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摘要:第一个利用蒸汽力的人 ​蒸汽机为何只能诞生在英国 2017/03/25 | 邱锐| 阅读次数:5718| 收藏本文 ​蒸汽机诞生英国 摘要:英国采矿业的急迫需求、前人的技术积累、专利保护观念的深入

  第一个利用蒸汽力的人

​蒸汽机为何只能诞生在英国

2017/03/25 | 邱锐| 阅读次数:5718| 收藏本文

​蒸汽机诞生英国

摘要:英国采矿业的急迫需求、前人的技术积累、专利保护观念的深入人心、瓦特合作者博尔顿的商业头脑等诸多先决条件,才奠定瓦特的成功。

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英国西南部维尔特郡的克罗夫顿抽水站,世界上最古老的蒸汽机仍在运行。虽然大多时候抽水站依靠电力运行,但每逢特定周末,这台蒸汽活塞式摇臂抽水泵会以每分钟12吨水的速度,将河水注入6个8英尺高的水闸内,确保肯尼特埃文运河畅通。自1812年运行以来,除1960年代个别时间,它一直不停地工作。英国作家查尔斯·狄更斯在名着《艰难时世》中将其形容为:“机器单调地上下摆动,像一只悲伤的大象疯狂地晃动着头颅。”

蒸汽机是工业革命时代的标志性装置。提到蒸汽机,人们同样会联想到着名的英国发明家詹姆斯·瓦特。上述蒸汽机正是由瓦特的公司制造、安装的,标号为42B——意为伯明翰博尔顿&瓦特制造厂生产的第二台42英寸汽缸的蒸汽机。瓦特常被称为“蒸汽机的发明者”,像华盛顿与樱桃树、牛顿与苹果一样,他也被杜撰了许多充满戏剧性的经历,比如,瓦特看到水壶盖子被蒸汽冲飞后受到启示,发明了蒸汽机。事实上,早在瓦特出生20年前,蒸汽机就已进入市场。

准确地说,瓦特并非“蒸汽机的发明者”,只是一位优秀的“蒸汽机改良者”。如果没有英国采矿业的急迫需求、前人的技术积累、专利保护观念的深入人心、瓦特合作者博尔顿的商业头脑等诸多先决条件,瓦特基本没有可能取得被后世所给予的荣耀。蒸汽机乃至工业革命之所以发生在英国,并不是一件巧合的事情。

  呼唤大力士

蒸汽机的诞生

古老的船只是依靠人力、风力的驱动而航行在江河、海洋上的。到18世纪下半叶,蒸汽机的应用提供了新的动力,人们开始把蒸汽机用于推动船舶的航行上。 让我们从蒸汽机的诞生谈起吧。 每当人们提起蒸汽机,就很自然地想到了瓦特,因为在许多人的印象中,蒸汽机是瓦特发明的。长期以来,甚至还流传着这样一个故事: 瓦特小时候,有一次到姨妈家去做客,看见火炉上水壶里的水烧开后,蒸汽把壶盖都掀动了。顽皮的瓦特用东西把壶嘴堵住以后,蒸汽竟然把整个壶盖掀掉了。“蒸汽竟有这么大的力量?”瓦特非常吃惊。后来,瓦特受这件事的启发,终于发明了蒸汽机。 詹姆斯·瓦特(James Watt,1736—1819),1736年1月19日生于苏格兰格里诺克,这里是格拉斯哥市附近的一个小港口。瓦特的父亲是一位精明能干的造船技师,在格里诺克经营一个小作坊,专门修理船上的装备和仪器。 瓦特从小体弱多病。在学校里,他举止文静,成绩很好。每天放学后,他就往父亲的作坊里跑,专心看那些老师傅制造模型,修理罗盘、望远镜等航海仪器。父亲看到儿子喜欢工匠活,非常高兴,就给他一套工具和材料供他使用。瓦特从小就学会了使用工具,学习自己制造模型。 瓦特中学毕业时,父亲的事业遇到了挫折,接着母亲又去世了。刚满17岁的瓦特只好放弃上大学的打算,决心学好手艺,当一名仪器制造师。 瓦特到了伦敦,在仪器制造师摩根的门下拜师学艺。少年时代就有过良好训练的瓦特,学艺进步很快。他7月开始学习,8月5日开始做一架航海定方位用的象限仪,到8月23日就做成了。摩根师傅很高兴,于是10月份教他做直尺,11月份教他做方位罗盘…… 瓦特白天在作坊里学艺,一直干到晚上9时,第二天天一亮又起来干。他抓紧一切时间学艺,不仅向老师傅学,也向周围的师兄们学。 瓦特省吃俭用,拖着瘦弱多病的身体坚持了一年,在1756年7月学艺期满了。 父亲看到瘦弱的儿子学艺归来十分高兴,要他先在家中好好休息,养养身体。可是,瓦特十分惦记着迪克博士许下的诺言。原来,迪克博士曾经答应瓦特学艺成功之后,介绍他到格拉斯哥大学去工作。 三个月以后,瓦特的健康状况有了好转,他在家中再也待不住了。1756年10月,他带着工具信心十足地到了格拉斯哥。 说来也巧,格拉斯哥大学正有一项任务在等待着他去完成。 原来,格拉斯哥大学刚由牙买加购进一套天文仪器。由于长时间的海上运输,这套仪器受到颠簸震动,又受到含盐湿气侵蚀,因此需要清洗和维修。学校正愁找不到好的仪器工匠时,瓦特来了。 迪克博士为瓦特安排了工作室。瓦特勤奋地工作了一个月,把全部仪器清洗、维修好了。学校对瓦特的工作很满意。从此,瓦特就在格拉斯哥大学扎下了根。这时瓦特才21岁。 在大学里,瓦特得到许多科学家的关怀和帮助。其中,对瓦特影响最大的是布莱克教授和罗宾逊。 布莱克是二氧化碳气体的发现人,以研究燃烧和潜热而出名。后来瓦特成名以后,曾感激地提到布莱克,他说:“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知识。他始终是一个真正的朋友和顾问。”瓦特曾经制造过一架小风琴送给布莱克作纪念。 罗宾逊是比瓦特小两岁的大学生,当时刚刚获得硕士学位。他们经常在一起讨论问题,互相学习,互相帮助。罗宾逊曾对人说:“每当我在工作中遇到疑难问题,就去找瓦特,无论什么问题到了瓦特手里,都会迎刃而解。” 在大学里,瓦特不但有这两位亲密的朋友,而且,凡是找瓦特修理仪器的教授,都热心地向瓦特讲述仪器的原理和用途,给他找来有关的书籍和资料。勤奋的瓦特通过实践和学习,理论水平和工作能力都有了很大的提高。 那时,欧洲一些国家的采矿业规模越来越大,矿井越挖越深。这样,不仅搬运矿石要用大量的人力,而且地下水不断地冒出来,还要用几十匹骡马,配上几十个工 人,昼夜不停地把水用吊斗拉上来,严重影响了矿业的发展。能不能用机械抽水呢?能不能有高效的动力代替畜力和人力呢?人们想到了蒸汽,开始研究起蒸汽机 来。 第一台原始的蒸汽机是法国人巴本在德国发明的。 为了把肉骨头快点煮烂,巴本制造了一个高压锅。为了安全起见,他在锅盖上装了一个安全阀门,当锅内压力太大时,蒸汽就会推开阀门喷出来。这与我们现在家用高压锅的原理是一样的。 1690年,巴本制成了一台蒸汽机。这是一个有活塞的圆筒,当圆筒里的水烧开后,蒸汽就把活塞推上去。等到活塞推到顶上,把火撤去,等到圆筒里的蒸汽冷 下来后,大气的压力又把活塞压下来。活塞这样一上一下,再利用绳子和滑轮,就可以把一桶水提起来。其实,这只是大气压力做功,并没有真正由蒸汽压力做功。 而且这种蒸汽机要一会儿烧火,一会儿停火,一热一冷地等老半天才提上来一桶水,效率比较低。 1698年,英国的塞维利改进了巴本的设计。 巴本的蒸汽机,其中那个圆筒既是锅炉,也是冷凝器,又是汽缸。而塞维利的蒸汽机,把锅炉和汽缸兼冷凝器分了家,中间用阀门连通。锅炉只管供蒸汽,用不着 一会烧火,一会停火的,打开阀门,蒸汽充满汽缸;关上阀门,停止通汽,在汽缸上浇冷水,蒸汽冷凝成水后,汽缸的空间部分形成了真空,就可以把矿井中的水抽 吸上来。 这种机器,虽然不需要烧火、停火交替进行,但是费煤费汽,而且运转缓慢,还要有专人守在那里,轮流开闭蒸汽阀门,十分不便,因而使用的人很少。 1712年,英国人纽可门制成了一台带有汽缸活塞和真空冷凝器的蒸汽机。它依靠一根平衡横梁与抽水机相连,活塞在汽缸中上下运动,平衡梁便带动水泵抽水。几十年间,约有一百多个英国矿井采用了这种抽水机,还出口了几台到欧洲大陆。 蒸汽机真的代替人力、畜力工作了。蒸汽机也成了许多人日常谈论的话题。 1763年,格拉斯哥大学的一台教学用的纽可门蒸汽机模型坏了。学校虽然把模型送到伦敦找名匠修理,可是拿回来后仍然不能运转,只好去请教瓦特。瓦特使 出全部本领把模型修好了。可是蒸汽机的活塞走了两三个行程又不动了。是什么原因呢?瓦特决心把问题搞清楚。他发现汽缸兼冷凝器这种一身二任的构造,是机器 转动不好的主要原因。这个重要的部件,既要它冷又要它热的矛盾不解决,机器的性能和效率就会受到严重的影响。 与此同时,瓦特根据新发 现的潜热原理,进行了大量的试验和计算,算出了燃烧多少煤能产生出多少蒸汽;这些蒸汽有1/4用于做功,有3/4白白浪费在汽缸的冷热交替之中。他认为, 应该把冷、热两个任务,分别由两个容器来承担,让汽缸始终是热的,负责做功;让另一个容器始终是冷的,负责使蒸汽冷凝,产生真空。 认识有了,办法呢?经过多少个不眠之夜的反复思索,瓦特找到了答案。他想到蒸汽有弹性,可以用管子把汽缸和冷凝器连通,使汽缸里的蒸汽冲入冷凝器冷凝成水后,使冷凝器内的空间部分形成真空,汽缸里也是真空,就能让大气压迫使活塞做功。 办法有了,行得通吗?瓦特夜以继日地赶制模型进行试验,结果证明这个想法可行。于是瓦特把汽缸同冷凝器分开,这是蒸汽机发展史上的一个重大改变。 从此,瓦特的事业有了新的发展。 从1774年制成第一台机器开始,到1780年瓦特44岁的7年里,他总共制造了40台蒸汽机。 那时候,不是造好了机器去卖,而是供给设计图纸,由买主自己制造机器,瓦特担任技术指导,然后向买主收取酬金。 酬金的计算方法很有趣。那是把瓦特造出的蒸汽机和纽可门蒸汽机比赛,看哪种机器抽的水多。要是纽可门蒸汽机烧一定量的煤能抽水272千克,而瓦特蒸汽机烧同样多的煤能抽水1497多千克,那么就把节约下来的燃料费的1/3付给瓦特作酬金。 从此,采用瓦特制造的蒸汽机的人越来越多,纽可门制造的蒸汽机也就慢慢被淘汰了。 成功并没有使瓦特停步不前。工业发展的需要和他个人的抱负,都促使他不断改进蒸汽机。原来,他的蒸汽机活塞早先只在一面受蒸汽推动;后来,他把活塞改成 两面轮流受蒸汽推动,并巧妙地加了一个连杆,往返推动汽缸上的阀门,使蒸汽由活塞的这一边进来,推动活塞向那一边运动;活塞运动到头后,蒸汽又由活塞的那 一边进来,把活塞又推回这一边。这样一来一往,功率就又提高了一倍。 瓦特始终没有忘记青年时代的理想,那就是不仅用蒸汽机抽水,还要用蒸汽机带动纺织机,开动车辆…… 瓦特开始研究和设计旋转式的蒸汽机。问题的关键是,怎样才能把一来一往的往返运动,变成不断旋转的圆周运动。 经过一番努力,瓦特终于采用飞轮和曲柄两个部件,把往返运动变成了圆周运动。 飞轮和曲柄是怎样把往返运动变成圆周运动的呢?我们可以去观察一下蒸汽机火车头的轮子是怎样转动的,因为它的基本构造和原理,至今仍然保持着瓦特发明时的老样子。 瓦特的旋转式蒸汽机,力量大、效率高,是普遍适用的万能发动机。瓦特在取得发明专利以后,这种发动机很快被应用到纺织、冶金、机械等工业部门。 1800年后,工业革命在英国全面展开,不久,德、法、美等国也紧跟上去,蒸汽机点燃了工业革命的导火索,得到了越来越广泛的应用。1807年,美国的富尔顿把蒸汽机安装在船上,发明了轮船;1814年,英国的司蒂芬逊把蒸汽机安装在机车上,造出了火车车头……

