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世界科技全景百卷书: 蒸汽机带来的革命 机械时代
新发明对人类的影响 科学和技术是密切相关的，它们同处于人类认识自然和改造自然的统一过程中。科学的主要职能在于理解和认识自然，科学是关于自然规律性的知识体系。技术是人们为了特定的目的所应用的某种手段的总和，是各种工具、设备和经验、工艺的体系。 近代以前，科学和技术的水平都比较低，科学不能直接地影响生产，而生产也没有迫切地需要科学的成果，两者联系不紧。这时的技术直接来源于工匠们在长期生产实践中积累起来的经验和手艺。 到近代以后，由于技术不断地趋向复杂、精密和综合，就由主要来源于经验而发展为科学的自觉运用。 让我们来看看望远镜和显微镜的发明和应用。 在17世纪初，荷兰人首先发明了望远镜。望远镜由荷兰人发明出来绝不是偶然的，因为那时在荷兰磨制玻璃和宝石技术很发达，也就有很多制作眼镜的工人。 这一天，阳光普照，小鸟在空中唱着歌儿飞来飞去。在荷兰的密特尔堡小镇，制镜工人利比斯赫为检查磨制出来的透镜质量，用透镜去看教堂顶上的风向标。 当时，他带了一块凸透镜和凹透镜。当他把两块透镜离开一点排成一条线时，惊讶地看到远处的风向标又大又近。他兴奋不已，立刻想到去制造能看得更远更清楚的装置。 在1608年秋天，利比斯赫制造出这种装置，后来被称为荷兰式望远镜。就是把一个凸透镜和一个凹透镜装在一个筒的两端，眼睛看的一端装凹透镜。12月，他又做出了双筒望远镜。 这个发明很快传开了。 意大利著名物理学家伽利略得知这一消息后，便灵机一动，去制造观测天象的天文望远镜。 1610年，望远镜第一次被用作科学仪器。满足人们好奇感的“荷兰望远镜”在伽利略手中指向了月球，去窥探月球的奥秘。 l月7日，枷利略看见了木星的3颗卫星，几天后，又发现了第4颗。以后，他又不断地获得了月球表面的山脉、太阳黑子、金星盈亏、土星光环等重大发现。 工匠们在大量实践的基础上偶然的发现，被具有良好科学素养的科学家迅速接受了，并凭借自己在理论科学方面的优势又把这种自发的发明完善提高。 此后，开普勒、夏依纳、惠更斯、牛顿、赫歇尔等天文学家，不断地制造出折射望远镜、反射望远镜，为天文学的发展做出了巨大的贡献。 显微镜也是荷兰人发明的。 在眼镜店磨镜片的工人杨森，偶然间把镜片进行某种组合后，看见了极其细小的物体。这是把两块凸透镜和两块四透镜各组成一对，通过凹透镜而看到的。时间大约在1590年。 显微镜虽然比望远镜早发明20年，但没有像望远镜那样立即被天文学家利用。当时人们认为：“要想把物体放大来观察，只要把物体靠近眼睛就可以。为了放大观看近处的物体而特意使用显微镜是没有意义的。” 直到1655年，荷兰的列文虎克把自制的显微镜用于微生物研究，后来成为第一个看到动物细胞、第一个发现精子细胞、第一个发现口腔细菌、第一个看见红血球的人。列文虎克是世界上最早揭示微生物世界的科学家。 后来，英国的胡克用制作的显微镜，发现了软木的细胞，清楚地观察到了蜜蜂的小针，鸟的羽毛构造等。 18世纪中期，德国医学家里巴休恩制做显微镜，进行医学和生物学研究，成为杰出的制做通过显微镜观察到的物体标本的人。 望远镜和显微镜向人们揭示了宇宙空间和微生物界的奥秘，但它们真正的革命作用在于让人开拓眼界。一旦人的认识突破了往日狭隘的视野，随之而来的便是认识上的飞跃。 我们再来看看时钟的发明。 随着人类文化的发展，在日常生活中，非常需要掌握时间。 早在公元前2000多年的古巴比伦，就发明了利用太阳影子计时的日晷。这种日晷也叫日影棒，制作很简单，就是在板上直立起一根木棒，通过观察棒影的长度来观察时间。 巴比伦人利用这种观察方法，把从日出到正午和从正午到太阳落山各分为6等分，这就把太阳照射的白天分为12个小时。他们还根据棒影和板面所形成的方位角的变化，来判别是午前还是午后。 后来，有人把日晷做成圆盘形，把一天分为12个时辰，刻在圆盘上。以后再经过改进，成为比较精确的日晷仪。 日晷虽然很方便，但它有很大的缺点，就是只能在阳光普照的白天使用，如果碰到阴天和雨天就不管用了。到了晚上更是无从谈起。另外，在屋里的人也无法知道时间。 因此，在使用日晷的同一时期，有些地方使用特别的蜡烛、香、刻漏等来计时。 那时候使用的刻漏，只是个盛水的罐或者壶，容器的底部有一个小孔，水通过小孔一滴一滴地漏出来，根据落下来的水量就可以计算出时间。 此外，还有用砂来计时的“砂漏”，它是用砂子代替水来测定较短的时间。如果用来测定较长的时间就需要很多砂子，砂漏还要人看管，而且做的越精细，费用就越高，所以普通人家无法使用。因此，砂漏没有刻漏使用得广泛。 中国也在公元前制造出了比较精确的日曼晷刻漏。中国的刻漏有人看守，到规定的时间，看守人就击鼓向全城人报日寸。 但是，无论日晷还是刻漏，都不是理想的计时工具，于是人们进一步地发明了机械钟。 机械钟大约是在13世纪发明成功的。这种钟架在高塔上，利用重锤下坠的力量带动齿轮，齿轮再带动指针走动，并用“擒纵器”控制齿轮转动的速度，从而得到比较正确的时间。 