瓦特与工业革命

技术不可能弯道超车

文：H.W.迪金森  编：瑞秋的春天

今年8月25日，是詹姆斯·瓦特逝世203周年纪念日。提起瓦特，很多人的第一反应都是——那个发明蒸汽机的人。但事实上，并不是瓦特发明了蒸汽机，而是他大大改良了蒸汽机，让蒸汽机产生了巨大的工业生产价值。

翻阅牛津《技术史》里的《工业革命》第6章，就会发现：如果没有前人的发明和创造，无论瓦特多么天才，也不可能凭空造出具有实用价值的蒸汽机。技术的进步，像科学一样，需要经年累月的积累，需要数辈人的努力，才有可能实现突破，而绝不可能“弯道超车”。

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最早的蒸汽动力驱动装置

已知最早的由蒸汽动力驱动的装置，是公元1世纪希罗设计的“风神轮”，也叫汽转球。它可以被认为是反动式汽轮机的原型，但只是一种哲学上的玩具，并不能产生任何显见的动力。

希罗还发明了另一种热机，机器中空气在加热时产生的膨胀力，被用于驱动水槽中的水通过一个虹吸管升到一只悬挂着的水桶中，随着重量的增加水桶会下降，从而打开一扇由平衡锤关闭的神庙门。

▲古罗马数学家希罗，与他发明的“汽转球”

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1600多年后，蒸汽的重新应用

直到17世纪，人们的注意力才再次转向了从热量中获得动力。波尔塔(1538-1615)在他的《灵学三书》中，不仅阐明了作用在液面上的蒸汽压力是如何驱使水从水槽中上升的，而且解释了蒸汽的凝结如何产生吸力，从而可以从水位较低的水面吸水。1615 年，法国的一位花匠科斯描述了一座用蒸汽驱动的观赏喷泉。

意大利建筑师布兰卡(1571-1640)是第一个认识到作用在轮子四周叶片上的喷射蒸汽流可以使轮子转动的人。1629年，他描述了根据这一原理工作的一类冲击式汽轮机，它是通过三倍减速齿轮连接到一对落锤上的。这一设计由于过于粗糙而无法达到工作要求，使得这一概念直到19世纪才得到运用。

▲A：设想的烟道机，热空气由烟道上升，使轧钢机工作；B：设想的由热空气驱动的捣碎机

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关键一步：大气压的发现

一个导致蒸汽机的发明的重要步骤是大气压力的发现。

据说由于科西莫二世——托斯卡纳大公的工程师们在制造从50英尺深处抽水的抽吸泵时没有取得成功(虽然经验已经证明提升30英尺左右是其极限)，于是便向伽利略(Galileo，1564-1642)求助。

伽利略开始进行试验，这一试验在他去世后由他的学生托里拆利(1608-1647)继续进行。1643年，托里拆利宣称大气施加的压力等于约30英寸长的垂直水银柱的压力，而且正是这一压力决定了通过抽吸使液体可以被提升的高度。

托里拆利预言此压力将随海拔的增高而降低，这一论点被帕斯卡(1623-1662)提出的一个实验所证实。他在1647年将一只气压表带到了奥弗涅的一座4800英尺高的山顶上，水银柱在登高过程中下降了约3英寸。

这一发现表明，利用大气压力对活塞上做功是可能的，由此导致了许多国家开始进行试验工作并最终发明了蒸汽机。

▲约1654年，冯·居里克在一次表演中显示了甚至连16匹强壮的马也不能拉开两个被抽空了空气的半球。

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第一次用蒸汽汽缸驱动活塞

有几位早期的发明家曾设想用火药的爆炸力作为一种动力来源。这一思想通常是利用火药爆炸来产生真空，从而可以从大气的压力中获取动力。

因此，惠更斯(1629-1695)在1680年提出了一种火药蒸汽机的形式，其中爆炸发生在汽缸内一个活塞的下面，该活塞由平衡锤提升到一个较高位置，几乎所有的爆炸气体都通过自动的释放阀门逸出。随着残留的部分气体的冷却，空气的压力会迫使活塞下降，这样就可以提起重物。