  最早发现蒸汽的力量,并且利用这股力量制作出了第一台利用蒸汽力的器具的发明人,人们一致认为,要上推到公元60年前后的古希腊工程师希罗。

古希腊和古中国的蒸汽机

人类历史上从来不缺能工巧匠。瓦特出生前1700多年,公元1世纪左右,古希腊数学家希罗就意识到了蒸汽的力量。他在位于尼罗河三角洲西部的亚历山大博学园,发明了有文献记录以来第一部蒸汽机,这里也是欧几里得和阿基米德曾经工作过的地方。

这台蒸汽机名叫汽转球,由一个空心球,两根附着其上、方向相反的肘形管子以及一个盛满水的密闭锅子组成。锅子与空心球连通,当其中的水被加热到沸腾时,蒸汽进入空心球,然后从两根管子排出,形成反作用力,进而推动空心球旋转。

见过汽转球的人,都将其视为一个奇迹,但包括希罗在内,他们仅将其视为一个玩具而已。当时,像希罗一样从事研究的人只能依靠富人的资助,为了获取资助,发明家们只能取悦富人,这台“蒸汽机”并没有实际用处,只能算是利用蒸汽进行的一次好玩的尝试。

奇妙的是,在一千多年后的中国,有人也进行了蒸汽试验尝试,原理与汽转球有异曲同工之妙。1658年,比利时传教士南怀仁到中国传教。约在康熙十七至十八年,他曾试制出一台蒸汽动力模型车,将试验手稿发表于1687年的德国《欧洲天文》杂志。1940年代,学者刘先洲将此翻译回国内,并发表在当时介绍先进思想的刊物《东方杂志》上。

澳门威斯尼斯人网址:世界科技全景百卷书,富尔顿发明轮船的故事。根据刘先洲的翻译,南怀仁在这篇手稿中详细介绍了试验情况:“当余试验蒸汽之力时,曾用轻木制成一四轮小车。长二尺,且极易转动。在车之中部,设一火炉。炉内满装以燃烧之煤。炉上则置一汽锅。在后轮之轴上,固定一青铜制之齿轮。其齿横出,与轴平行。此齿轮与另一立轴上之小齿轮相衔。故当立轴转动时,车即被推而前进。在立轴之上,别装一直径一尺之大轮。轮之全周装置若干叶片,向周围伸出。当蒸汽在较高压力之下,由汽锅经一小管向外急剧喷射时,冲击于轮叶之上,使轮及轴迅速旋转,结果车遂前进。”

南怀仁的蒸汽机原理,是用高速蒸汽推动齿轮旋转,带动车子前行,这与汽转球类似。更像汽转球的是,南怀仁发明蒸汽机是为了取悦康熙,并向他展示西方的科学进展,所以这台蒸汽机也仅是玩具而已,同样没有任何实用价值。

  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。

  希罗是一位工程师,他对机械学有许多卓越的认识和杰出的创造,使现代科学家都感到叹服。

令煤矿主头痛的问题

这台首次出现在中国的蒸汽机,也并非南怀仁首创。早在1629年,意大利建筑家布兰卡就发明了一种雏形的冲动式汽轮,原理是向轮子四周叶片上喷射蒸汽流,带动轮子转动。有学者考证,南怀仁很可能在欧洲见过布兰卡的着作并受到启发。

事实上,南怀仁和布兰卡所处的17世纪,研究蒸汽、大气压与真空的关系正是当时的“学术热点”。自从意大利物理学家托里拆利在水银管中发现了“真空”,打破了亚里士多德后流传千年的“真理”——“自然界厌恶真空”,痴迷于研究相关现象的学者越来越多。影响最大的,莫过于在1652年,德国物理学家奥托·格里克发明的“马德格堡半球”。当时,他用近似马戏表演的方式,向包括德国皇室在内的世人展示了即使三十多匹马也无法战胜真空的力量。