16世纪时，机械钟终于胜过了刻漏，惠更斯进一步改进了用摆控制的机械钟。 惠更斯是荷兰的天文学家、物理学家和数学家。1629年4月出生于海牙，法学教授的父亲希望儿子学习法律，但他对枯燥的法律条文不感兴趣。1655年获得法学博士学位后即放弃法学，致力于天文学和数学研究。 从 1652年起，惠更斯开始研制自己设计的天文望远镜。1655年，他用望远镜进行天象观察时，发现了土星的最大一颗卫星——土卫六。这是继伽利略发现木星的4颗卫星后，人们第一次知道除了地球和木星以外，其他行星还有卫星。 这个发现给惠更斯极大的鼓舞，促使他进一步去观察和记录天上的星辰。 天象的观测，对时间的准确性要求很高，可是那时的机械钟却不太准确。有一次，惠更斯因为时间的误差而错过了次观察土星的机会。 “能不能制造出更准确的时钟呢？” “我一定要把它制造出来！” 惠更斯想到曾看过意大利科学家伽利略关于摆的等时性的论文： 在一根线的端部挂上重物，使重物进行小幅度摆动时，如果线的长度相同，则振动周期就一定是相同的。由于钟摆受到空气的阻力，振幅会逐渐减少，而周期却保持不变。 惠更斯想，既然物体的摆动具有等时的特性，如果能利用物体摆动的力量来驱使机械钟里的齿轮转动，不就可以得到更准确的时间了吗？他想到这里，兴奋异常，立即进行实验。 惠更斯对摆的摆动情况进行了仔细的比较，发现伽利略发表的摆的等时性只在振幅小的时候适用。当振幅变大时，随着振幅的增大，周期也会变得稍长一些。 因此，如果将摆用于机械钟，必须采用一种不受摆的周期影响的装置，以及能使摆的摆动作用于时针的转动的装置。 惠更斯绞尽脑汁，日思夜想，失败了，就再实验。于是他的眼熬红了，身体累瘦了，但仍然孜孜不倦地工作着。一次又一次的失败没有使他放弃努力。 功夫不负有心人，惠更斯终于设计出一个钟摆机构，1656年委托制钟匠，成功地制造出第一座实用的摆钟。 自从惠更斯摆钟问世后，机械时钟进一步普及。有了这种新的摆钟，人们开始形成精确的时间概念，开始建立统一的时间标准。惠更斯也因为新的时钟的发明而名扬荷兰，传遍西欧。 揭开工业革命的序幕 18世纪从英国发端的技术革命是技术发展史上的一次巨大革命，它开创了以机器代替手工工具的时代。这场革命是以工作机的诞生开始的，以蒸汽机作为动力机被广泛使用为标志的。 这一次技术革命和与之相关的社会关系的变革，被称为第一次工业革命或者产业革命。 从生产技术方面来说，工业革命使工厂制代替了手工工场，用机器代替了手工劳动；从社会关系来说，工业革命使依附于落后生产方式的自耕农阶级消失了，工业资产阶级和工业无产阶级形成和壮大起来。 英国是工业革命的发源地。英国工业革命从18世纪60年代开始，到19世纪40年代基本完成。 工业革命从英国开始不是偶然的，这是有深刻政治前提、社会经济前提和科学技术前提的。 17世纪中期的英国资产阶级革命，推翻了英国的封建专制制度，建立了资产阶级和土地贵族联盟为基础的君主立宪制度，从而成为世界上第一个确立资产阶级政治统治的国家。资产阶级利用国家政权加速推行发展资本主义的政策和措施，促进了工业革命各种前提条件的迅速形成。 资产阶级通过大规模地对外掠夺以及在国内实行的国债制度和消费税政策，积累了巨额财富，为工业革命提供了所必须的货币资金；大规模的圈地运动，为工业革命提供了大量的“自由”劳动力和广阔的国内市场。 英国工场手工业的高度发展，培养了大批富有实践经验的熟练工人，为机器的发明和应用创造了条件；自然科学的发展及其成就，特别是牛顿的力学和数学，为机器的产生奠定了科学理论基础。 欧洲其他国家虽然也有杰出能干的工人，也有具有发明精神的人，但这些国家缺乏发展机器工业所需要的资金、劳动力和市场，以及保证资本主义经济发展的政治、文化等条件。 在1789年，法国爆发了大革命，废除了封建统治阶级的特权，为资本主义工业化扫除了障碍。拿破仑当政后，十分重视科学技术的发展，为法国的工业革命创造了条件。此后，德国、美国、日本等国也纷纷加人工业革命的行列，到19世纪末，这些国家先后都完成了工业革命。 棉纺织业的革命 英国的工业革命首先发生在纺织工业部门，以棉纺织业为最早。 纺织工业中的技术发明是适应社会经济发展的需要而产生的，它以相当的经济力量为后盾，才能产生和推广应用。纺织机器的发明人大多是有丰富经验、掌握传统技能的工匠，他们为技术革命做出了重要贡献。 纺锤的发明是从亚洲开始的。而棉纺从印度开始，丝纺从中国开始，毛纺首先从欧洲开始。但在开始的时候，都没有使用所谓的工具。 手摇纺纱的纺车，是印度发明的，先传入中国和日本，在14世纪传到欧洲。 在手摇纺车的基础上，德国的于尔根于16世纪中期发明了脚踏纺车。即是给轮轴装上曲柄，并与脚踏板相连接，用脚踏动踏板，使纺车转动，纺车带动纺锤旋转，空出来的双手就可以自由工作，于是两个纺锤同时可以纺出两条纱。 织布机是很简陋的。织工们把纱线紧紧地系在木架上作经线，然后再把纬线缠在小木梭上，用手来回在经线之间穿梭织布。 1733年，当过纺织工场机械工人的约翰·凯伊发明了“飞梭”。旧式的织机生产效率低，工人操作时累得手酸背疼。