在惠更斯用这一装置做第一次实验时，他有了一位助手帕潘1647-1712?)。帕潘1690年设计的发动机由一根直径约 2.5英寸的竖管组成， 配有活塞和连杆。只要将少量的水加到管子的底部，在管子外部加热，产生的蒸汽会将活塞推到管子的顶部，并由抓钩的吊住。当通过冷却管子使蒸汽凝结时，用手放开抓钩，大气压力会迫使活塞下降。因此，这一管子必须完成三重任务，即锅炉、发动机汽缸和冷凝器。

帕潘的发动机表明了一种原理，但是并无实用价值。然而，他是第一个应用蒸汽在汽缸中驱动活塞的人，而且还指出了一种周期性的操作，后来由纽科门将其付诸实际应用。

▲法国物理学家丹尼斯·帕潘，帕潘也是高压锅的发明人

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蒸汽机不断改良，迈向实用化

在那些日子里，人们感觉到最需要的机械是抽水设备。

在众多关注这一主题的人中，就包括军事工程师萨弗里。他采用的原理是：在一密闭的容器中，由于蒸汽的冷凝，能使水位升高到大气压力所允许的最大高度，保留住水并对它施加安全范围之内的最高蒸汽压力，驱使水位升得更高。

▲左：萨弗里的“矿工之友 ”，一种靠火力汲水的蒸汽机；右：帕潘的萨弗里机的改进型，1705年

萨弗里机在18世纪早期就逐渐被废弃不用了。1705年，帕潘试图对它进行改良，但此时他放弃了自己早期很有前途的计划，即在汽缸活塞的下面冷凝蒸汽，并由此从大气压力中获得动力。这一原理有突出的优点，即所需的蒸汽接近于大气压强，使得发动机和锅炉的制造都在当时工匠们的能力范围之内。

沿着帕潘的原始设想继续深入下去的方案是由纽科门独立构思出来的，他所获得的成就要远超过以往的任何进步。他第一个建造了实用而又可靠的蒸汽发动机。

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纽科门蒸汽机

在纽科门于1712年建造的那台蒸汽机中，锅炉及其附属装置比一个大的酿造啤酒用的铜制容器大不了多少，产生的蒸汽仅为大气压力。

当蒸汽进入锅炉上方的汽缸底部时，主要由于悬挂在杠杆另一端的泵杆的重量作用，活塞会升到顶部。蒸汽通过排泄管和水密封阀，将已经进入汽缸中的所有空气和水推出，然后在关闭了与锅炉的连接之后，喷射的冷水会使蒸汽冷凝下来，所产生的真空导致大气压推动活塞回到汽缸的底部，由此提升了泵杆。在进入更多蒸汽以后，运转周期就再次开始。