很快,人们发现真空能够吸水,或许能解决令当时采矿业者非常头痛的问题。那时的英国,几乎人人都能闻到浓浓的煤烟味。14世纪,英国国王爱德华一世甚至下令,采暖和冶炼金属时禁止燃烧发烟严重的海运煤。也有些煤炭的污染相对较小,那就是无烟煤或硬煤。但这种煤炭多储藏在地下很深的地方。煤矿越深,就越容易产生积水,解决的办法有两种,费巨资挖掘排水隧道,或使用水车带动的排水泵。两种方法都受到地势的严重限制,比如河流的走向必须与矿山的位置一致,当时矿主亟须一种不受地形限制的排水方法。

最新的科学发现,让人们意识到了利用真空为矿井排水的可能性。1699年,世界上第一台具有实用价值的蒸汽抽水机诞生了。是年6月14日,一台巨大的机器出现在英国皇家学会格雷沙姆学院,机器由一个盛满水的气缸和与之相连的锅炉组成。锅炉制造出水蒸气,进入汽缸,当充满蒸汽的汽缸被喷洒上冷水之后,水蒸气迅速凝结,在汽缸内部产生真空,从而把水从外部吸进来。此后,操作员转动不同的阀门,让蒸汽进入汽缸,将汽缸内抽上来的水通过一个管道挤出去,准备下一轮抽水。

机器的发明者名叫托马斯·萨弗里,他将这台蒸汽抽水机命名为“矿工之友”,意为帮助矿工排水。当时,英国皇家学会如此报道这次展示活动:“萨弗里先生……以火为燃料,通过水蒸气的收缩来真空抽水。他向学会会员展示了真空泵的运转过程。试验非常成功,也令会员们非常满意。”

这台机器获得了英国皇家学会的认可,却没有得到矿主的认可。机器没有安全阀,且汽缸焊接处的熔解温度十分接近高压蒸汽温度,这让机器存在巨大的爆炸隐患;更糟糕的是,标准大气压环境中,水被抽取的极限高度为10米左右,故它不能安装在矿井顶端,最多只能安装在离矿井底部不超过25英尺,也就是7米左右的位置。

  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。

  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。

开启蒸汽机革命的大门

萨弗里曾在英国达特茅斯雇佣工匠,为他的蒸汽机制造模型和零件。当地一位名叫托马斯·纽科门的五金商,或许受到了他的启发,从1700年开始,纽科门开始和助手研究改进萨弗里蒸汽抽水机的缺陷。经十多年的研究试验,纽科门创造性引入了活塞和横梁两个部件,部分解决了萨弗里蒸汽抽水机遇到的难题。

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  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。

  这是人类最早发明的将蒸汽力转变为一种运动的方法,用人们的现代科技名词来表述,它可以称得上是早期的蒸汽机。

1923年11月,伦敦蓓尔美尔,一辆以蒸汽机作为发动机的汽车抛锚了。一直到20世纪初,蒸汽机汽车依然风头正健,但它逐渐败给内燃机汽车。

当时,有关蒸汽机的研究存在两种不同思路,一种是萨弗里利用真空抽水的方法,另一种则是试图用蒸汽推动活塞,将热能转化为机械运动。后者的代表人物是出生于法国的物理学家丹尼斯·帕潘。1690年,帕潘在德国莱比锡市《教师学报》公布了他的发现:蒸汽冷凝之后会产生真空,汽缸外的大气压会使汽缸内部出现某种机械运动。随后,他发明了对后来的蒸汽机至关重要的一个部件——活塞。

帕潘并没有真正发明出蒸汽机,而纽科门不仅巧妙地利用了帕潘的发明,还设计了另一个对后来蒸汽机至关重要的部件——横梁。横梁类似一个能够上下摆动的跷跷板,一面连接活塞,一面连接汽缸。当汽缸充满蒸汽时,横梁翘起,让负责吸水的活塞处在最低端。蒸汽凝结为水后,汽缸体积缩小,在横梁的带动下,活塞上升吸水。这就是纽科门发明的蒸汽机的原理。

连接活塞和横梁的拉杆可以长达几十米,纽科门蒸汽机可以安装在矿井顶部,负责吸水的活塞则可深入井底,解决了萨弗里蒸汽机安装高度的难题。为提高效率,纽科门还对蒸汽抽水机做了一系列改进。比如,萨弗里让蒸汽冷凝的方法是在汽缸外喷洒冷水,而纽科门则在汽缸内部安装喷射阀,将冷水直接注入汽缸,使得里面蒸汽能够迅速凝结,进而产生强力真空效果。

1712年的一天,纽科门在英国西部一个名为科尼格里的煤矿安装了他的蒸汽机。这个煤矿经过200多年的开采,已经深达50多米。当天,蒸汽机活塞每运动一次就能抽出10加仑的水。不久之后,《伦敦公报》报道了这台机器:“它能够将任何低处的水抽到高处,并且比迄今为止所使用的各种抽水方法都要更为经济和便捷,为矿山和公司成功解决了排水问题。”

纽科门的蒸汽机获得了市场认可。短短3年间,英国各地使用了100多台纽科门蒸汽机承担抽水任务,使得这位五金商赚得盆满钵满。美国科技史学者威廉·罗森,在着作《世界上最强大的思想——蒸汽机、产业革命和创新的故事》中评价纽科门是“开启了蒸汽机革命的大门”。

  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。

  希罗还曾经利用这种蒸汽能推动物体转动的原理,制造了一种能转动的女神,当人们点燃殿前的蜡烛时,人们就放出蒸汽,推动着女神围绕着她的神座转动一圈。同样的道理,也可以在信徒们要想进入神殿的时候,只要提供一些供品,躲在暗处的僧侣就会开启蒸汽的通路,神殿的大门也会转动着打开,仿佛有一种看不见的神奇力量在开启大门似的。

第一部专利保护法

表面上看,17、18世纪的英国人无论是萨弗里,还是纽科门,之所以能发明出蒸汽机,是因为看到了采矿业的需求。但当时所有国家的采矿业都面临排水难题;此外,仅从对真空和蒸汽研究的学术角度来说,英国也并未走到其他欧洲国家的前列,早在1606年,意大利工程师詹巴蒂斯塔·德拉·波尔塔制造了一台利用蒸汽从一个密闭容器内抽水的装置。为何只有英国人发明出具有实用价值的蒸汽机?

原因在于,世界上第一部现代意义的专利保护法,于同一时期在英国诞生,正是这部法律激发了英国人在工业革命时热衷于沉浸在发明创造的热潮里。从13世纪开始,英国以专利特许证的形式,将某种独占经营权授予工匠、商人,奖励在技术上有创新或者为英国带来利益的人。授予专利的权力完全掌握在国王手中,所以受益者多为封建贵族、王室的宠臣。比如,一位叫达西的近臣于1598年被伊丽莎白一世授予了制造和贩卖扑克牌的垄断权,这意味着此前生产销售扑克牌的厂商都不得继续经营。

这件专利引起了英国民众的不满,将官司打到了法院。法官裁定,国王不可以授予某个人对某项生意的独占权,除非这个人能证明他更擅长经营这个领域。1624年,继承了上述精神的法律获得通过。这部名为《反垄断法》的法规旨在限制王室随意授予特权,对垄断和专利权进行了规定:只有“首个申请了法律专利并且为真正的发明者”才能获得国王的特许加奖状。这是世界上第一部具有现代意义的专利法。

不过,《反垄断法》的出台并未引发英国专利申请数量的井喷,直到哲学家洛克在1690年让英国人有了“知识产权”概念。他在《政府论》中主张,任何自然的东西,只要加入了人类劳动,无论是体力劳动还是脑力劳动,就不再是自然物,人们也就可以宣称对它拥有产权。同时,法学家们的努力让英国人对财产权有了与以往不同的理解。此前,人们知道可以从黄金、土地等有形财产中获取收益,而现在竟然也能从脑力劳动中获取收益。观念上的改变,激发了英国平民大众发明创造、申请专利的热情。

1698年7月25日,《反垄断法》出台后75年,托马斯·萨弗里的“以火力推动汲水并为各式各样工厂提供动力的新发明”获得专利。该项专利也让后续发明者纽科门连续数年必须将其收益的四分之三给予萨弗里。这一情形在当时的大多数国家都是不可想象的。

  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。

  当然,在希罗的那个时代,他发明的蒸汽空心球,不过是当作娱乐的一种玩具,而那种用蒸汽去推动女神转动或神殿大门开启的创造,只不过供给僧侣们用来骗取虔诚的信徒们的供奉罢了。在奴隶时代的那个社会,有谁会去想到利用这种非动物界蕴藏的力量去做工,用来代替奴隶们进行的繁重而痛苦体力劳动呢!