凯伊对旧式织机进行根本性的改进，把经线之间的手工穿梭改成机械穿梭。由于穿梭的速度比原来大大加快，故名“飞梭”。 飞梭简化了织工的劳动，增加了织布的速度，为实现织布机械化迈出了重要一步。 由于飞梭提高了织布的效率，往往1个织工需要的棉纱，要由10个纺纱工供应，甚至更多，从而导致缺纱现象日益严重，打破了纺纱与织布之间的基本平衡，客观上迫切要求纺纱技术提高。 1765年，织工哈格里夫斯发明了多轴纺纱机，他以妻子的名字命名为“珍妮纺纱机”。 哈格里斯是一个夏季当木工、冬季当织工的工匠，平日里和妻子感情甚好，每当看到妻子累得手酸背疼时，就想发明一个高效率的纺车，使妻子轻松一点。 在1764年的一天，珍妮和往日一样在纺纱，哈格里夫斯不小心把纺车碰翻了。突然，他发现竖起来的纱锭和车轮仍在转动，而纱好像在自动形成。 “珍妮，你看。” “看什么？” “纱锭由横轴位置变为立轴位置，并且仍然在转。” “刚刚倒，当然转了。” “我是说，几个纱锭并立在一起，不是仍可以用一个轮子来带转吗？” “我不知道。” 哈格里夫斯由此得到启发，经过反复研制，终于在1765年设计并制造出一架同时可纺8个纱锭的纺纱机。 珍妮纺纱机一发明，就在纺纱行业中迅速推广开来。 哈格里夫斯又把纱锭增加到16个，最终又增加到80个。 哈格里夫斯发明了新的纺纱机，却遭到了意外的攻击。职工们控告他剥夺了他们的生计，说：“如果这种机械多了，我们就都得失业。”他们还愤怒地冲到哈格里夫斯的家里，捣毁机器，进行报复。 尽管如此，珍妮纺纱机还是不断地生产和应用。 但是，从技术上看，珍妮纺纱机还是不够完美的。它纺出的纱细而不结实，只能用作纬纱，纺纱短缺的问题还是解决不了。另外，珍妮纺纱机以人力为动力，从工艺原理看，它的纱锭可以继续增加，但是作为原动力的人力是有限的，因此，纱锭的增加受到了限制。 随着珍妮纺纱机的不断改进，锭数的不断增加，迫切需要寻求新的动力。 1769年，钟表匠阿克莱特发明了“水力纺纱机”。它以水车作为动力来转动纺纱机，效果良好，纺出的纱更粗更牢固，转速也快。 水力纺纱机比珍妮纺纱机前进了一步，因此，在英国的一些河流两岸，迅速建成一批采用水力纺纱的工厂。 水力纺纱机纺出的纱虽结实，但太粗，仍需进一步革新。 1779年，工人克隆普顿综合珍妮纺纱机和水力纺纱机的优点，发明了“螺机”。这种纺纱机纺出的纱既细又结实。螺机以水力为动力，最初的螺机有40个纱锭，后来发展到900个，又增加到2000个纱锭。 由于纺纱机的普遍运用，纱量大增，除了满足织工需要外，还有剩余，这样纺纱和织布之间的平衡又被打破了。 织机的革命推动过纺机的革命。现在，纺机的革命又反过来推动织机的革命。 1785年，乡村牧师卡特赖特发明了水力织布机，提高工效40倍。这位牧师也脱下黑袍，开办一家织布厂。 无论是螺机还是水力织布机都受到自然力的限制，因为人力是有限的，水力受到地理条件的限制。 动力革命 在纺织机革命的带动下，造纸、榨油、印刷等行业的工作机革命也发展起来。所有的工作机革命最后都遇到了动力的困难。因此，以工作机革命为开端的第一次工业革命，必然向动力机的革命迈进。 动力、能源在社会生产中的作用极为重大。人们最初只能用自己的双手，后来用风力、水力、畜力等自然力代替人力，当然是一种进步。 风力本身不需要成本，但不稳定，难以控制，不能广泛应用。水力易于驾驭。但受地区和季节的限制，不能随意相加，有时甚至枯竭。马主要用于交通运输以及矿井排水，但太昂贵，又麻烦。 在近代动力技术科学中，纽可门蒸汽机的诞生，展露了近代动力技术科学的曙光。它直接来源于采煤业和采矿业的推动。 早在公元1世纪左右，古希腊的发明家希罗曾运用蒸汽的力量，发明过一种玩具蒸汽机械。这种蒸汽机利用管口喷出蒸汽的反冲力，使带有喷气管的臂能在一个轴上旋转。 1601年，意大利物理学家包尔塔设计和研制过一种利用蒸汽提水的机器。这是利用蒸汽对水面的压力和蒸汽冷凝产生的真空，把水从低水位通过管子吸引上来。 1643年，意大利物理学家托里拆利经过专门的实验研究，证明了大气压力的存在。1654年，德国的格里凯进行了著名的“马德堡半球实验”，这是把两个半空心球合在一起抽掉空气后形成一个真空球，然后用I6匹马拉这个球，结果无论怎样用力也拉不开，显示了大气压的巨大威力。 第一部活塞式蒸汽机是1690年由法国人巴本发明的。 巴本生于巴黎南部的布鲁斯，早年学习医学，曾作为惠更斯的助手进行大气压力和真空作用实验，他们还共同为路易十四的花园成功地设计了一种新型水泵。 1674年，巴本应玻义耳之邀来到英国，并担任玻义耳的助手，即致力于蒸汽泵的实验设计。 巴本从炼铁场广泛用的那种活塞式风箱中得到启发，发明了一个带活塞的汽缸，汽缸里的活塞就像风箱里的活塞。 在实验的时候，将汽缸注入一定的水，放到火上加热，当水沸腾后，蒸汽即推动活塞慢慢上升。然后，撤去火源，汽缸内的蒸汽即慢慢冷凝，汽缸内便产生真空，在大气压力的推动下，活塞慢慢下降。 巴本从这个实验中认识到，由于蒸汽压力、大气压力和真空压力的相互作用，完全能推动活塞及其活塞杆，作往返的直线运动，这种运动产生的机械动力可以带动其他机械的运动。 