△蒸汽机时代的到来 

资本主义工场手工业的迅速发展,大大增加了对动力燃料和金属矿产的需求。与之相应,采煤业与采矿业得到迅速发展,不仅直接推动了当时社会经济的发展,而且直接推动了近代动力技术的诞生与发展,蒸汽动力技术的产生和发展则成了这一飞跃的先锋。

最先研究蒸汽动力技术的是意大利著名艺术家、科学家达·芬奇,据说他曾设计过一种利用蒸汽开动大炮的图样。以后,意大利的包尔塔曾设计和研制成功一种用蒸汽压力提水的实验装置,在一个盛水的封口瓶上装上两根与瓶内相通的管子,其中一根管子的一端与蒸汽室相通,一端位于瓶内上部的空气中;而另一根管子的一端浸入水中,一端则与外面的空气相通。在实验过程中,当蒸汽从接通蒸汽的管子进入瓶中时,瓶内的水即从另一根管子喷射出来。这种蒸汽压力提水装置所用的实验器械虽然比较简单,但它却为后来的蒸汽动力技术发展奠定了最初的实验基础。

此后,在蒸汽压力的启发下,伽利略、托利拆利(1577—1644年)等人对大气压力进行了仔细的研究。1643年,托尔拆利进行了一次大气压力实验——托尔拆利实验。在这次实验里,他们在一端封闭一端开口的玻璃管中灌满水银,并用手指压住开口的一端,使玻璃管倒立过来以后放在盛水银的杯子里。当按住开口的手指移开时,奇怪的现象产生了:管子里的水银只是稍流出一些后就停止了,水银柱的高度保持在76cm左右,大部分水银在管子里并不下落!这个实验有力地证明大气压力确实存在,从而导致了水银管中真空的发现和水银气压计的发明。

此前人们乐于相信“自然害怕真空”这种说法,托利拆利的实验立即引起了德国马德堡业余物理学家格里凯的兴趣,格里凯设想:要真正发现大气到底有多大压力,首先必须获得真空。只有在真空与大气的对比之下才能真正看出大气有多大压力,从这一思想出发,他经过一段时间的设计与研制,终于在1650年发明了真空泵,即一种人力抽气机,终于使人类掌握了最初的真空技术。1654年,格里凯用他的真空技术进行了著名的“马德堡半球实验”。当把两个半球中的空气抽掉,造成真空球时,格里凯用十六匹马组成的两个马队分别在真空球的两端使劲地拉这个真空球,结果无论如何用力,始终也未能将这个真空球拉开,这一实验证明了大气压力是巨大的。由于包尔塔的蒸汽压力实验、托利拆利的大气压力实验以及格里凯的真空作用的这三大实验基础的相继成功,使人们开始从实践上认识蒸汽、大气、真空的相互作用,而这些重大实验成果也就成为早期蒸汽动力技术的产生奠定了牢固的实验科学基础。

在蒸汽压力、大气压力和真空作用这三大实验基础相继形成之后,最先把蒸汽动力技术的设想付诸实施的是法国著名物理学家、工程师巴本(1647—1712年)。

巴本从1674年开始致力于蒸汽泵的实验设计,经过一段时间的实验研究与理论探索,他发明了一个带有活塞的汽缸。他先将汽缸的底部注入少量的水,再把汽缸放到火上加热,当汽缸内的水沸腾后,蒸汽即推动活塞慢慢上升,然后,又把火从汽缸下抽掉,汽缸内的蒸汽即慢慢冷凝,由于蒸汽的冷凝,汽缸内产生真空,在大气压力的推动之下,活塞又慢慢下降,通过这一实验,使巴本认识到利用蒸汽压力、大气压力、真空的交互作用,完全可以推动汽缸内的活塞及其活塞杆作往返的直线运动,而这种运动所产生的机械力可以带动其他机械运动,这就是蒸汽机的雏形。可不要笑话它的笨拙与简陋,它可是以后一切更高级的蒸汽机的始祖!在此之后,又考虑到过大的蒸汽压力可能会使汽缸爆炸,巴本作了一些改进,在1680年他发明了安全阀。这样,第一台可以把热能转变为机械能的实验型的蒸汽泵,就于1680年在英国试验成功了。巴本的蒸汽泵综合包括了包尔塔的蒸汽压力实验、托里拆利和巴斯噶的大气压力实验,格里凯的真空实验等三大实验成果,也综合了波义耳、胡克等人的理论成果,它是早期蒸汽运动力技术的实验与理论成果的一次大总结,从这个意义上讲,蒸汽泵这种最初的蒸汽运动机械,主要是一种实验科学的产物。

1695年,继巴本之后英国机械工程师塞维利的实验实现了蒸汽动力技术的第二次突破,他制造出了几台蒸汽泵,由于它已能用于抽水,并含有最初的蒸汽动力机的雏形,特别是它首次把蒸汽技术用于生产,因此可以说赛维利实现了近代蒸汽动力技术的第二次突破。塞维利把他发明的蒸汽泵称为蒸汽机,但实际上只是一种把动力装置和排水装置结合在一起的蒸汽泵。