“为全世界生产蒸汽机”

纽科门蒸汽机远非完美,一个缺陷,蒸汽机抽水时需要消耗大量煤炭,只能被用于煤矿附近。政府对专利的严格保护,激励着人们希望通过改进蒸汽机,取得专利来牟取利润。瓦特就是这群人中的杰出代表。

1736年,瓦特出生在一个木匠家庭,比第一台纽科门蒸汽机小二十多岁。1753年,瓦特被送到英国第三大城市格拉斯哥学习精密仪器制造。学成后,他的技艺高超到令周围人吃惊。瓦特一位名叫约翰·罗比森的朋友回忆道,格拉斯哥市一家旅馆想让瓦特制造一架管风琴,瓦特根本不懂音律,但研究了一本音乐专着后就造出一架“让演奏者们既高兴又惊讶”的管风琴。但瓦特当时的生活貌似并不富裕,必须依靠为道路和河流测绘来谋生。

1763年,他受邀到格拉斯哥大学修理一台纽科门蒸汽机模型,这台蒸汽机模型运转时需要耗费巨量蒸汽,效率极低。经过反复测量,他发现了问题所在:蒸汽进入汽缸后,需要降温才能凝结成水,但汽缸也会随之冷却,下一轮抽水过程中,新进入的水蒸气遇到温度较低的汽缸壁,会立即凝结成水,不能充满汽缸。换句话说,纽科门蒸汽机存在一个不可调和的矛盾:为确保蒸汽机的冷凝效果,产生最大程度的真空,需要使用大量的冷水,但为了避免冷却汽缸,需要尽可能地少使用冷水。一次测试结果显示,冷却的汽缸壁损耗了四分之三的蒸汽。

几年后,瓦特给出了解决方案,让蒸汽在一个汽缸内推动活塞做工,在另一个汽缸内冷却,两个汽缸相互连接。这样,蒸汽进入早已被冷水冷却的新腔室时,会立刻凝结成水,产生真空,带动另一个腔室上的活塞向下运动,这个有活塞的腔室会一直保持高温,防止水蒸气遇到汽缸壁时凝结。这个发明被命名为“分离式冷凝管”,让瓦特蒸汽机的工作效率比纽科门蒸汽机的效率提高了两倍。1769年1月,瓦特在伦敦取得蒸汽机的专利,编号为“913”,名称是“能够减少蒸汽机的蒸汽和燃料消耗的方法。”

第一台由瓦特制造的蒸汽机,于1775年在伯明翰附近的布鲁姆斯尔德煤矿安装成功。《伯明翰报》当时报道称:“众多从事科学研究工作的绅士,受到好奇心驱使,争相去观看如此奇特、如此有力量的机器的首次运行盛况。机器的卓越表现让他们彻底地心满意足。”瓦特并不善于商业活动,他说:“我宁可对着装满弹药的大炮,也不愿去结算账目或讨价还价做交易。”让蒸汽机声名远扬的,则是比瓦特大8岁的英国伯明翰制造商马修·博尔顿。看到了瓦特蒸汽机的潜力,博尔顿在1774年左右购买了瓦特专利的所有权,二人随后联合成立“博尔顿&瓦特制造厂”。

博尔顿的目标是将蒸汽机引入各个产业,他放出豪言:“为全世界生产蒸汽机。”1783年,在博尔顿推动下,英国第一家大规模利用蒸汽动力的工厂——阿尔比恩磨坊开工,此举被后世喻为“开创了蒸汽动力工厂的时代”。不久后,英国的纺织业开始由蒸汽机带动。

专利保护制度的不断健全,让瓦特之后的工程师在拓展蒸汽机用途的道路上继续前进。1814年,英国工程师史蒂芬森集成了前任数十种专利技术,成功设计出第一台实用的蒸汽机车,他修筑的第一条铁路于1825年举行了通车典礼,标志着铁路时代的到来。至此,蒸汽机成为了采矿、交通、纺织等几乎所有重要产业的动力,英国工业革命由此展开。

值得一提的是,1792年,英国东印度公司购买了一批科学仪器,作为即将访问中华帝国的马戛尔尼使团送给乾隆皇帝的礼品,其中就有从博尔顿&瓦特制造厂购买的蒸汽机模型。由于担心被侵权,瓦特对此非常谨慎,犹豫很久才同意把蒸汽机模型卖给访华使团。他明显想多了,这些模型机最终没有展示给乾隆皇帝。当时世界上最伟大的技术发明,就这样与中国人擦肩而过,如同南怀仁试验的蒸汽动力模型车一样,这台蒸汽机在中国几乎没有留下什么痕迹。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  当祭坛的火熄灭以后,空气的压力恢复正常,安装在旋转轴下方的配重E就会下坠,同时拉动着以相反方向绕着的绳,使旋转轴朝着相反的方向转动,殿门又徐徐关闭。

  前人的努力

  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?!

  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。

  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!

  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。

  至于要想具体问一问希罗究竟是哪个世纪的学者,我们不能回答得那么准确,因为历史并没有准确的记录,人们只是根据他在一本著作中曾经记载了一次月蚀,而这次月蚀在公元62年时在希罗生活的亚历山大城可以观察到,人们由此推断,希罗大概是公元20年左右出生的。

  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!

  萨弗里蒸汽车

  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!

  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。

  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。

  煤矿的开掘越挖越深,从矿井里渗透出来的地下水使矿主们伤透了脑筋。因为为了将矿井里的地下水排除出去,不得不动用马拉动辘轳或者戽斗去把地下深处的水提上来,有的矿井要用500匹马来干这种活,想想看,这要耗费多大的费用。精明的矿主一合算,觉得自己开采煤矿所得的那点赢利,付出高昂的排水费用以后,剩下来的就不多了。

  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。

  在这样的背景下,社会迫切需要找到一种能代替马力去排水的其他办法,这时,当然就会有人开动脑筋去寻求。

  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:

  17世纪的德国物理学家葛利克,于1650年化了两万美元制造了第一台抽气机,在当众进行表演的时候,他曾说,只要能够制造出真空的装置,大气压力就会创造出奇迹来。但是用手工气压泵来制造真空的装置,既费力,也太费时了。

  “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。

  有没有比较简便而又省力的方法制造真空呢?这个问题一直萦绕在一位名叫萨弗里的工程师的脑际。

  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。

  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。

  不平凡的身世

澳门威斯尼斯人网址:世界科技全景百卷书,富尔顿发明轮船的故事。  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。

  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。

  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?

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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)。

  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。

  萨弗里在他的专利申请书中,用带有浓厚的宣传色彩的语言介绍自己的发明及动机,他写道:

  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。

  致英格兰矿业界诸位企业家先生:

  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。

  我很能体会,诸位中有很多位仍把我所发明的,用火的推进力来提升地下水的方法看成是一种无用的设计,而且认为这样的发动机完全不能在地下使用,也不能用来提升和排除你们矿井中的积水,也就不配受到你们的任何鼓励。这种看法绝不符合我进行这一发明的意图,也不符合我的抱负。我不希望自己背着一个投机创办人的坏名声,所以特此呈献我的机器草图一份,列举出它的种种用途,以便你们可以考虑决定它到底是否值得费你们一些事来利用它……

  刻苦攻关

  对于排除矿井和煤坑中的积水,只要采用这种发动机,它就可充分表现出自己是能够提升水的,不但简便易行而且节省费用。我不怀疑,几年之内,它将使矿业的生产,达到今天效率的两倍,如果达不到三倍的话,从而矿业的生产成为我们王国中不可低估的一部分财源。再说,当前我们王国大量出口的铅、锡和煤,是在花费了大量的排水开支和矿工们忍受了一言难尽的排水痛苦和困难的情况下才取得的,那么,只要一旦采用了这种在各个方面都适于矿井需要的发动机,开支大大节省,效率大大提高,矿业的出口量岂不将大大提高吗?

