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第一章 英国工业革命的标志(第1页)

火车头:自己行走的钢铁怪兽

1804年2月21日,在数千人的见证下,一台蒸汽机怪兽拖着10吨生铁、5辆大车,喘着粗气,用时4小时5分钟,成功跑完了16公里,这是人类第一次目睹这种钢铁怪兽的运行,这台怪兽当时没有名字,不过,现在有个熟悉的名字,叫做“火车”。

火车现在很威风,最高运行时速达到了605公里,但是,这次火车蹒跚学步的时速才3.9公里,比人类走路还慢,所以,准确点来描述,火车是爬完了全程。

第一节车厢:人类动力里程碑

在火车出场之前,我们先了解一下它的动力——蒸汽机。

早在公元1世纪,古希腊数学家希罗造出了世界上第一台蒸汽机的雏形,叫做“汽转球”,利用蒸汽逃逸的反作用力来转动一个球,不过,你也可以把它看成一个玩具。

近代最早研究蒸汽动力的是丹尼斯?帕平。

帕平,1647年出生于法国,1669年获得医学博士学位,本来,帕平应该从医,但是,数学和力学对他的吸引力更大,最终,兴趣改变了人生。1671年,他在著名物理学家惠更斯的指导下,开始进行科学研究,让他有了坚实的物理基础。1675年,年仅28岁的帕平来到伦敦,与著名化学家波义耳一起工作;在一次实验中,帕平意外地被蒸汽烫伤了手,他产生点疑问:自己经历过很多次烫伤,为何这次特别疼痛,于是,他向波义耳请教。这位大化学家告诉他,在密闭容器内加热水的时候,沸点随着水面上方气压地增大而升高,所以,喷出来的蒸汽温度更高,感觉更烫。

就是这个痛,让帕平开始思考,开始试验,最终在1681年发明了高压锅。

帕平作为一名科学家,在欣赏自己的高压锅时,注意到了蒸汽逃逸时,可以产生动力,于是,他做了大量的实验,最后,发表了一篇论文,介绍蒸汽膨胀可以推动活塞运动,而且,蒸汽冷凝后又可以形成真空。

这篇论文成了蒸汽发动机的理论来源。

英国是岛国,尽管面积小,但是矿产资源丰富,早期英国的采矿业独步欧洲,但是,矿井里的水处理起来非常麻烦,所以,英国有抽水机的市场需求。1698年,一位英国人根据帕平的理论制成了世界上第一台实用的蒸汽抽水机,这位英国人叫萨弗里。

蒸汽抽水机比较简单,具体工作过程是:第一步,将一个容器充满蒸汽,然后关闭进汽阀;第二步,在容器外喷淋冷水,容器内的蒸汽冷凝成水,容器几乎形成真空;第三步,打开进水阀,矿井底的水受大气压力作用,经进水管吸入容器中;第四步,关闭进水阀,重开进汽阀,用蒸汽压力将容器中的水经排水阀压出,至此,蒸汽机完成了一次抽水过程;水排出后,重复以上步骤,容器再次充满蒸汽时,关闭进汽阀和排水阀,重新喷水使蒸汽冷凝。

这就是蒸汽机抽水的整个过程,当时,让人感觉有点麻烦的就是每抽一次水后要等待一段时间。

萨弗里对自己这台蒸汽抽水机进行了改进,用两个容器轮班工作,就可以连续抽水,但是,实践结果,抽水机还可以,只是有个明显的弱点:汲水深度有限。中学物理知识告诉我们,这种抽水机就是利用大气压的原理抽水,抽水的理论高度也就是10米左右,当时材料、技术有限,不可能保证完全真空状态,实际抽水高度也就是6米左右;想从几十米深的矿井汲水,要么将抽水机装在矿井深处进行接力,要么用较高的蒸汽压力,当时,这两个办法都相当困难,而且危险。

1712年,另一位英国人将这个蒸汽抽水机进行了改进,制成了实用的蒸汽机抽水机,这位英国人叫纽科门,他改进的这种蒸汽机被称为“纽科门蒸汽机”。

纽科门的设计比较巧妙,他将汽缸和锅炉分开,蒸汽不是由水直接在汽缸中加热汽化,而是由锅炉生成,通过管道送入汽缸,这是一个改进非常关键:一方面,锅炉的容积大于汽缸容积,可以输送更多的蒸汽,功率有所提高;另一方面,锅炉和汽缸分开,发动机部分的制造就比较容易。纽科门还引入了活塞与连杆装置,使蒸汽压力、大气压力在相互作用下推动活塞作往复式的机械运动,蒸汽机就能成为蒸汽抽水机。纽科门蒸汽机,实现了用蒸汽推动活塞做一上一下的直线运动,相当于20匹马同时工作的动力,可以把几百英尺以下的水抽到地面上来。

这种蒸汽抽水机在煤矿矿井里非常受欢迎,背后有一个原因:它需要烧大量的煤,除了煤矿,其他地方根本用不起;不过,也有土豪,奥地利的施瓦茨伯格亲王就定购过一台,用来制造宫殿的喷泉。