为厂保证汽缸的安全，1680年，巴本又发明了安全阀。 巴本第一次将汽缸、活塞机构、蒸汽冷凝形成真空原理，运用于蒸汽机，实现用蒸汽作为动力的理想，为以后活塞式蒸汽机的发展开辟了道路。 在I7世纪末18世纪初，随着矿产品需求量的增大，矿井越挖越深，许多矿井都遇到了严重的积水问题。为了解决矿井的排水问题，当时一般靠马力转动辘轳来排除积水，但一个煤矿需要养几百匹马，这就使排水费用很高而使煤矿开采失去意义。 发明家们对排水问题思考着解决的办法。英国的塞维里最早发明了蒸汽泵排水。 塞维里是一位对力学和数学很感兴趣的军事机械工程师，又当过船长，具有丰富的机械技术知识。1698年，他发明了把动力装置和排水装置结合在一起的蒸汽泵。塞维里称之为“蒸汽机”。 塞维里蒸汽泵的工作原理，是利用密闭容器内蒸汽凝结形成的真空，用大气压力把低水位的水，通过吸人管压人容器，然后再用蒸汽将容器中的水压向高处排出。 这是一种没有活塞的蒸汽机，虽然燃料消耗很大，也不太经济，但它是人类历史上第一台实际应用的蒸汽机。这样，蒸汽动力技术基本完成了从实验科学到应用技术的转变。 1705年，英国的纽可门设计制成了一种更为实用的蒸汽机。 纽可门生于英国达特马斯的一个工匠家庭，年青时在一家工厂当铁工。从1680年起，他和工匠考利合伙做采矿工具的生意，由于经常出人矿山，非常熟悉矿井的排水难题，同时发现塞维里蒸汽泵在技术上还很不完善，便决心对蒸汽机进行革新。 为了研制更好的蒸汽机，纽可门曾向塞维里本人请教，并专程前往伦敦，拜访著名物理学家胡克，获得厂一些必要的科学实验和科学理论知识。 纽可门认为，塞维里蒸汽泵有两大缺点，一是热效率低，原因是由于蒸汽冷凝是通过向汽缸内注人冷水实现的，从而消耗了大量的热；二是不能称为动力机，基本上还是一个水泵，原因在于汽缸里没有活塞，无法将火力转变为机械力，从而不可能成为带动其他工作机的动力机。 对此，纽可门进行了改进。 针对热效率问题，纽可门没有把水直接在汽缸中加热汽化，而是把汽缸和锅炉分开，使蒸汽在锅炉中生成后，由管道送人汽缸。这样，一方面由于锅炉的容积大于汽缸容积，可以输送更多的蒸汽，提高功率；另一方面由于锅炉和汽缸分开，发动机部分的制造就比较容易。 针对火力的转换，纽可门吸收了巴本蒸汽泵的优点，引人了活塞装置，使蒸汽压力、大气压力和真空在相互作用下推动活塞作往复式的机械运动。这种机械运动传递出去，蒸汽泵就能成为蒸汽机。 纽可门通过不断地探索，综合了前人的技术成就，吸收了塞维里蒸汽泵快速冷凝的优点，吸收了巴本蒸汽泵中活塞装置的长处，设计制成了气压式蒸汽机。 纽可门蒸汽机，实现了用蒸汽推动活塞做一上一下的直线运动，每分钟往返16次，每往返一次可将45.5升水提高到46.6米。该机即被用于矿井的排水。 但是在实际操作过程中，感到很不方便的是，向汽缸内喷冷汽和蒸汽阀门的开关必须由人手操作。后来，由贝顿对龙头和阀门的结构提出改进意见，把龙头手柄与阀门开关用绳索连接起来，基本上实现了对龙头和阀门的自动控制。 从1712年起，英国大部分煤矿和金属矿都安装了纽可门蒸汽机，特别是深矿井。蒸汽机的使用给英国的煤矿主带来了丰厚的利润，使深层煤矿得到进一步开采。英国北部有些煤矿较深而被积水淹没，濒临绝境，采用纽可门蒸汽机后，改变了这种局面，矿井很快恢复了生产。 但是，纽可门的蒸汽机也有很大缺陷，就是蒸汽损耗严重，热效率依旧不高。因此耗费的煤炭量很大，除了用在燃料价格便宜的煤矿收益较大外，很难成为各种工业通用的动力机。 即使在煤矿使用，开动这种蒸汽机每天要用 50匹马来运送所需的煤炭，这些马匹食用的饲料开销也很大，结果从矿山上赚来的钱也被马吃掉了不少的一部分。 为了解决十分紧迫的工业动力问题，发明家和生产者都在不断地探索。机修工瓦特是其中成就卓著的伟大发明家。 1736年詹姆士·瓦特生于英国造船业中心格拉斯哥附近的格林诺克，父亲是一个熟练的造船装配工人，祖父和叔父是机械工人。由于家庭环境的影响，少年的瓦特就熟悉了一些机械方面的知识。由于家庭贫穷，瓦特身体也不好，在受完初等教育后就辍学了。1754年，瓦特的父亲经商失败而破产，瓦特就走上社会，先在格拉斯哥当机械工学徒，不久到伦敦当学徒。由于他勤奋学习，又有一定的基础，在努力实践的基础上，还没出师就能制造难度较大的航海仪器、经纬仪等仪器。 但是，艰苦的学徒生活，繁重的体力劳动，使瓦特劳累过度，在 1756年8月病倒了，不得不回家休养。为了生计，瓦特病还没有好就去格拉斯哥，想经营仪器制造和修理，由于当地行会限制未果。 1757年，瓦特经人介绍，到格拉斯哥大学修理教学仪器。瓦特由此结识了该校的一些教师和学生，如布莱克教授和大学生鲁宾逊，并成为亲密的朋友。瓦特修理仪器时，正好实验室里有一架巴本的蒸汽泵，他就用这架蒸汽泵进行一些蒸汽动力实验，和该校的一位物理学教授一起进行蒸汽技术的实验研究，并探讨如何改进蒸汽机的问题。 1763年，格拉斯哥有一台纽可门蒸汽机坏了，大学请伦敦一位仪表工来修理，但没有修好。第二年，瓦特接受了这一工作。 瓦特在修理纽可门蒸汽机时，对这种当时最先进的蒸汽机进行了深人的研究。