  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。

  萨弗里是很擅于进行宣传鼓动的,他认为,自己的这项发明可以有多种用途:用来抽干沼地,排出矿井中的积水,供给城市和人们的用水、扑灭火灾、推动磨轮等等。加上他为自己发明的蒸汽机的名字起到很能引起矿业主和矿工们的好感,他对自己专利的申请又写得是那么入情入理,富有诱惑力,于是首先被矿业主在矿井上使用。首先是应用在康沃尔郡的一个铜矿里,后来又被用在斯塔德耶郡的一个煤矿里。

  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。

  使人感到失望的是,萨弗里的“矿工之友”在实际应用的过程中,并没有达到他所表白的那样高的效率。它并不能将水升到矿井中所需要的高度,又因为它没有安全阀的装置,而如果将蒸汽的压力再加大一些,又很容易造成锅炉团承受不住这么大的压力而发生爆炸。可在当时的条件下,人们又还没有找到具有足够耐压力的材料和高超的技术来制造出耐压的锅炉,又缺少测量显示出锅炉内压力的装置,可以及时预防,保证安全。再者它的锅炉受热面积太小,在冷凝过程中造成的燃料浪费十分严重,如果用它来给城市居民供水,费用又太昂费,所以,“矿工之友”蒸汽机只用在有的花园式私人住宅中进行装饰性喷水,因为这不需要很大的功率,提升的高度也不大,效果还可以。

  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。

  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。

  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。

  那么,萨弗里在蒸汽机的这段科技史中有什么意义呢?

  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。

  英国科技史家贝尔纳认为:“萨弗里的发动机工作起来有不少实际缺点,但它主要的价值乃在于表明用蒸汽动力提水这个问题是能够付诸实践的。”

  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!”

  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。

  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。

  纽科门蒸汽机

  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。

  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。

  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

  纽科门出生于1663年,是一位小五金商和铁匠,一般都认为他没有受过专门的教育。根据曾以对蒸汽机有过研究的罗比森的记载,说纽科门在发明研制他的蒸汽机的过程中,在 1702年前后,他曾经和当时英国的物理学家胡克通信,讨论是否可以根据帕潘提出的蒸汽冷凝以后可以形成真空的理论,利用它与大气压力的压力差这个特性,将它作为一种获得动力的手段。据说胡克曾经回信告诉纽科门说:“如果你能在你的第二汽缸中造成快速真空,那你就大功告成了。”

  “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。

  但据考证认为,除了罗比森曾经有过这样一段记载以外,在其他人的著作中都没能再找到关于胡克曾经对纽科门的发明进行过讨论的根据,也就是说,在当时的英国史学界,一般不大愿意承认或相信作为铁匠出身的纽科门,他的发明与曾经作为大科学家的胡克之间,有过什么交往。

  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)。

  尽管如此,纽科门还是和他的朋友卡尔合作,于1705年或1706年发明了他自己的蒸汽机。卡尔也只不过是一名小制造商和装配玻璃的工人,但也有人认为他是一个小农场主。总之,他也是当时在社会上不受重视的未曾受过正规教育的手艺人。

  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。

  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。

  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。

  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。

  由于这样一些不足之处,加上纽科门和卡尔两人都出身寒微,所以科学家对他们的发明并没有给以高的评价,但这并不影响他们取得了事实上的成功。从1711年起,纽科门已经建立了自己的生产蒸汽机的公司,公司的名字叫“用火使水升高的发明权所有人公司”。由于纽科门蒸汽机只是利用低压锅炉的汽缸在冷凝时所形成的真空 (低压),而没有利用蒸汽的张力,所以不需要像萨弗里的蒸汽机那样,将机器建在矿井下,也不需要很多的照管,已经具有较大优越性;再说,没有利用蒸汽的张力,这点虽可认为是一不足之处,但在当时的条件下,它却不必担心由于蒸汽压力而使锅炉爆炸的危险,又具有可以确保安全生产的另一大优点。

  这几点优点综合起来,使纽科门蒸汽机很快在矿业界被推广,不但在英国被采用,在欧洲大陆的其他国家也有采用的。因为一台纽科门蒸汽机所抽的水,等于50匹马所做的工作,蒸汽机不需要像马那样喂饲料、照管,所以费用只需用马抽水的六分之一。后来,纽科门蒸汽机不但成为矿业主的宠物,而且在运河边也用它给蓄水池和水闸供水,在城市用它供给饮用水。

  纽科门的蒸汽机一直被使用了半个多世纪,大约有数百个左右的英国矿井采用了这种抽水机。纽科门虽然没能在科学原理上有什么贡献,但是他利用几条简单的原理,利用原始的工具,凭着他的技能和才智,制造出了一种机器设备,它能成功地代替人力或畜力去完成繁重的工作,这种工作是以往采用过的各种动力都无法完成的,这恰恰是手艺人 (工匠)的灵巧的手所作出的杰出的创造,是仅仅在理论上有一套而缺乏动手能力进行实践的科学家所不及的。

  尽管纽科门蒸汽机还存在着这样那样的缺点或不足之处,但它毕竟是蒸汽机发展过程中一个重要的转折点。正是由于纽科门蒸汽机的出现,蒸汽机才真正在社会工业生产中展现出它那巨大的推动力量。

  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。

  瓦特蒸汽机的创造

  纽科门蒸汽机一直在社会上使用了半个世纪,而且制造了数百台投入生产,但是,总的结构却始终没有发生什么变化,它的发明人和经纪人纽科门,也没再对它有进一步的改革创新,这倒真有点如有的科技史家所分析的那样,是因为科学和科学家没有进入这一领域加以探讨的缘故。

  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。

  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。

  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。

  现在我们就要讲到瓦特和蒸汽机发生接触的正题。

  瓦特在格拉斯哥大学正式挂起了修理仪器的招牌以后,陆续送来修理的教学仪器和摸型不少。有一天,瓦特接到一台蒸汽机模型请他修理,它就是纽科门蒸汽机模型。这可真叫瓦特喜出望外。

  这是因为,瓦特进入格拉斯哥大学以后,结识了不少学者,接触了不少科学的仪器,他的知识领域大大丰富,他的眼界也大大开拓了。特别是他在进入格拉斯哥大学以前就结识了年轻的大学朋友罗比森——他现在已读硕士学位了——给了他不少帮助。

  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。

  这一切都使深爱仪器和模型的瓦特产生了强烈的兴趣,他从罗比森那儿借到了不少关于蒸汽机的图纸和资料进行琢磨。这种探讨从1759年起就开始了。可惜他一直没能真正看到纽科门蒸汽机——看到它的结构以及它是如何工作的。

  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。

  这下子瓦特可高兴了。他终于见到了真实的蒸汽机,而且可以将它拆开来仔细看个究竟,再装配起来看它怎样工作。

  在修理的实践过程中,瓦特发现纽科门蒸汽机并不像他渴望和仰慕已久的蒸汽机那样完美,而存着不少明显的缺点。

  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!

  又比如,瓦特发现,纽科门蒸汽机也太费燃料了。他对这种蒸汽机产生的蒸汽之大和工作汽缸之小的不成比例,感到惊奇,根据自己已经懂得的知识,进行了大量的试验和计算,发现用煤烧出的蒸汽,仅仅只有四分之一用在作功上,而那四分之三却白白浪费了。造成这种浪费的症结在什么地方呢?

  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。

  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。

  布莱克教授的“潜热理论”指出:当物质从一种状态转到另一种状态的过程中,需要吸收或放出热量。比如说,当100℃水转变为100℃的蒸汽,虽然同是100℃的温度,但100℃的火必需再吸收足够的热量才能转变为100℃的蒸汽,而当100℃的蒸汽重新冷凝为100℃的水时,又需要将在汽化时所吸收的热重新释放出去,为了使蒸汽放热就需要在汽缸外面浇泼很多的冷水。

  水变成蒸汽所需吸收的热和蒸汽冷凝所需释放的热,都被称做“潜热”。

  布莱克和瓦特讨论了纽科门蒸汽机费燃料多而作功少的问题,认为用潜热的理论可以找出根本的原因。

  瓦特很同意布莱克的见解,他从布莱克那儿出来,自己设计了一个较小的实验装置来检测,不久他去告诉布莱克,说他通过实验测量到,将开水变成水蒸汽所需的热为825(热度),这个实验结果和布莱克教授测出来的开水变成水蒸汽所需的热为810(热度)十分接近。

  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!

  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。

  有什么办法能解决这个矛盾呢?这个问题日夜萦绕在瓦特的脑际。1763的5月的一个星期天的早晨,瓦特在格拉斯哥大学的草坪上散步,他突然冒出来了一个极为简单明了的想法——将汽缸里的蒸汽送到另外一个容器里去单独冷凝,不是同样可以达到既获得了可以做功的真空,又保持着汽缸里的温度不致下降,以致需要反复加煤使它不断增温吗?这样不就可以大大提高热的利用效率,节省大量燃料的消耗了吗?

