作者 胡翌霖 (清華大學助理教授)

責編 許嘉芩 劉愈

作者 胡翌霖 (清華大學助理教授)

責編 許嘉芩 劉愈

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對煤礦的需求當然又促進了采礦技術(shù)的發(fā)展。在采煤工業(yè)中，一個很重要的工作是從礦井中排出地下水，這就需要使用抽水機。

早期的抽水機使用畜力驅(qū)動，到1698年，英國工程師薩弗里發(fā)明了蒸汽泵，用蒸汽冷凝形成的真空抽水，再用蒸汽把水壓出。薩弗里的蒸汽泵只是一個單純的水泵，專門用于礦井排水，并沒有把蒸汽轉(zhuǎn)化為機械動力。

▲薩弗里的蒸汽泵

1712年，紐可門發(fā)明第一臺實用蒸汽機，他把汽缸和鍋爐分開來，在汽缸中加入冷水噴射器，汽缸充滿蒸汽后使之冷凝產(chǎn)生真空，讓大氣壓做功，形成往復的機械運動。

鈕可門蒸汽機真正把燃料轉(zhuǎn)化為機械動力，但實際上主要還是被用于礦坑抽水。

鈕可門蒸汽機原理圖，水蒸氣從a閥門放入，b閥門噴入冷水，水蒸氣冷凝后在汽缸內(nèi)形成真空，拉起重物。

▲鈕可門蒸汽機（1744年版畫）

18世紀中葉，隨著對煤礦需求的增加，蒸汽機的改進也變得日益迫切。設(shè)法改良蒸汽機的不止瓦特（1736-1819）一個人，比如斯米頓也在嘗試改良，他的方法是不斷調(diào)試，改變鈕可門蒸汽機每一個部件的尺寸看看效果，最終他把鈕可門蒸汽機的效率提高了一倍。但還是比不上瓦特的新設(shè)計。

瓦特是一個儀器修理員，上一講提到18世紀形成了一條儀器產(chǎn)業(yè)，既然這些實驗儀器經(jīng)常被演示，那就總要損壞，于是就需要人去修理，瓦特當時就是一個專業(yè)的維修工。1764年，他應邀去一所大學修理那里的鈕可門蒸汽機，他因此注意到鈕可門蒸汽機效率低下的問題，到1765年，他靈機一動，想到了一種改進方式，1769年他就為他的發(fā)明申請到了專利。

瓦特蒸汽機的一個關(guān)鍵改進是把冷凝器獨立出來，與汽缸相分離，這樣就保證汽缸在運轉(zhuǎn)過程中總是熱的，而不是一下冷一下熱，這就大大減少了能量損耗，增加了效率。

瓦特蒸汽機原理圖，相比鈕可門蒸汽機，關(guān)鍵的改進就是獨立的冷凝器，打開c閥門讓蒸汽進入冷凝缸做功，冷凝器總是冷的，而汽缸總是熱的，大大減少了能量損耗。

▲瓦特蒸汽機示意圖（1797版畫）

另外，鈕可門蒸汽機只產(chǎn)生往復運動，而瓦特讓蒸汽機帶動輪軸的旋轉(zhuǎn)，這就使得蒸汽機的應用領(lǐng)域大大擴展了，當然它最初還是在煤礦那里普及的。

瓦特蒸汽機的普及除了因為效率高之外，也得益于瓦特高明的營銷手段。話說當時的礦場都用慣了鈕可門蒸汽機，對于瓦特蒸汽機究竟有多好并沒有明確的概念，而重新更換一臺機器成本很高，怎么說服他們換機器呢？瓦特的辦法是直接先把蒸汽機送給你用起來再說，然后按照新機器相比原先使用鈕可門蒸汽機節(jié)約下來的燃煤費用的一定百分比來收取租金。這樣的話對礦場主而言更換機器幾乎沒有風險，而對瓦特而言，細水長流地收租金其實比直接賣機器更賺。這樣一來，瓦特蒸汽機很快在英國普及，瓦特個人也是名利雙收了。

鈕可門和瓦特的蒸汽機都是依靠大氣做功，體積巨大，只適合于安置在固定的位置運轉(zhuǎn)，或者驅(qū)動大型汽船，但難以驅(qū)動車輛。所以火車的出現(xiàn)還需要等1800年左右特里維西克發(fā)明小型高壓蒸汽機。

高壓蒸汽機的體積大大縮小，但效率也不差，特里維西克最初設(shè)想他可以和瓦特競爭，給礦場主提供更好的選擇?？上錾系氖菭I銷大師瓦特，瓦特很快就營造輿論，說高壓蒸汽機不安全，結(jié)果特里維西克的推銷四處碰壁，沒人敢買。

最后特里維西克只好另辟蹊徑，在倫敦搞了個環(huán)形鐵路，讓一個蒸汽驅(qū)動的火車在里頭跑，取名“誰能追上我”（Catch Me Who Can）（圖14.2.6）。收費進場，進去以后可以追著火車跑著玩兒（圖14.2.7）。雖然這個活動可能只辦了幾周，但總算是抓了不少眼球。

▲“誰能追上我”入場券，下面寫著“機械的力量征服動物的速度”（1808年）

在1814年蒸汽火車終于被實用化了，首先是被用于煤礦之內(nèi)短途拉煤。到1830年，出現(xiàn)了第一條面向公眾的鐵路線（利物浦到曼徹斯特）。40年代開始鐵路大流行，英國到處都在興建鐵路。

鐵路工業(yè)本身又需要大量的鋼鐵，這反過來又推動了鋼鐵工業(yè)的發(fā)展。我們看到整個工業(yè)革命是一環(huán)扣一環(huán)，各方面的技術(shù)革新互相推動。

鋼鐵工業(yè)需要煤，這就促進了煤炭工業(yè)；而煤炭工業(yè)需要抽水和運輸，這就促進了蒸汽機和鐵路的傳播，而鐵路的修建又需要鋼鐵……

在紡織技術(shù)方面的技術(shù)革新更是經(jīng)常被人津津樂道的，紡紗技術(shù)與織布技術(shù)交替革新，互相推動，這方面我就不多介紹了。

總之，工業(yè)革命是一系列循環(huán)激勵的成果，農(nóng)業(yè)、商業(yè)和工業(yè)互相刺激，各門技術(shù)之間互相刺激，一個日新月異的工業(yè)時代拉開帷幕。

▲本文摘自《過時的智慧——科學通史十五講》，上海教育出版社，2016年7月出版。

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