这台蒸汽机的主要缺点是耗煤量太多，热效率低，那么燃煤的热量跑到哪里去了呢？ 通过对这台纽可门蒸汽机的机械结构和工作原理的解剖分析，他发现，当蒸汽进人汽缸后，温度即上升到100℃，为了得到真空，又要立即向汽缸喷人冷水而冷凝，汽缸内的温度下降到20℃左右。就这样一升一降，活塞才能完成一个冲程的往返动作。 热量消耗太多的原因就在这每一冲程中，既要向汽缸喷人冷水使之变凉，又要向汽缸内输送蒸汽使之变热，这样，大部分热量就用来加热汽缸了。瓦特请人经过精确的计算，结果是75%的蒸汽用来加热汽缸，只有25%的蒸汽用来作功。 同时，蒸汽经冷凝后温度仍然较高，真空度不好，也影响了蒸汽机的效能。 抓住了问题的症结，就要寻求解决的办法。瓦特认为：“为了更有效地利用蒸汽，以下两点都是必须的：第一，汽缸要始终保持蒸汽进人时的温度；第二，当冷水喷人汽缸，蒸汽被冷凝时，汽缸又被冷却到100℃以下。 为了使以上两个相互矛盾的要求都能实现，就不能直接采用纽可门机原来的方法。改进的方案直到1765年才由瓦特设想出来，将汽缸和另一个冷凝蒸汽的容器用连接件接通，缸内的蒸汽就像有弹性的液体一样，将会直接而迅速地流入空的容器，如果用喷水或其他方法使容器保持低温，那么蒸汽就会继续进入容器直到全部凝结成水。 瓦特立即着手实验，并收到预期的效果。他把将蒸汽引入另外的冷凝蒸汽的容器叫做冷凝器。 此后，瓦特在蒸汽机结构中做了改进，即封堵敞开式汽缸的端部，留下通过活塞的缸孔，用蒸汽压力代替大气压力推下活塞。这样在接近地面处的大气压力为一个大气压，利用蒸汽后，就可提升到任意个大气压，所以输出的力比纽可门蒸汽机大得多。 瓦特的这些技术设想和发明，包含在他的1769年专利说明书中。这是瓦特关于蒸汽机的第一项专利。 巧妙的设想为瓦特打开了通向成功的大门。但是要把设想变为现实并不是轻而易举的，可能会遇到难以想象的困难。 那时，英国的工业界很少有人能够按照比较复杂的图纸，准确无误地加工各种机器零件。要制造出瓦特设计的蒸汽机，需要有昂贵的金属材料。先进的机构加工设备、熟练的机械加工和装配工人，才能制造出高精度的汽缸、活塞和其他零配件。 这些条件瓦特都不具备。他有的只是35镑的年薪，为了试制一名试验用的冷凝器，他已经变卖了所有值钱的东西而一贫如洗了。但瓦特并没有因失败和贫穷而消沉，仍然在孜孜不倦地奋斗着。 当布莱克教授得知瓦特的处境时，将他推荐给工厂主罗巴克，双方签订了合同：罗巴克向瓦特提供研制费用，获得瓦特的专利和2/3生产利润。这一合同开辟了科学研究和工业生产相结合的道路。 通过努力，瓦特在1769年制造出第一台装有分离冷凝器的蒸汽机，比纽可门的蒸汽机在热效率上提高了 2/3，但在性能上还无法作为真正的动力机，没有引起社会的关注。 1772年，英国经济萧条，不少企业倒闭，罗巴克也破产。瓦特又孤立无援，颇感失望，但他看到已经克服了纽可门蒸汽机热效率低的缺点，现在所要解决的是把蒸汽机怎样变为普遍的动力机。 “成功的路已走了一半，难道前功尽弃吗？” “绝对不能！” 瓦特的伟大就在于他不断地克服困难，促使理想走向现实。 1774年，罗巴克把瓦特介绍给自己的企业家朋友博尔顿，从而使瓦特的研制工作能够继续进行。 1775年，著名机械工程师威尔金森发明了能精密加工炮筒的镗床。用这一技术对汽缸内壁进行精加工，使之与活塞严密配合以减少漏气，大大提高了蒸汽机的功率。 1781年，瓦特研制出了被称为“太阳和行星”的齿轮联动装置，终于把活塞的往返直线运动转变为轮轴的旋转运动。旋转的轮轴可以通过齿轮或链条带动任何工作机，实现了革新纽可门蒸汽机的第二次飞跃。年底，瓦特获得了第二个专利。 1782年，瓦特试制出带有双向装置的新汽缸。以前制造的蒸汽机都是单汽缸，蒸汽从一面推动活塞，还是有些浪费。双向汽缸是蒸汽从两面交替地推动活塞，功率比原来提高了1倍。 瓦特还首次把蒸汽缸的蒸汽由低压蒸汽改为高压蒸汽。 双向高压蒸汽机发明后，纽可门蒸汽机完全成为瓦特蒸汽机，瓦特获得了第三个专利，从而实现了他在革新纽可门蒸汽机中的第三次飞跃。从此，瓦特蒸汽机成为一切工作机的动力机。 1784年，瓦特以他对纽可门蒸汽机革新的全部成果综合组装的蒸汽机，获得第四个专利。在这个专利说明书中，瓦特详尽地说明了这种新式蒸汽机的种种性能和优点，并把它说成是一种万能的动力机。 瓦特从1757年到格拉斯哥大学修理教学仪器而接触蒸汽机开始，到1784年完成了他各种革新成果的综合组装为止，经历了20多年的漫长历程。在这段时间里，虽然有无数的挫折和失败，但他那种不屈不挠的精神，不达目的誓不罢休的毅力，终于实现了对纽可门蒸汽机的彻底革命。 瓦特蒸汽机发明后，对工业革命的发展起了巨大的推动作用。蒸汽机作为一种不可抗拒的力量，迅速广泛地进人煤矿、铁矿、纺织、冶金、机械等行业，在全世界范围内掀起了一场工业大革命，推动了社会生产力的惊人发展。 从科学技术上看，瓦特蒸汽机的发明，表明科学理论对技术发展的促进作用，第一次把热能转变为机械能；同时技术进步也推动了科学的发展。 蒸汽机的使用引起人们对热现象的广泛兴趣，推动了热学、热力学和能量转化方面的基础理论的研究。 