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世界科技全景百卷书: 瓦 特
呼唤大力士 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 前人的努力 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。 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。 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！ 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！ 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。 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。 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： “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。 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。 不平凡的身世 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 刻苦攻关 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。 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。 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。 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。 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。 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！” 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。 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。 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 “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。 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）。 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。 |
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