此刻,蒸汽机的应用还仅限于抽水,要被广泛应用,必须要进行改良,这时,一位天才发明家横空出世,他就是詹姆斯?瓦特。

詹姆斯?瓦特,1736年出生于苏格兰,他有个舅舅在格拉斯哥大学任职,在舅舅的引荐下,开始学习机械制造;21岁时,他在格拉斯哥大学开设了一间机械修理店,并成为了学校教学仪器制造师,有机会接触大学教授,学习了各种机械性原理。有一次,瓦特得知大学有一台纽科门蒸汽机正在伦敦修理,他要求学校取回这台蒸汽机,让他来修理,正是这次自告奋勇的行动,他开始了自己一辈子的事业。

纽科门是铁匠出身,技艺精湛,但是,仅受过初等教育,理论水平低;而瓦特,不仅有精湛的技艺,还在大学里学到了扎实的理论知识。

瓦特经过研究,找到了纽科门蒸汽机的弱点。

纽科门蒸汽机采取内凝喷嘴和自动阀装置,在气缸里造成真空,利用大气压带动泵杆一上一下地运动。活塞每滑动一次,都伴随热量的散发:蒸汽从锅炉传送到气缸里,推动活塞向上滑动,为了不让蒸汽凝结,必须保持沸点,这需要大量的热量;当活塞被推到汽缸顶部时,内凝喷嘴喷射冷水迅速降低汽缸内的温度,蒸汽快速凝结,汽缸变成真空,才能让活塞下滑,从而完成了一个冲程。这个冲程让活塞一会儿冷,一会儿热,必然浪费大量的热能。

瓦特在这台蒸汽机的基础上,进行了第一次改进,他将加热和冷却分成了两个任务,由两个容器分别来承当完成。

具体工作过程是:第一步,打开锅炉蒸汽阀门,让蒸汽进入汽缸,推动活塞向上运动;第二步,当蒸汽推动活塞到汽缸顶部的时候,关闭蒸汽阀门;第三步,打开冷凝器与汽缸连接的阀门,这样,汽缸内的蒸汽压力会突然消失,由于冷凝让汽缸内形成了真空,空气压力会使活塞再向下运动。因此,只要交替开闭这两个阀门,活塞就会快速上下运动。

有运动,就有动力之源,不过,要想这动力之源成为能够应用的动力,还有很长的路要走,因为活塞只能作上、下直线运动,而运动需要往同一个方向前进。

1784年,瓦特针对这个问题又进行了第二次改进。

这次改进主要解决了两个问题:第一,他采用一个连杆带动曲轴的结构,使活塞的直线动能转变为圆周旋转动能。换句话说,之前只能让物体过去,然后原路返回,而现在,物体可以连续前进了。第二,他发明了世界上最早的自动控制系统,能自动调节蒸汽的流量,使机器的运行速度保持恒定,不再需要人工去调节阀门。

瓦特创造性的发明使蒸汽机迅速地发展,让原来只能提水的机械成了可以普遍应用的动力;由于加热和冷凝分开进行,这可以让汽缸始终保持高热状态,大大减少了煤的消耗。

瓦特改良蒸汽机问世后,他申请了专利,并组建工厂大规模生产。瓦特工厂制造的蒸汽机大部分在英国康沃尔郡矿区使用,这个矿区的蒸汽机的技术负责人是威廉?默多克。

威廉?默多克制造出了人类史上第一台蒸汽机车。

第二节车厢:被遗忘的蒸汽机车发明人

威廉?默多克,1754年出生于苏格兰的埃尔郡,是瓦特的老乡,在瓦特的公司负责安装蒸汽机。

默多克是一位不可多得的人才,他发明过一堆东西,如煤气、瓦斯灯、鱼胶、蒸汽引擎机车头、汽动力焊枪、钢水泥、合成染料、综合塑料制品等,算是一位著名的发明家。他技术熟练,业务精湛,甚至能对瓦特设计的蒸汽机提出修改意见,是瓦特的得力干将。瓦特得到了这位技术奇才,作为老板,理应礼贤下士,但是,瓦特技术方面心灵手巧,心胸却非常狭隘,正因为默多克技术高超,瓦特对他有所防范,甚至醋海生波。

为了打压他,瓦特经常强调自己的蒸汽机设计不容更改,所以,默多克改良蒸汽机的建议只能自己保留。

既然老板公开反对,那就自己私底下研究。在康沃尔郡矿区进行售后服务工作期间,默多克的技术过硬,蒸汽机基本上也没啥事,反正闲着也是闲着,默多克就锤锤打打,1784年,他竟然弄出一台蒸汽机车,这也是瓦特第二次改进蒸汽机的年份。

在英国的默多克应该不知道,5年前,法国已经诞生了第一辆蒸汽车。

1769年,一位叫尼克拉斯?库纽的法国炮兵军官,用蒸汽动力造出了一辆三轮车,希望能作为大炮的拖车。这辆车非常简单,前部吊一个锅炉,锅炉产生的蒸汽推动气缸中的活塞驱动前轮行走,这车每走15分钟,锅炉的压力就会损耗完,需要停下来加水和烧水,直到锅炉恢复压力后才能继续前进,还有一个致命的缺点,那就是没有装转向装置,在实验期间,这辆车撞上了兵工厂的墙壁上,车辆报废,这是世界上第一辆机动车,也应该是世界上第一起机动车事故。

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