航运业的革命 瓦特蒸汽机的发展，使各行各业出现了一个前所未有的发展时期，原材料、产品和机器的运输以及人员的频繁往来，使交通运输问题越来越突出，海上的帆船和陆上的马车已经远远不能适应运输的需要，船与车的革命迫在眉睫。 船，是渡河、过江、越海、跨洋的重要工具。 人类发明的最古老的船是木筏。 把水上浮的树木捆起来，抓着它们游泳或坐在上面，这就是船的起源。后来随着捆在一起的树木的增多，对捆绑的方法加以改进，就成了木筏。 木筏之后是独木舟，就是把原木凿空，人坐在上面，这是最简单的船。 由于独木舟是用一根原木做成，因此它的容量有限。后来出现把两只独木舟并列起来并用横木连接的船。这就是中国占代使用的舫。 船的方向是用桨来控制的，但要是大船就很困难，于是船上有了舵。 此外，很早就发明广利用风力的帆船。 中国是造船史非常悠久的国家。在商朝，中国人就“刳木为舟，剡木为楫”。特别是在15世纪初年，明朝的郑和率领庞大的船队七下“西洋”，先后到达中东、北非、东非等地。 郑和船队中最人的船，长是44.4丈，宽18丈，舵杆长3.3丈，张12帆，载重量 800吨。其“体势巍然，巨无与敌，篷帆锚舵，非二、三百人莫能举动”。中国的航海事业居世界前列。 西方的舟船也历史久远，尤其是在中世纪，由于中国用于辨别航海方向的罗盘针的传人，曾进行过新航路开辟中的4次远航，即葡萄牙人迪亚士于1487年远航南非，到达非洲的最南端；意大利人哥伦布于1492年航行到美洲；葡萄牙人达·枷马于 1498年绕过非洲航行到印度；葡萄牙人麦哲伦于1519年进行环球航行。 但是，航行的动力依然是人力和风力，即桨和帆，近代运河的船只也用两岸骡马的畜力拉拽。也是原始的。 近代工业革命为船舶革命提供了条件。蒸汽机的发明及完善为之提供了动力，冶金业为之准备了材料.机械制造业提供了加工手段。另外工业革命还积累了资金。 1807年，美国人富尔顿建造的“克莱蒙特”号轮船，在哈得逊河上逆流而上，取得了轮船航行的首次成功。 但是，富尔顿并非轮船的发明人。 最早发明汽船的人是美国工程师菲奇。在 1787年，把一台瓦特蒸汽机安装到船上，进行试航，获得成功。1790年，他又制造一艘大型汽船，开辟了费城到巴尔的摩的定期航线。 菲奇没有申请发明专利，也没有公布他的发明，后来从事海上的投机买卖，最后破产，在贫病交加中默默无闻地自杀而亡。 1788年，英国的赛明顿制造在两侧装有桨轮的轮船，航行成功。1803年，他制成一艘拖船在克莱德运河上航行。由于这台大马力的拖船将使在河岸用缆绳拉船的拖船业者失业，而遭到他们的拼命反对，并把拖船强行拖上岸，伟大的发明就这样被扼杀了。赛明顿在失望中逝世。 由于菲奇、赛明顿在造船史上没有建树，通常人们认为富尔顿是轮船的第一个发明家，并被誉为“轮船之父”。 罗伯特·富尔顿于1765年生于美国宾夕法尼亚州的兰开斯特，16岁时，在费城学习绘画，曾为富兰克林画像而知名，又在富兰克林的资助下去英国学画。 在英国期间，富尔顿对机械产生了浓厚的兴趣，并立志当个发明家。他研究了赛明顿的拖船，会见了发明蒸汽机的瓦特。 1797年，富尔顿去法国巴黎定居，先后发明了鱼雷和潜水艇。他来巴黎是想把武器卖给拿破仑，但是拿破仑并不感兴趣，根本不相信富尔顿。 在法国，富尔顿结识了美国驻法公使，并在他家里看到了菲奇的轮船设计图。于是，富尔顿决心自己制造轮船。 富尔顿说干就干，几经努力，在1803年建造了第一艘轮船，在巴黎的塞纳河试航。 这是一艘以瓦特蒸汽机为动力，以桨轮为推进方式的汽船，长70英尺，宽8英尺。 试航定于8月10日。 这一天，富尔顿满怀信心地走上汽船。这艘船机械全部安装完毕，等待启航。 船启动了。 虽然这艘船逆水行驶时，速度已如快步前进的行人，但由于蒸汽机刚被引上船，它的推进系统还不够完善，航速和稳定性方面都不够理想。 由于富尔顿的汽船研制工作没有得到法国政府的重视，第一艘轮船的试船没有取得应有的成功，又因试制这艘船而濒于破产，他只得返回美国。 回国后，富尔顿得到美国的农场主、发明家利文斯顿的帮助，才有资金、人力、材料去继续研究他的汽船。 富尔顿对前人所造的轮船和自己在巴黎造的轮船进行认真的研究，感到有许多技术问题要解决，如船的吨位和动力大小的比例问题，船身长和宽的比例问题，桨轮大小问题等等，要正确解决这些问题，必须进行进一步的实验。 多年来，富尔顿历尽艰辛，经过许多次波折，为了解决一个问题往往要经过许多次失败。但他具有百折不挠的决心，不达目的誓不罢休。 在第二艘汽船的研制中，富尔顿在造船技术上进行了两个大革新。 第一是把明轮桨改为螺旋桨。富尔顿在第一艘汽船上用的是明轮桨推进系统，它影响了汽船的速度、稳定性和耐波性。回到美国后，他听说有人发明了螺旋桨船，富尔顿研究了它的技术资料后，认为螺旋桨有更大的优越性。 第二是大胆地采用铁板作为造船材料。人们总是认为浮力原理不适合金属，因此造船只能用木质材料，要想用铁造船，那只能在梦中实现。 然而在 1787年，威金逊首先用铁板造了一艘船，它安全地浮在水面上，并没有沉没。从而把铁也能造船的梦想变为现实。 