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闲话工业革命蒸汽机的革命

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明朝末代皇帝崇祯(剧照)

当中国社会发展到了明朝的时候,一度出现了社会生产力停滞不前的状况。明朝绝对是我国社会发展最为黑暗的时刻,因为从明嘉靖帝开始,到明神宗万历皇帝的二十年不上朝,经过几代君王的“努力”,明王朝已经到了风雨飘摇的时刻了。虽然明朝最后一个皇帝崇祯皇帝自登基之后勤俭勤勉,兢兢业业,但最终也难逃亡国之君的命运,自缢在煤山,明朝江山拱手交给了农民起义军李自成,最终落入了大清王朝手中。而大清王朝本身就是以北方游牧民族起家,最终夺得天下的女真族部落,本身制度、文化、科技等方面远远落后于明朝。因此,笔者认为,大清王朝的建立并没有推动中国的社会的进步,但倒不妨碍他们向汉族的先进文化学习。因此,自清太祖努尔哈赤建立后金一直到后来的康乾盛世,整个十七倒十九世纪前夕,都可以看作是满族逐渐融入华夏民族过程。

文艺复兴中的欧洲

然而,就在明末清初的这一段长达几百年的时间里,西方却经历了一场文艺复兴所带来的文化洗礼,欧洲的文化、科学等不同领域都涌现出了一大批杰出人才,这里面有科学家伽利略、牛顿、普朗克以及我们之前所谈到的波义耳等人。欧洲的资产阶级革命也随之爆发,从尼德兰(荷兰)到不列颠,到处是革命的火种。这样的文艺复兴和资产阶级革命的爆发给欧洲带来的最直接的结果就是一大批新贵族和资本家的兴起,而资本家的最直接的目的就是赚钱。在英国,由于刚刚经历过“羊吃人”的圈地运动,直接刺激了英国的纺织行业发展。有了羊就有了羊毛,但羊毛得纺成线,织成布,最后做成衣服才能卖成钱。因此,在从养羊、剪羊毛、纺线一直到织布做衣裳可谓是一环扣一环,哪个工序速度慢了就会限制下一个工序的发展。

纺织业中第一个被发明的机械飞梭被改良的珍妮纺纱机

率先,年,飞梭被发明了出来。这一下,织布的速度提高了,但其结果就是,织布用的羊毛线贵了。原因是纺线的速度跟不上织布的速度,导致羊毛线的货源短缺,从而涨价。这个时候,有一个叫詹姆斯·哈格里夫斯的纺织工偶然间发明了能一次带动8个纺轮的纺纱机(感觉像是小学时被老师罚写字时一个人手握许多支铅笔书写一样),他用其女儿的名字命名叫珍妮机,一下子提高了纺纱的效率。

大发明家瓦特

然而,尽管这种改良提高了纺羊毛的速度,毕竟这还是手工机械,一切都得靠人的手工去完成整个操作,效率还是不行。怎么办呢?就在这时,一位英国发明家送来了极好的可以省力的工具蒸汽机,这一下子就把生产效率翻了不知道多少倍上去。这个发明家就是大家所熟知的瓦特。没错,现在我们用的电器上标的功率的单位正式以瓦特命名的。

要说这个瓦特,他的早年经历也是十分曲折。17岁,瓦特丧母,父亲生意萧条,他不得不自谋生路。他到伦敦一家仪表修理厂做了一年的徒工,于是便认为自己什么都懂了,就想回他老家苏格兰开一家这样的修理厂,因为当时苏格兰还没有这样的修理厂。但是,当时的行会要求必须做满7年的徒工才有资格开厂,于是他想开厂的要求被行会驳回了,瓦特在家苦等了一年,结果也是没用。没办法,他只好再回到伦敦,继续去找地方当学徒。在伦敦的两年他的日子也是不好过,一直到年,他在伦敦“伦漂”了两年之后,在一次偶然的机会,在他老家苏格兰的格拉斯哥大学(格大)里得到了大学教授们的帮助,允许他在大学里开个小修理店,以此维持生活。由于瓦特的长年在社会上漂荡,他的社会经验极为丰富,他明白大学里教授的话语非常重要,于是十分注意维护和教授们的关系。经常,那些教授找他修东西他都不要钱,结果他赢得了很多教授的好感,不就就被大学任命为“数学仪器制造师”,还在学校实验室里被安排了一个车间。

纽科门蒸汽机原理示意图

大概过了五年,瓦特的其中一个教授朋友罗宾逊在一次偶然的交谈中就告诉他,现在当下里蒸汽机很流行。于是瓦特就兴致勃勃,并且自己做了一台蒸汽机,但是失败了。但是,他不断学习,自己独立地发现,蒸汽机所用的蒸汽的潜热(就是蒸气液化时或水气化时所放出/吸收的大量的热)是蒸汽机的最重要的动力源泉。一年以后,年,瓦特打听到,格大有一台蒸汽机,坏了,被运到伦敦修理。于是瓦特就说,咱们送到伦敦去修,那得花多少钱啊?我就能修!于是找人把机器运回来,瓦特完成了修理。修好的蒸汽机勉强能用,但是工作效率太低了。怎么回事呢?瓦特就仔细研究,结果发现,每一次好不容易把锅炉烧出蒸汽以后,蒸汽得先把气缸给暖热了,然后才能维持水蒸气的压力,从而顶着活塞向上做功。等到做功完毕,又得释放大量的冷凝水把气缸给冷却了,这样蒸汽才能变回水,然后靠着负压把活塞给拉扯回来,然后再重复蒸汽暖热气缸的过程。如此做,就得把大量的热量花在了暖气缸上,暖完了气缸还得把气缸浇凉。这就好比今天外面天寒地冻,家里烧起了暖气,但却还把冰箱开着,把食物放在冰箱里一样。这太不效率了!于是,瓦特决定要改进这种纽可门式蒸汽机,不能再这样的又加热又冷却,既浪费大量的煤炭又浪费大量的水,结果还跟不上节奏。