  瓦特的这一发明思维的产生,用他自己的话来表述就是:

  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……

  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:

  在一个晴朗的礼拜日的下午,我出去散步。从察罗托街尽头的城门来到一块草地,走过旧洗衣店。那时我正在考虑蒸汽机事情。然后来到了牧人的茅舍。这时我突然想到——因为蒸汽是具有弹性的物质,所以能够冲进真空中。如果把汽缸和排汽容器相连接的话,那么蒸汽猛然冲入容器里,就可以在不使汽缸冷却的情况下,仅让蒸汽在那个容器中冷凝了吧!……当这些在我的头脑中考虑到成熟的时候,我还没有走到高尔夫球场。

  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!

  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”。

  瓦特说,“在某些情况下,我打算使用蒸汽的膨胀力(张力),它和现在一般的蒸汽机是通过气压去推动活塞做功的原理相同。这样,即使是在不可能获得足够数量的冷水时进行冷凝的条件下,蒸汽机也仍旧可以完成它的工作。”

  经过这样一番改进,蒸汽不再仅仅是作为一种辅助的手段被加以利用,它本身就成了一种产生运动的积极力量——蒸汽真正成为推动机器的动力,纽科门蒸汽机变成为名符其实的蒸汽机。

  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。

  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。

  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。

  纽科门的蒸汽机工作原理很简单,锅炉B与汽缸C(同时也是冷凝场所)相通,当汽缸C中充满蒸汽时,冲挤活塞P向上移动,然后从水管W处喷浇冷水,使汽缸冷却,蒸汽冷凝,活塞P下降,带动和它上面相连的杠杆动作。如此反复加热锅炉里的水以获得蒸汽,再通过 W不断浇喷冷水以使蒸汽冷凝。汽缸与冷凝器同在一个容器里,受潜热的影响(100℃的水变成100℃蒸汽所需的热和100℃的蒸汽冷凝为100℃的水时所释放的热),造成燃料的很大浪费而做功的效率很低。

  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。

  瓦特和罗比森、布莱克这两位学者(罗比森后来也成为一位教授)的友谊非同一般。罗比森在他写的《蒸汽与蒸汽机》著作里曾记叙说,当他将瓦特引见给布莱克的时候,说起自己第一次见到青年瓦特时,就被瓦特的博学和智力敏捷所感动,还说:“我原本只希望找到一位工人,不曾想却碰到了一位哲学家。”罗比森还说:“每当我在工作中遇到疑难问题,就去找瓦特,无论什么问题,到了瓦特的手中,都会迎刃而解。”

  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。

  蒸汽机走出实验室

  虽然瓦特在成功以后,将他产生单加设置一个冷凝器的发明设想说得那么轻松:只不过是他在一个星期天的下午,在一处安静而又僻静的草地上散步,从这头走到那头的功夫,就完成了。而事实上,将这一创造性的设想变成事实,特别是成为进入市场的商品,却经历了一段非常艰辛、困难的历程。

  瓦特在这一设想成功后,立即动手制作了一台有单独冷凝器的蒸汽动力模型,这个模型的冷凝器总是冷的,并且借助一台抽气机使它始终保持着真空,使它保持着理想的工作状态。而用来加热的汽缸,则用一个汽套使它的热量不致散发出去。这台实验性的模型动作起来,表现出良好的工作效率。于是瓦特确信,根据自己的理论设计的模型制造出来的蒸汽机,一定能超过他曾经修理过的纽科门式蒸汽机,甚至可以预期,它的工作效率将是纽科门蒸汽机的2~3倍。

  瓦特为自己改进的蒸汽机制出了模型以后,他就决定要在模型的基础上试制样机。但他在格拉斯哥大学只是实验室的一名仪器修理工。没钱,瓦特咬紧牙关租了朋友的一间地下室,又由罗比森和布莱克提供了一些帮助,瓦特又请了几名助手,就四处去买材料,在地下室里敲敲打打试制起来。

  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。

  不幸的是,每失败一次就报废一批器材,器材报废了就需要再去购买。这样,瓦特就不得不四处去借债。

  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。

  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。

  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。

  罗巴克也是懂得科学的人,一听布莱克教授的介绍,立即意识到这是一个很有前途的发明,忙问什么地方可以定购,布莱克却告诉他,瓦特已经停止了他的试制。

  “为什么停止?”罗巴克问。

  “因为瓦特为试制他的蒸汽机,负债太多,到了无法再进行试制,甚至无法偿还债务的地步。”布莱克回答。

  “欠了多少债?”

  “大约总有1000多镑了吧?”

  “没关系,找来给瓦特偿还债务,我来为他提供继续试制的资金——当然,成功以后,应该有我的一份收益。”罗巴克毕竟已经成为一名精明干练的企业家了。

  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。

  瓦特很高兴地接受了这一切,他辞去了为运河勘察的工作又回过头来试制蒸汽机。他的蒸汽机正是得到了罗巴克的这种富有远见卓识的企业家的支持和帮助才得以继续进行下去的。

  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”。

  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。

  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。

  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:

  我的努力所能达到的成功,大部分应当归功于他 (指罗巴克)的友好的鼓励,他对科学发现的关心,他敏于想出这些发现的应用。他对商业和工业有深邃的认识,他的远大的眼光,他的热心的、慷慨的和积极的气质。

  由于罗巴克破产的严峻现实,瓦特试制蒸汽机的工作再次中断,他不得不又背起自己的挎包,继续干着开挖运河的测量工作。

  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。

  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。

  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。

  说它是综合性的学术组织,是因为参加这个学会的成员不拘一格,既有当时很知名的科学家和哲学家,如当时就很有声望的医生、诗人和哲学家伊拉斯莫斯·达尔文(他是提出进化论的达尔文的祖父),化学家普利斯特列

  (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。

  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。

  说它是“月光学会”,是因为这个学会的成员常在月圆之夜,利用皎洁的月光在学会的成员家中聚会,无话不谈,他们的思想活跃和不拘泥于形式的随随便便,以至到了被人看作是一批“狂人”的程度。它是那样富有吸引力,以至美国的富兰克林来到英国逗留的时候,也曾参加过他们的月光学会。

  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。

  正是在月光学会中,一位学者告诉博尔顿,何必舍近求远,向美国去求教能人呢?月光学会中正有一位研究蒸汽机的工程师,他就是瓦特。这位学友把这个信息告诉了瓦特,建议瓦特务必去拜访一下博尔顿。这样瓦特与博尔顿就成了朋友。交谈中互相得到了很多启发。

  博尔顿富有雄心壮志和大胆创造精神。他说他对任何机械方面的改进都感兴趣,他要使自己的贸易范围年年扩大,要为全欧洲工作,制造一切能够构成一般需要对象的商品:金、银、铜、包金、镀金、人造金、钢、白金、玳瑁……

  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。

  博尔顿产生了强烈地愿望要与瓦特合作,1769年,他写信给瓦特详细表达了自己的设想。他说:“我认为要充分利用您的发明,就必须有钱,必须十分细心地去实现和拥有广阔的贸易关系。要保证您的发明投产成功,就决不能让一般的机匠去制作,因为那些无知又没有经验的机匠,在设备缺乏的情况下,只会把您的发明做糟。……而我们可以专门招雇并培训一些优秀的工人,把最好的工具交给他们,然后让他们去制作这世界还只有这唯一一台的蒸汽机。这样,在执行过程中,我们可以节约大约百分之二十,而质量则可以达到请专门的科学仪器制造者才能制出来的水平。”

  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。

  罗巴克表示他可以考虑接受这项建议,不过要明确规定博尔顿只是沃里克、斯塔福德和德比三个郡的专利证让受人对这个条件,博尔顿感到不能接受,他认为这是对他的索霍工厂的蔑视,更没有理解他在对瓦特这一新发明上所寄托的希望。他愤愤地说:

  “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。”

  不过后来事情的发展给博尔顿提供了可以继续进行这个计划的机会,因为罗巴克破产了,他欠博尔顿的1200英镑。博尔顿很大方地提出他可以放弃罗巴克的这笔债务,只要罗巴克将他与瓦特合作的合同转让给他。事情就这样定下来了,博尔顿成为第二位与瓦特的合作者,他俩签定了上次与罗巴克签订的内容相同的合同。

  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”。

  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。

  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。

  瓦特取得了初步的成功,可距离走向市场还相当遥远,但是他们于1769年申请到的专利期限只有14年,现在已经过去了5年,在未来的八九年时间里,瓦特和博尔顿还需要付出很多的努力和投资,而且蒸汽机在当时已不是什么神秘的东西,相似发明的竞争和程度不同的模仿制造对他们来说,都是可怕的威胁。于是,瓦特决定向议会提交请求延长他们专利权期限的申请。

  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:

  (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。

  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。

  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:

  ……鉴于瓦特对蒸汽和蒸汽机进行研究,以便改良这种非常重要的机器,已经费了好几个年头并耗费了他的大部分资财;鉴于通过这些研究,已经实现了非常重要的改良,但由于制造那样复杂的机器所固有的困难,以及由于必需的试验所要求的长时间,以致他不能在1774年年底以前完成他的发明;鉴于要用必要的细心来制造这些机器以及能以公道的价格出卖机器,大概要花费很大的款项来组织工厂和配备适当的设备;又鉴于要使相当多的公众能够清楚地了解发明物的效用及使用发明物与自己相关的切身利益,这也还需要有好几年的时间,所以上述专利证书所定的期限可能在詹姆斯·瓦特按照他的劳动和他所发明的价值来收获利益之前完全消失……,因此规定……

  下面是规定延长专利期限的年限。

  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……”

  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!