1806年，富尔顿在组约附近的哈得逊河上正式开始建造他的第二艘汽船。 富尔顿和工人们日夜兼程地建造新船。为了得到性能优良、马力强劲的蒸汽机，富尔顿亲自跑到英国向瓦特求援。 当别人看到富尔顿用铁板造船时，流言四起，说富尔顿是个怪人，他的船是用铜辨士熔造的。坚定的富尔顿岂能被谣言动摇决心，面对人们的造谣诬蔑和攻击毁谤，只能一如既往，不断努力，继续前进。 通过一年多的紧张施工，一艘被命名为“克来蒙特”号的汽船终于建成。船长150英尺，宽13英尺。好奇的人们从船旁经过，望着这艘怪船，都说这是“富尔顿的蠢物”，因为他们没有看见这样的怪船：长长的船身，上面立着一个大烟囱，却不见桅、帆之类的东西。 对于别人的讥笑，富尔顿并不在意，一笑置之。 1807年8月17日，“克莱蒙特”号在哈得逊河上作历史性的航行。 试航的时间到了，富尔顿胸有成竹地看着船体滑人水中，工人点燃锅炉，蒸汽机轰鸣起来，随着一声汽笛，船前进了。 “动了，动了！” “富尔顿真了不起！” 河岸围观的人也非常兴奋，跟着船跑起来。 “克莱蒙特”号在行进中相当稳定，而且速度也比较快，从纽约沿哈得逊河逆流而上，到达上游的阿尔巴尼城，共150英里，只用32小时。 试航获得成功，富尔顿胜利了。从此，“克莱蒙特”号成为哈得逊河的定期航轮。 “克莱蒙特”号的成功，是富尔顿认真研究、反复试验、不屈不挠、艰苦探索的结果。在造船和修船期间，富尔顿每天早晨5时就到工地，整天在那里工作，和木工、油工、水手们在一起。 “克莱蒙特”号一开始并不是完善的，锅炉和阀门经常漏气，经过多次改进才消除这些缺陷。他为了改进船工的条件，也增加了一些设备，才不断地使航速由4英里到5英里，又提高到6英里。 富尔顿的“克莱蒙特”号是近代造船史上第一艘真正的汽船。它以铁为新型造船材料，以蒸汽机为新的动力系统，以螺旋桨为新的推进系统，开创了造船史的新纪元。 “克莱蒙特”号标志了帆船时代的结束，汽船时代的开始。 1808年，富尔顿又建造了两艘轮船。在以后的几年里，富尔顿又建造了13艘轮船，在世界船舶发展史上写下了光辉的一页。 自从富尔顿的“克莱蒙特”号试航成功以后，汽船制造业即在美国和欧洲许多国家发展起来。到20世纪初，汽船成为许多国家的内河航运和海洋运输的主要交通工具。 1815年2月23日，富尔顿逝世。但当人们乘船邀游蔚蓝色的大海时，一定不会忘记这位百折不回的富尔顿。 陆上交通的新纪元 瓦特蒸汽机引起水域交通工具的革命，同时也促使陆上交通工具的革命，英国人斯蒂芬逊的蒸汽机车驶进了近代科学技术史的舞台。 蒸汽机车，就是我们所熟悉的火车。一个火车头拉着一条长龙似的车厢，飞快地在轨道上奔驰。它越过平原，穿过峻岭，飞渡桥梁，穿越隧道。 然而，这力大无比的火车头是谁发明的？又是怎么制造出来的？ 车的历史和船同样久远，早期的车以人力和畜力为主要动力。马车是人类文明史上数千年来主要的陆上交通工具，是近代火车的直接先驱。 18世纪中期开始进行蒸汽机的研究，这时就有人想用蒸汽机来牵引车，但不是在轨道上行驶的蒸汽机车，而是公路上行驶的蒸汽汽车。 在蒸汽机刚发明时，主要用于矿井下抽水泵的动力，后来有人想用于矿车的牵引，以便把大量煤炭快速地运到远处。 那时，由于采矿业的发展，矿产品的运输是一个突出的问题，运输工具仍然是马车。在使用马车的过程中，人们逐渐发现，马车在有轨道的路上行驶时，拖拉的重量比在普通路面上高3倍。于是就铺设了木轨道，因为当时的冶金业不发达。 木轨道的发明和应用，是运输业的一大进步，也为蒸汽机车的发明打下了基础。 随着冶金业的发展，在1738年英国的一家矿山出现了第一条“铁轨”，当然它只是包有铁皮的木轨，运行的仍然是马车。 1759年，英国物理学家罗比森提出了用蒸汽车在铁轨上拉动车子的最初设想，第一次把蒸汽机和铁轨联系起来。但是，许多人担心，具有铁轮的机车又笨又重，在光滑的铁轨上行驶，只会打滑空转，根本无法前进。 于是，1769年法国的居纽制造出蒸汽汽车，1783年，英国的默多克制成的也是蒸汽汽车。 1802年，英国的特列维希克制造出了第一台真正的铁路上行驶的蒸汽机车。这辆机车可以牵引5辆货车，载重10吨和70名乘客，时速8公里，性能优异。 遗憾的是，用铸铁制造的铁轨非常脆，运行几次后就损坏了，机车再也无法行驶。这样，尽管特列维希克的机车是一次巨大的成功，却没有能够得到应用。同时，由于他缺乏继续研究的毅力，而逐渐被人们遗忘。 英国的斯蒂芬逊也热心研究蒸汽机车，终于发明了第一台真正可供实用的蒸汽机车。 乔治·斯蒂芬逊，1781年6月8日生于英国一个穷苦的矿工家庭，8岁时就去给人家放羊，16岁时随父亲去煤矿做工，当上了一个给蒸汽机烧锅炉的工人的助手。由于天天和蒸汽机打交道，而热爱上机械，对蒸汽机的构造和性能逐渐熟悉了。 要掌握技术，通晓理论，没有文化是非常困难的。他头脑里总是在想，水蒸汽为什么能使机器转动？转动的机器为什么能代替人进行工作？这些原理书上有，可是没有文化的斯蒂芬逊看不懂。于是他下决心努力学习文化。 矿上有一所夜校，专门招收 7至 8岁的儿童。这一天，一位大约18岁的小伙子来到夜校，和比他矮半截的小同学一起上课，他就是斯蒂芬逊。 