改良后的瓦特蒸汽机

于是,经过两年的思考与实践,瓦特找到了突破点,那就是冷凝环节!瓦特通过若干活塞阀控制蒸汽在不同工作阶段的流向,把蒸汽不断地排向独立的冷凝器,从而达到了冷凝与工作气缸分离的效果,结果这一下子大大地提高了燃料的利用率,同样抬举一份重物,瓦特蒸汽机比之前的纽卡门蒸汽机节省三分之二的煤炭!小试成功了,但想得到成功的蒸汽机还得做许多的工作。首先就是资金问题,在大学教授的引荐下,瓦特找到了他第一个合伙人罗巴克。罗巴克是个钢铁商人,但当时英国的钢铁制造工艺整体都很低下,所以做出来的气缸一直不能让瓦特满意。而这里最重要的是申请专利,这得花很大一部分钱,结果导致瓦特的资金困难,于是他不得不找了另一份兼职工作,而且一干就是8年,一直到罗巴克破产。罗巴克破产后,专利就被另一个铸造厂老板博尔顿接手了,于是瓦特就和博尔顿合作,成立了博尔顿瓦特公司,而且一干就是25年。博尔顿资金雄厚,人缘广袤。之前在罗巴克那里,瓦特要求的很强的密闭性的气缸的问题,就被博尔顿请来的机械专家约翰·威尔金森给解决了。终于,年,瓦特自己设计的蒸汽机被投入生产,代替之前的纽卡门蒸汽机进行煤矿开采工作。

改变往复运动的曲柄连杆装置

但这时的蒸汽机只能做直线的往复运动,这种直线往复运动似乎只能在煤矿开采中使用,别的地方还不太好用。于是,博尔顿就提出,能不能把这种往复运动变成圆周运动?因为如此一来,就能把这种机器应用到多种工艺上,那么瓦特的蒸汽机不就应用更广泛了吗?事实上,当时已经有人发明了这种曲柄连杆装置并申请了专利。但该专利的持有者所开的价码是要求分享瓦特之前的蒸汽机冷凝器分离的专利,于是瓦特拒绝。

太阳-行星齿轮传动系统瓦特蒸汽机双向气缸示意图瓦特的平行四连杆机构示意图

但是,瓦特又是极为走运的幸运儿,他公司有一个员工叫威廉·默多克的,这时候突然发明了一种叫做太阳-行星的传动系统,和之前的曲柄传动没有任何重复的地方!于是,默多克就以瓦特的名义申请了专利。与此同时,瓦特又改进了他的蒸汽机,使其变成了双向气缸,再一次的提高了蒸汽机的效率。然而,这种齿轮传动系统却不好直接和气缸相连,因为蒸汽在做功的时候会导致气压的变化,因此曲柄受力不均匀,从而导致传动后的圆周运动的转速不稳定。因此,瓦特又和他的伙伴们设计了一种平行四连杆机构,并申请了专利。至此,瓦特的改良后的蒸汽机就可以改变往复运动为圆周运动,从而应用到其它行业上去了。

离心式调速器几经改良后的瓦特蒸汽机

各行各业都需要提高生产率,因此大家都引入瓦特的蒸汽机设备,其中就包括纺织业。但是,尽管有平行四连杆装置,但英国的天气可是晴雨多变的。而在多变的天气中,大气压强也随之变化,从而导致蒸汽机的运转极易受到环境气压的影响。怎么办呢?瓦特就又在想办法,最终,他发明了一种自动化控制装置——离心式调速器。瓦特的这一装置的调速原理就在这能够转动的接上弹簧的小球上。当蒸汽机的效率太大,则小球的转动速度变快,因此离心力增强。而离心力增强,就会牵扯着装置把控制蒸汽气流的阀门关小。如果小球转动速度过慢,则离心力减弱,装置会把阀门打开得大一些,直到受力平衡为止。如此设计,纺织蒸汽机就会平稳的运转了。不仅如此,瓦特的蒸汽机也接近完美了。

瓦特蒸汽机的发明不断应用于各种工业,最终结果导致了工业革命,最终机器生产替代了手工业,从此人类真正地脱离了铁器时代,步入了现代化工业生产阶段。纵观瓦特的创业历程以及蒸汽机的改进过程,我们基本上可以得到结论,那就是任何一项技术的发明与应用都不是一件轻而易举的事。自瓦特年发明了分离式蒸汽机冷凝器到年最终蒸汽机应用于各个生产行业,差不多经历了25年的时间。而瓦特的一生,也是经历了多次挫折与磨难,他做过学徒工,当过大学实验员,也因为创业艰难而去谋求生存。但这一切都没有阻挡瓦特在蒸汽机上的研究与发明,他也因此受到了后人的瞩目与敬仰。

工业革命,正是由于工业革命才使得西方国家在物质生产水平方面不断提高,而瓦特的蒸汽机也不断应用于火车、轮船等交通工具中,使得人类的社会发展不断攀登新高。也正因为工业革命的影响,西方资本家的金钱欲不断提高,他们不断在世界寻找原料基地和贸易市场,最终以蒸汽机驱动的轮船和用中国古代四大发明之一火药所制造出的枪炮敲开了中国的国门,把我国拖进了百年屈辱。

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