  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。

  至此,瓦特才从几乎是山穷水尽的困境,走到了柳暗花明又一村的光明境地。难怪有的史学家认为,瓦特有幸遇到了两位有眼光、有魄力的企业家罗巴克和博尔顿,才使他的发明终于走向了社会,进入了市场。否则,他的命运也许会像其他一些郁郁不得志的发明家如帕潘,以及特里维雪克或菲奇那样,带着自己的发明和郁闷不平告别人间。

  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。

  因此,科技史学家们在瓦特蒸汽机的发明成功的事情上,认为罗巴克和博尔顿值得与瓦特分享光荣,即使不能分享发明的光荣,至少也应分享使发明从理论上的、图纸上的设计转化为实物、转化为产品进入市场的光荣。要知道,为了达到这个目的,两人都不惜付出了几乎倾家荡产的代价。

  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。”

  尽管罗巴克和博尔顿这两位富有远见又具有魅力的企业家给了瓦特以经济上极大的支持,哪怕因此而导致破产也在所不惜,坚信瓦特蒸汽机能取得成功,并且正如博尔顿所夸口的,“要为全世界生产动力”,然而,他们都未能摆脱在试制生产瓦特蒸汽机的过程中所遇到的困扰,这困扰延续的时间前前后后长达约20年对罗巴克和博尔顿来说,缺的不是金钱,因为他们有足够的经济实力;对瓦特来说,缺的也不是原理或技术设计,这两个方面都是过硬的。

  那么,蒸汽机走向成功还缺少的关键一环是什么呢?

  是材料,是加工的工艺。

  虽然人类在瓦特发明蒸汽机之前已经由铜器时代进入了铁器的时代,但对于铁的加工仍是相当原始、相当简陋的手工生产方式,而且有相当多的工具和简单的机械还停留在木制阶段。

  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。

  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。

  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。

  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。

  这期间,在英国出现了一位对炼铁很有贡献的工业家,也是对瓦特蒸汽机成功作出关键性贡献的人,他是威尔金森。

  威尔金森1720年出生,20岁那年继承了父亲的产业而经营炼铁厂,并自己建造了一座炼铁厂。40岁左右的时候,他也是当时“月光学会”的成员之一,他本人算不上是发明家,但却是一位关心发明,善于敏锐地觉察到新发明的实用价值,并且为着自己的利益而将新发明转化为现实的人。

  威尔金森在承接制造大炮加工任务的时候,发明了一种钻孔机给大炮钻孔,钻的孔的精确度可以达到所需要的精密要求,可以将铁板与铁板之间通过铆钉而互相紧密地联接成不留丝毫空隙的整体。

  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。

  甚至在《大不列颠百科全书》中,威尔金森不但占有一个条目,条目里还明确写下:他“发明了一种钻孔机,对瓦特蒸汽机的成功起了重要作用”。

  正是由于蒸汽机的汽缸制造工艺问题得以顺利解决,蒸汽机达到了预期的要求,威尔金森立即向瓦特定做了一台蒸汽机,这台蒸汽机不是用来在矿井中提水,而是用来给他的高炉鼓风。这是瓦特蒸汽机第一次由提供抽水的动力发展为为其他的目的而提供动力。

  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。

  至于威尔金森,由于蒸汽机的制作和生产他也成为瓦特、博尔顿的亲密伙伴。因为在此之后所生产的蒸汽机的汽缸基本上都是由威尔金森的工厂所提供。

  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。”

  由此可见,一个创造性的发明设想,如果当时的社会生产不能提供满足这一发明要求的材料和工艺要求,那么,超前的设想就会付诸流水,或被束之高搁。所以,虽说威尔金森与瓦特蒸汽机的发明没有一点关系,但是,最终使瓦特蒸汽机从试制失败走向成功,与他提供用钻孔机加工出所需精密的汽缸密不可分的。而且,使瓦特蒸汽机首先开辟其用途的,也是从威尔金森开始的。

  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。

  我们仅仅从威尔金森在材料和制作工艺上给了蒸汽机以关键性的帮助,而瓦特蒸汽机又在动力上改变了威尔金森炼铁工业的规模和面貌(威尔金森的炼铁厂后来发展为铁制造工业了)这一点来看,我们已经可以体会到大工业生产之间彼此的依赖与合作,已经突破了手工小生产各自为政的自给自足方式,而形成了一种新的,又分工又合作,并且是大工业生产的相辅相成关系。

  从1774年制成第一台蒸汽机算起,到 1780年瓦特44岁的7年里,瓦特和博尔顿一共制造了4O台蒸汽机。不过博尔顿经营蒸汽机的方法很不同一般,每台蒸汽机并不是像我们现在理解的那样,是将一台机器完全造好经过检验合格以后才出厂的。当时他们只是接受需要定购蒸汽机厂家的定货,而后向定货厂家提供图纸,至于蒸汽机的各个零部件,则根据图纸上的要求分别向有关的翻砂厂家和炼铁厂家去定制,比如汽缸,瓦特和博尔顿就常推荐定货厂家到威尔金森的工场去定制,因为他那里的钻机的精确度可以说是无敌的。至于瓦特和博尔顿合作经营的索霍工场,主要由博尔顿承担提供技术熟练的工人和加工制造那些需要特别精心制作的机械零件;等一切部件都准备好了,由瓦特去担任技术指导,博尔顿则组织工人安装机器。所以,博尔顿将瓦特和自己称作是“蒸汽机的设计人和安装人,也是利用他们的发明物的厂家的企业顾问”。至于收费,他们只向买主收取购买机器的材料、制作和安装费用;至于利润,他们要求买主从比使用同等马力的火力机所获得的节省燃料费的三分之一,比如说,如果使用市面上一般的具有同等马力的火力机一年要花费500英镑的燃料费,现在用瓦特蒸汽机所用燃料只需花费200英镑就够了,那节省下来的300镑燃料费当中,分出100英镑给瓦特和博尔顿他们,而使用的厂家还可以净得益200英镑。

  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。

  但是,一旦等到使用了瓦特蒸汽机的厂家确实从使用这种蒸汽机获得了收益,而这种收益又已经进入厂家腰包的时候,再要他们从已经进入腰包的利益中拿出三分之一的利润来付给蒸汽机的发明人瓦特和蒸汽机的安装人博尔顿的时候,他们就舍不得了,特别是康沃尔郡的矿主们,他们联合起来,在全郡开展了一个请求议会取消蒸汽机专利权的运动。为此,瓦特和博尔顿的索霍工场,为保护自己的专利权,与这个郡的矿主们打了好几年的官司。瓦特对于矿主们这样无视他的发明的专利十分愤慨,他曾说:

  他们控诉我们设立了一种垄断,但是,即便它是一个垄断,可这个垄断毕竟使得他们的矿山比以前出产得更多了,收益也更多了……他们说,因使用机器而必须偿付使用费,对他们来说是不方便的,那么,如果我将裤腰上小钱袋的钮扣扣上,这对那些想摸偷我的钱包的人来说,也是不方便的……我们没有权利强迫任何人使用我们的机器。如果这些家伙竟来向议会控诉他们完全可以避免的不方便,议会对此将如何回答呢?

  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。

  但是,关于蒸汽机的竞争却日益激烈,因为用蒸汽机给矿井排水这个领域已经完全被专利权所包括,其他试图生产蒸汽机的人必须动足脑筋探寻蒸汽机作为动力的新用途。

  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。

  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?

