但节省了大量的燃料,也可使蒸汽机的工作不再断断续续,节省了大量的时间,大大提高了效率。

  由于萨弗里的蒸汽机具有不少缺点,例如它动作缓慢,抽提水的高度和数量有限,还需要人在那里不断地定时启闭阀门;而且既没有压力计来测量锅炉里的压力,又没有调节装置例如减压阀之类来减少压力,因而存在着实际的爆炸危险性,所以它的推广有限,这种状态势必激励着其他的人来对蒸汽机进行创新、改良。成果之一,就是导致了纽科门蒸汽机的出现。

  幸喜希罗对自己的发明和研究,写了几本著作,其中一本名叫《压缩空气的理论和应用》,在这本书里,希罗描述了虹吸、蒸汽装置、硬币操纵的机器,一种救火器和一种水琴。使人们看到了希罗的才智。

  默多克1754年生于苏格兰,是一个水车匠的儿子,他把请求批准参加到索霍工人的行列当作是一种荣誉。入厂以后,因为聪明、勤劳有发明力而受到青睐。他确实不是一般的工人。1792年,他第一个认为煤中有着比煤作为单一的固体燃料更多的东西,他将煤加热提炼出煤气,并且发明了用煤气照明的煤气灯。煤气灯虽然在大约一个世纪以后被爱迪生发明的电灯所取代,但这种煤气后来成为我们现在所使用的煤气。

  包尔祖诺夫来到工厂以后,看到那里的机器都是由水轮推动着慢悠悠的转动,于是想到要创造一种蒸汽发动机去代替那粗陋、笨重的水轮。用他自己的话说,就是要“推翻水的领导权”。为了实现这个伟大的理想,并证明小小的蒸汽机可以具有比水轮更多的优越性,他先从用在冶金炉旁的鼓风炉开始革新,他发明了一种圆筒形鼓风器。

  因为,不管怎样,当时萨弗里的蒸汽机确实被有的矿业主所采用,是首先将蒸汽机实际应用于生产并走向社会的发明。而且,从萨弗里的申请中我们可以看到,萨弗里当时已经预见到应用蒸汽机的重要性和可能性;而且认识到采用这种动力去干繁重而又连续不断的工作,对于抽干矿井中不断涌出的地下水来说,具有多么大的优越性,这都是一种很了不起的思想。

  威尔金森是一位性格上很有特点,事业上又很有开拓精神的工业实业家。关于他的故事,及他在工业革命中的其他贡献,下面我们将继续介绍。

  萨弗里将自己发明的机器模型,于1698年夏天在汉普顿宫呈献给威廉三世。他将自己发明的这种机器称为“矿工之友”(实际上,将它翻译为“矿业主之友”会更合适些,因为受益的实际上是矿业的主人即企业家们)。

  默多克也是“月光学会”的会员,当然有更多的机会与瓦特共同探讨关于蒸汽机的改进设计问题,当时最迫切的是如何设法将蒸汽机的直线运动改变为圆周运动。默多克认为,如果在活动杠杆的一端带有一个小齿轮,小齿轮随着活塞的上下活动而转动时,它的齿轮再带动与之相连的大直径的轮子旋转,就可构成旋转运动。当然,也可以把齿轮套齿轮的转动结构设想得再复杂些,总之是像行星绕着太阳转动那样,让小齿轮的转动带动着大齿轮的转动。默多克还为这一设想起了一个美妙而又形象的名字叫:“行星的运行”。

  瓦特的第二位合作者博尔顿也提出证词说,在试验、建造、试用方面已经花费了3000多英镑,预计全部的费用至少要达到1万英镑。可是这笔花费,如果将它和对英国和对全世界可能带来的利益相比,并算不得什么。

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