从这一天开始，斯蒂芬逊白天做工，下班后还帮别人修理钟表，晚上拖着疲惫的身体去夜校读书。凭着坚韧的毅力，他从夜校毕业了。 有了知识，就可以阅读各种科技书籍，研究蒸汽机和其他机械，斯蒂芬逊的理论和技术突飞猛进。 1809年的一天，矿上的一辆运煤车坏了，许多技师查了很长时间，都找不到原因。 “让我来试试。”斯蒂芬逊自告奋勇。 “你也行？”一个骄傲的技师鄙视地看着眼前这个不起眼的锅炉工。 “真不知天高地厚！”另一位技师也讥笑着附和。 “我会修好的！”斯蒂芬逊是那样的自信。 他从容不迫地把车子拆开，一件件检查、修正，然后重新安装好，运煤车又欢快地开动了。 斯蒂芬逊由于修好了技师们修不好的运煤车，而被任命为工程师，年仅28岁。 1812年，斯蒂芬逊在伦敦工业展览会上看到了特列维希克的蒸汽机车模型，从而产生了极大的兴趣.投入到蒸汽机车的研制中。斯蒂芬逊对当时火车制造和行驶中存在的问题，进行了认真的研究，总结前人的经验教训，加上他具有蒸汽机及一般机器的基础知识，和不懈的奋斗精神，经过两年多的研究试制，终于在1814年制成了他的第一台蒸汽机车，名字叫“布鲁茨赫尔”号。 这台机车在坡道上行驶，载煤30吨，时速7公里。当然这台机车本身很不完善，它的外型比较难看，构造简单，由于没有安装弹簧，行驶时颠簸剧烈，甚至把铁轨都颠坏了。 于是有一些人对这一新生事物大肆指责。有人说隆隆的机车声破坏了世界的安宁，铁路两旁的牛羊受惊不敢吃草，鸡鸭受惊而不能下蛋。有人说车头冒火把附近的树烧焦了。有人说，锅炉会爆炸，车厢会颠覆，乘客将会遇难。 斯蒂芬逊不怕讥笑与责难，克服困难，继续研究。 从1814年到1825年，斯蒂芬逊先后制造了19台机车，信心大增。 这期间，他对机车和轨道进行了重要的技术革新。首先是把蒸汽机的出汽管道用小管引人烟囱，一方面减小了噪音；另一方面加快了出烟速度，使煤燃烧更充分，提高了热效率，提高了机车的载重量和速度。 其次，在机车上增加了弹簧和其他部件，减轻了震动，提高了稳定性。 第三是改革铁路轨道。原来的轨道是在优质木轨外包上铁皮，而斯蒂芬逊第一次用铁铸成的铁轨，并在枕木下铺了石子，从而加强了铁轨的抗震能力。 1823年，英国建造从斯托敦到达林顿之间的商业铁路，斯蒂芬逊出任总工程师。 1825年9月27日，斯蒂芬逊亲自驾驶自己设计制造的“旅行号”蒸汽机车在这条铁路上试车。 有人这样描写试车的盛况：“今天早晨发生的情景是难以描述的，人人精神振奋，心情愉快.有些人喜形于色，另一些人惊讶不已，使得这个场面丰富多采。机车在预定的时刻开动了。……铁路两旁人山人海，许多人跟着火车跑；另外一些人骑马沿路旁跟随火车。” “旅行号”机车牵弓132节车厢，载有90吨货物，并带有450名乘客，时速20公里。 这次试车成功了！从此，开辟了陆上运输的新纪元。 1826年，英国决定在两大城市曼彻斯特和利物浦之间修建一条铁路，由斯蒂芬逊主持修建。 这条铁路的工程是空前的。沿线要架设63座桥梁，在利物浦附近要开挖2公里的隧道。斯蒂芬逊不畏艰难，顽强拼搏。 他还顶住人为的非难。有人散布谣言，说什么火车和煤烟会毒害家禽牲畜，火车要爆炸而炸死乘客。更严重的是，那些依靠运货马车和客车而谋生的人们，担心铁路建成后将失去生活来源，而对斯蒂芬逊进行人身迫害。 斯蒂芬逊下定决心，不怕诽谤与恐吓，排除艰难和险阻，和工人们齐心协力，顽强奋斗，终于把这条铁路建成了。 这个时期，也有其他人试制机车，他们提出：“这条铁路用斯蒂芬逊的机车不一定合适，应该和其他机车进行比赛，从中选出最优秀的机车。” “那就进行一次机车比赛来决定吧。”斯蒂芬逊欣然同意。 比赛的条件是，以时速16公里的速度，在利物浦附近的赖布尔3.2公里的线路上往复行驶20次。 1829年10月，比赛的日期到了。参加比赛的有4台机车，其中就有斯蒂芬逊最新研制的“火箭号”。 赖布尔人山人海，人们观看这场从来没有看过的机车比赛。首先是“新奇号”，在第三次往返中，机车管道破裂。第二台机车一开始就出了毛病而不能行驶。 第三台登场的是“火箭号”，以平均45公里的时速，跑了20个来回，获得了普遍赞誉。 最后一台在第10次往返中出了故障，人们为之惋惜。 斯蒂芬逊的“火箭号”机车大获全胜。 从此，人们不再怀疑蒸汽机车的性能了。在英国出现了铁路建筑的热潮。其他国家的铁路运输也迅速发展起来。 斯蒂芬逊原来只是个牧童，18岁时还是个文盲，但是他勇于实践，敢于创新，甘于吃苦，乐于奉献，为蒸汽机车做出了杰出的贡献，被后人誉为“近代蒸汽机车之父”。 此后，斯蒂芬逊一直从事机车制造和铁路建设工作，直到1848年逝世。 第一次工业革命是生产力发展的必然结果，极大地推动了社会的发展。 第一次工业革命从其进程来看，可分为三个阶段，即以纺织机械为内容的工作机革命，以蒸汽机为内容的动力机革命，以汽船和机车为内容的运输革命。这三个阶段依次可视为序曲、主调、尾声，构成了第一次工业革命的完整乐章。 第一次工业革命极大地推动了自然科学的发展。 |
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