  当然,从古老的机械传动结构上去寻求启发,采用曲柄连杆,也就是类似古老的磨刀匠的踏板轮或古老的磨的结构,完全可以将垂直运动式往复运动这样的直线运动,转变为旋转运动,也就是圆周运动。有记载说,瓦特本来也想到可用曲柄和偏心轮的方法将杠杆的往复运动转变为圆周运动,并且在实验上也已获得成功,但是这个想法被工厂里的一个工人泄露出去了,并且很快被另外的一个竞争者抢先申请到专利权。瓦特不得不另辟蹊径。

  也有材料说,瓦特觉得这种转变的方式没有什么创新,为这个去申请专利,就好比对一把本来是用来切面包的刀,现在申请专利说可以用它来切干酪一样,不见得能被获准享有发明的专利权。

  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。

  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。

  当然,就默多克对蒸汽机的贡献来说,他也发明了许多与蒸汽机有关的机件。

  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”。

  瓦特很赞赏并且接受了这个设想,1781年,瓦特申请了他的第二个关于使蒸汽机进行圆周运动的专利,设计出了“行星齿轮机构”等五种构件,还包括增加一根连杆,使活塞在一进一退两个动作时都能推动连杆动作的“往返作用”,使蒸汽机工作的效率提高一倍。

  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。

  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。

  到此为止,瓦特完成了对蒸汽机的整个发明过程。

  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。

  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。

  就连19世纪的马克思,在他的为写经济学而写的笔记《机器·自然力和科学的应用 (蒸汽、电、机械的和化学的因素)》中,也高度评价了瓦特的贡献。马克思强调指出:

  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。

  确实,瓦特对蒸汽机的改进以及以后所作出的种种发展,从技术上说都是十分重要的发明。但他更大的贡献,也可以说是他的天才,是表现在他的思想的开拓和活跃。他将蒸汽机的功能从希罗的蒸汽旋转球玩具,从巴本烂骨锅的烹调炊具,以至从萨弗里和纽科门的单纯提水工具等功能单一的、狭隘的思路中解放出来,不再将蒸汽机说成是用于某一特殊目的的发明,而是极力设法使它成为可以用之于任何一种领域、任何一种机器上的动力。这种动力使自己的发展犹如自己所任意支配的力量一样不可抵抗,它使一切工业都作用一种共同的动力,尤其是使用一种人创造的动力,这就使一切工业的发展不再像风力、水力那样受自然条件的制约,又都要服从一般的法则。蒸汽机的改善,对于采矿、冶金、纺织和运输等各个方面都产生了同样巨大的影响,这种影响促使社会的生产面貌发生了革命性的变化,同时也不可避免的渗透到社会各阶层的人们的生活和观念的变化中去。

  它终于带来了在英国出现的工业革命,而且不断扩大它的影响,在一切文明国家产生了不可估量的促进作用。当然,也带来了不少新问题。

  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!

  包尔祖诺夫的遭遇

  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。

  包尔祖诺夫1728年诞生于俄罗斯的叶卡德琳堡,父亲是一个士兵。父亲将少年的包尔祖诺夫送到一个工厂学校里学习,同时干着“机械学徒”的活儿。18岁那年,他被派到阿尔泰的柯雷文一伏斯克列森工厂,希望在今后能够担任采矿、熔炼、冶金等工作。

  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。

  这种圆筒形鼓风器利用蒸汽力去推动活塞鼓风,不过和欧洲当时研究的利用蒸汽机工作的原理恰好“相反”,在那些蒸汽机里,发明家们都是利用蒸汽膨胀时产生的张力,去推动活塞,而在包尔祖诺夫设计的蒸汽圆筒鼓风机中,却是利用活塞去推动空气,产生气流。这种汽流当然比旧式风箱靠一推一拉产生的气流要强大得多,它能一直透过高高的炼铁炉里的矿石层和炭层,使它们充分燃烧达到炽热的程度,提高冶金的生产效率。

  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”。

  1763年,包尔祖诺夫向他工作的柯雷文一伏斯克列森工厂厂长提出他的蒸汽机设计。按照包尔祖诺夫的想法,这部机器和一切只用来抽水的抽水机不同,应该能够保证不间断的工作。

  在当时,包尔祖诺夫的设计被送到彼得堡,由五等文官什拉吉尔审查,审查以后,什拉吉尔批示说:“……他的这种创见应该作为新发明受到推崇。”

  于是,包尔祖诺夫的设计有幸可以投入试制。由于当时庞大的机器如水轮机之类,全部都是由木头制成的木结构,而包尔祖诺夫认为,作为蒸汽机,应该全部由金属制成。根据当时生产的工艺条件,要想一步就造出合格的各种型式的金属部件,工艺过程是很复杂也是很困难的。所以包尔祖诺夫打算先造一部“小型”的蒸汽机试一试,而他的上级却认为,造“大型”的机器和造“小型”的机器并没有什么根本的差别,要造就造一个真家伙出来可以马上应用。于是包尔祖诺夫只好带着两名青年学徒和几个工人,在没有任何其他帮助的情况下,就开始建造自己设计的真正的大型蒸汽机。它是一台有三层楼房那么高的巨大的蒸汽机,建成以后,可以同时向10座炼铁炉供给冶炼时必需不断补进的帮助燃烧的空气。

  根据文献的记载,这台蒸汽机的工作原理大体上是这样的:水在金属锅炉里烧沸,蒸汽通过分汽装置分别从管道中通向两台立式汽缸里,汽缸里的活塞受到蒸汽的推动,将动作传到与活塞相联接的杠杆上,而这些杠杆的另一端与风箱的活塞直相连接,这样,汽缸的活塞不断动作,通过杠杆与蒸汽活塞相连接的风箱活塞也不断推拉,起到不断向炼铁炉送风的作用。

  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”。

  1766年5月,包尔祖诺夫设计的蒸汽机终于制造成功,不幸的是,5月6日那天,包尔祖诺夫在异常繁重的劳动和穷困的折磨下死去了,他只活了38岁。

  包尔祖诺夫去世几天以后,这台蒸汽机才正式启动。这台蒸汽机在开始的头几个月里,它为炼铁炉送去鼓风,工作运转良好。可是后来发现,活塞和汽缸之间吻合得不那么紧密,他那无知的上司,按照手工业式的思维方式,下令在活塞上面包上一层桦树皮,以消除活塞与汽缸之间的空隙,结果当然更糟,因为“树皮极不驯服,有孔的地方开始大量流水”。

  1766年 11月10日,也就是这台巨大的蒸汽机工作了大约6个月的时间,由于锅炉是用铜板铆接的,技术不过硬,产生严重的漏水现象,它被迫停止工作。

  1779年,阿尔泰工厂的领导下令:“把这个火力机器拆毁,把装置这部机器的工厂毁掉,把林料用到适用的地方。”于是,包尔祖诺夫的蒸汽机和他本人一样,彻底在地球上消失了。那片地方成为一片废墟,只在民间仍将它称为“包尔祖诺夫瓦砾场”,表达了俄罗斯人民对包尔祖诺夫的怀念。

  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。

  由前苏联科技史学家奥尔洛夫主编的《俄罗斯科学发明史话》中,相当详细而又感慨万分地记载了包尔祖诺夫的业绩和他发明的蒸汽机,认为它是

  “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。”

  不过从对包尔祖诺夫的介绍中,我们没有找到他发明蒸汽机的思路。从简短介绍的它的结构看,用蒸汽推动活塞,而活塞作为杠杆的一端,通过杠杆去带动另一端的活塞去给鼓风炉送风,它的结构似与纽科门蒸汽机的结构相似。包尔祖诺夫生活在18世纪,俄国已经经历了彼得大帝(1672~1725)的改革,俄国对西欧的文化、科学和技术已经有了交流。因此,或许包尔祖诺夫发明的蒸汽机也曾受到过一些西欧的科学文献记载的启发,当然,这也并不抹杀包尔祖诺夫在蒸汽机的设计、研制和发明上凝聚着他自己的智慧和创造。它同时还表明,在那个时候,在西欧以外,与瓦特1765年开始的对蒸汽机的研究同步,也曾有别的国家、别的民族对蒸汽力的利用进行过研究,也曾经花大力气制造过蒸汽机。

  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。

  从上面介绍的包尔祖诺夫设计蒸汽机的过程中,我们还可以看到,在当时的沙皇俄国,官僚主义十分严重,什么都要经过官员的审查批复,而那帮官员其实什么也不懂,成事不足,败事有余。相比较来说,在当时的西欧,他们已经经历了资产阶级革命,资产阶级已经获得他们的权利,虽然他们在自己的个人奋斗中都经历了不同的艰难困苦和坎坷曲折,但一般来说,那大多是来自于经济实力方面的较量,而对自己所感兴趣和十分热爱的发明事业,尽可能独立自主地去充分发挥自己的聪明才智,去钻研试制,而不致于受到这样那样来自官僚主义的无知的干预。

  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。

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