赛维利发明蒸汽泵以后,近代蒸汽动力技术进入一个新的发展时期,即纽可门蒸汽机的发展时期。纽可门热心于蒸汽机技术方面的研究。他曾向赛维利本人请教,并从物理学家胡克那里学到了一些必要的科学实验和科学理论知识。后来,纽可门还请同样对研究蒸汽机技术有兴趣的玻璃工人考利参加蒸汽泵的革新。后来纽可门又主动提出要和赛维利联合起来,一起研究蒸汽机技术。这样,纽可门、考利和赛维利三人实际上已经形成一个联合革新小组。这一联合小组推动了对赛维利蒸汽泵的革新。通过三人小组仔细的研究和分析,发现赛维利蒸汽泵存在着两大缺点:一个是赛维利蒸汽泵的热效率太低;另一个是赛维利蒸汽泵基本上还是一种水泵,而不是典型的动力机。纽可门针对这两个缺点进行了相应的技术革新。在进行上述的两大革新之后,纽可门又与考利、赛维利一道,对动力如何传递的问题进行了研究,经过很长一段时间的摸索之后,纽可门提出了用一杠杆与活塞相连的传动机构设计。这样,活塞在往复运动中所产生的机械动力就可以连续传递出去了。上述三个方面的重要革新完成之后,一台近代蒸汽机的完整蓝图基本完成了。1705年,纽可门、考利、赛维利一道,终于试制出了第一台真正算得上是动力机的蒸汽机。

这台蒸汽机一问世立即显示出了明显的优点:热效率明显提高。由于引入活塞装置与传动机构,它已完全具备动力机的基本效能。1705年,纽可门、考利、塞维利三人一齐获得“引入活塞下部的蒸汽同活塞与杠杆连接起来而产生可变运动”的专利权。由于这种新的蒸汽机主要由纽可门研制成功,所以后来人们便把这种蒸汽机称为纽可门蒸汽机。

纽可门既吸收了赛维利蒸汽泵的快速冷凝的优点,又吸收了巴本蒸汽泵中的活塞装置的长处,因此,它是当时蒸汽动力技术的又一大综合。除此之外,从巴本蒸汽泵到纽可门蒸汽机,其汽缸与活塞等主要构件都源于早已传入欧洲的中国活塞风箱。从上述两方面的意义来说,纽可门蒸汽机确定是一项国际发明。不仅如此,纽可门蒸汽机继承当时的蒸汽动力技术的基础上还有很大创新。因此,我们可以说纽可门蒸汽机的发明是近代蒸汽动力技术的又一大突破。

纽可门蒸汽机发明以后,作为一种能够带动水泵的引擎,被用到采煤场与采矿场的矿井排水之中。用于实际生产之后,人们除了发现它的热效率仍然较低之外,认为它的主要缺陷还是操作起来很不方便,如向汽缸内喷溅冷汽的龙头和蒸汽阀门的开关,最初还是用人手操作的。这个问题由一个叫波特尔的徒工解决了,波特尔在看管这种蒸汽机时,对龙头与阀门的操作方法进行了革新。它把龙头手柄与阀门开关用绳索连接起来,大大简化了操作过程,由于操作方法已比较简便,所以得到更为广泛的应用。

纽可门蒸汽机虽然最终由纽可门革新成功,但他实际上是西欧许多科学家长期奋斗的共同结晶。早期的研究不算,仅意大利物理学家包尔塔从十六世纪来进行蒸汽压力实验算起,人们为发展蒸汽动力技术已相继奋斗了一个世纪,在长达一个多世纪的漫长岁月里,包尔塔、伽利略、托里拆利、维维安尼、巴期噶、格里凯、惠更斯、巴本、波义耳、胡克、牛顿、莱布尼茨、赛维利、纽可门等人均为蒸汽机的发明做出了不同的贡献。从巴本蒸汽泵到纽可门蒸汽机的早期蒸汽动力技术的发展,是学者的科学知识与工匠的技术经验逐步结合的产物。巴本蒸汽泵的发明,主要靠学者的科学知识,但巴本在发明蒸汽泵时,也吸收了当时的工匠的技术经验;纽可门蒸汽机的发明,主要靠工匠的技术经验,但纽可门在研制蒸汽机时,也吸收了当时的科学知识。因此,早期蒸汽动力技术的发展,树立了把学者的科学知识与工匠的技术经验结合起来的范例。尽管这种结合当时还是初始的甚至是不自觉的,但正是由于这种最初的结合,终于结束了中世纪的那种学者与工匠彼此脱离的局面,从而开创了一代科学新风。半个多世纪之后,当瓦特在格拉斯哥大学致力于革新纽可门蒸汽机时,也同样力求把他的工匠的技术经验与热化学家布莱克的热学理论结合起来。结果瓦特取得了成功,革新纽可门蒸汽机的成功,是对学者知识与工匠经验相结合这一历史经验的又一次证明。

早期蒸汽动力技术的发展不仅极大推动了技术本身的发展,而且对整个科学的发展产生了深远的历史影响。从巴本蒸汽泵到纽可门蒸汽机的发展,逐渐形成了近代科学技术的内在结构体系与循环发展机制——即理论与实验、科学与技术、技术与生产的内在结构体系的循环发展体制。

瓦特发明的蒸汽机推动了第一次工业革命的发展,但若没有纽可门蒸汽机发明在前,就没有瓦特蒸汽机成功在后。从巴本蒸汽泵到纽可门蒸汽机的早期蒸汽动力技术的发展,我们看到蒸汽发出的鸣叫声,向人类奏响了技术革命的乐章。它告诉人们:在这个古老的星球上即将掀起一场史无前例的大革命,人类社会即将进入一个全新的发展阶段!