▲纽科门大气式蒸汽机图，1712年

到1725年，纽科门蒸汽机已全面用于抽水，尤其是在矿山中抽水，同时也用于提升水以推动水车来驱动机械。

法国的第一台蒸汽机于1726年建于巴黎郊外的帕西，被用于从塞纳河向城市供水。

纽科门于1729年去世，生前已看到自己的蒸汽机在萨克森、法国、比利时，可能还在德国和西班牙得到应用。

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斯米顿改进纽科门蒸汽机

在纽科门去世以后的很长一段时间里， 他的蒸汽机的发展依赖的是从事实际操作的人，因为“哲学家们” 似乎还认为机械学不值得他们注意。

首位非常关注蒸汽动力的科学工程师是斯米顿，他以建造埃迪斯通灯塔而闻名。

▲1772年由斯米顿为朗本顿煤矿制造的纽科门蒸汽机

斯米顿拥有纽科门所不具备的知识和制造设备，他几乎将大气式蒸汽机的效率提高了一倍，又使其性能达到了此类蒸汽机所能达到的最高点。

但是，这还是非常低，主要是因为做功的汽缸同时又用作冷凝器，因而浪费了大量的热。

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瓦特实现蒸汽机的根本性改进

继纽科门之后，首位在开发蒸汽动力方面取得重要进展的是瓦特(1736-1819)。凭借自己的创造性和科学才华在蒸汽机的效率和机核设计方面作出了根本性的改进。

瓦特是格里诺克一位木匠技师和造船工人的儿子，年轻时曾去伦敦学习仪器制造技艺。1757年，他回到格拉斯哥，被任命为“格拉斯哥大学的数学仪器制造者”，并在学院的大楼中设有一个工场。

1763年，瓦特修理了一台属于格拉斯哥大学的纽科门蒸汽机模型并使它运转起来，一位伦敦的仪器制造者此前却未能把它修好。

瓦特在博尔顿的推动下发明了从他的蒸汽机中获得旋转运动的几种方法，这使得蒸汽机可以广泛应用在制造业中。

▲用于矿山排水的抽水用瓦特单作用式蒸汽机，1788年

1782年，瓦特获得了两项非常重要的改进专利。

第一项是使蒸汽机成为双作用式，这就能够利用同样的汽缸容积产生两倍的动力。

第二项是利用蒸汽的膨胀性，只在每一冲程的开始阶段接纳蒸汽进入汽缸，此后就由它的膨胀力驱动活塞。

为了使蒸汽机成为双作用式，以前将活塞杆连到横梁上的柔韧的链条必须为某些能分别双向传递力的机构所代替。

瓦特的第一个想法是延长活塞杆，使之成为一根齿条与杠杆端的弧形齿啮合。这是一个笨拙的装置，1784年，瓦特为他非常著名的三杆直线运动申请了专利，他自己也认为这是他的杰作。

在几个月后，他发现他可以用缩放仪的原理将直线型轨道的长度扩大一倍，于是他制造了精巧的“平行四边形运动”机构，它的应用在一个世纪或更长的时期内成为旋转式杠杆蒸汽机的特征。

▲瓦特的双作用螺旋式蒸汽机，1784年

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技术的突破，从来不是一蹴而就

上文选自牛津《技术史》。回望技术史，不难发现，伟大的瓦特也只是站在前人的肩膀上，在瓦特之后，随着时间的推移，在更多工程师们的努力下，蒸汽机仍然在不断“进化”：特里维西克发明了高压蒸汽机，麦克诺特设计了复合式杠杆蒸汽机，伊斯顿和阿莫斯发明了蚱蜢式蒸汽机，莫兹利研究出了台式蒸汽机......

技术是复杂的，其复杂性不仅在于技术本身，更在于技术的形成和演变，那里隐藏着技术精神和人们观念的转变。而这些，却正是东方传统国家最容易忽略的。

从鸦片战争起，中国被迫接触近代科学和技术，尤其是“船坚炮利”等技术表征，人们更相信特定实用价值的科学，和对技术表征的崇拜。半个多世纪的唯物论教育，现代社会的“技术性社会”，都在某种程度上，导致许多人成为技术的功利主义者，只知其一不知其二。

为此，先知书店特别推荐推荐英国牛津大学出版社出版的《技术史》，这是一部人类社会技术与文明的百科全书。

《技术史》跳出就技术论技术的框框，表面说的是各种技术的创新、发展。但背后是种思维方式，为我们认识技术本质和文明演化提供了契机。

▲牛津《技术史》内页展示

自远古至20世纪中叶的综合技术史，全书1000万字，共194章，拥有3000余幅珍贵的照片和专门绘制的插图。全书各章均由相关领域的200余位国际知名学者撰写，内容极其丰富详实。英文原版图书全部出齐就用了30余年。《自然》杂志评价此书说：“这八卷著作构成了一座学识纪念碑。”