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「万物简史」蒸汽机的接力赛

苏琦 2014-12-13 15:44:27

蒸汽机是怎么来的,又是怎么开启一个时代的?

一个物品如何成为一个全球化商品,一个物品如何促进全球化,一个物品又是如何实现全球化制造?「万物简史」这个栏目将从“物品”出发,去看这些“物品”如何渗透进我们的生活,并改变了我们的世界。

它近期将会关注的内容包括,集装箱铁路,水,气候,T恤,航海图,武夫,香料鸦片咖啡木材旧衣服,贸易,大豆,玉米,酒店,黄金,白银,石油,天然气,汽车,奢侈品,抗生素,瑞士旅游业,有线电视,广告,探索频道,商人,传教士,冒险家,瘾,航线,棉花湖广填四川……

它是一个与书和我们的生活相关的栏目。如果读者想了解什么,请留言给我们。


忘掉瓦特受烧水壶启发发明蒸汽机的故事吧,它和牛顿被苹果砸中脑袋从而发现万有引力一样荒诞不经。事实是,瓦特在相当晚的时候才加入了制造蒸汽机的接力赛,此时蒸汽机早已被发明出来,只不过没有那么高效和安全。说瓦特是一个合格的工艺改造者,可能更加接近事实。

史料显示,早在公元前 200 年,居住在亚历山大的埃及科学家们就曾专门撰文描述了如何使用沸腾着的大锅炉中冒出的蒸汽来推开一个寺庙的门。具体的装置已经湮没不闻,但这足以证明人们早就已经开始利用蒸汽的威力了。

到 17 世纪时,人们又重燃对蒸汽工程的兴趣。不过一开始被用来做动力的并不是蒸汽,而是被不断增多的蒸汽从容器中压出来的水。受到压力作用的水顺着预置的管道排出从而产生动力,进而转动水车、齿轮等。

相对于蒸汽,水流的推动力显然偏小,人们后来又开始打起蒸汽的主意,琢磨如何利用它的强大推力。为此人们不仅需要一个气缸,还需要一个活塞,以便把蒸汽动力转化出去。荷兰物理学家惠更斯对这一关键突破的实现做出了巨大贡献,虽然他一开始的设想与蒸汽无关。惠更斯提出让火药在气缸内爆炸以推动活塞上升,然后通过一组开启的阀门把气缸内的空气排出,然后再关闭阀门利用真空效应把活塞再拉回来。

每次都通过点燃火药来实现活塞的运动显然既浪费又危险。接下来法国人丹尼斯·巴本在对惠更斯的设计进行改进的基础上,制造了一台真正意义上的蒸汽机模型。巴本放弃了火药,重新回到蒸汽路线。他将汽缸底部充满水,然后用火将其烧至沸腾,由此产生的大量蒸汽导致的压力推动活塞向上运动。然后他又把火移走,蒸汽随着温度的下降开始凝结,由此产生的真空又将活塞拉回原位。

上述流程的重复操作,确实能够保证活塞的稳定发力,但每回都把火移走来实现汽缸的冷却也太笨拙费时了。现在轮到英国数学家托马斯·塞维利进场了。他的突破性贡献在于推出了多汽缸设计,并在汽缸间增加开关阀门来控制气缸间的蒸汽流动。与此同时,他还通过让水流过汽缸表面,而非“撤火”的方式来使蒸汽更快地凝结,从而使活塞以及活塞连接的引擎转动得更快。

接下来,在距离塞维利 15 英里的达特茅斯,铁匠托马斯·纽科门使用塞维利的汽缸表面冷凝技术和巴本的汽缸及活塞设计制作出了自己版本的蒸汽机。纽科门蒸汽机的夺目之处在于给活塞加上连动传杆,通过连杆的上下运动大大提高传动效能。而一个名叫汉弗莱·波特的少年天才又给纽科门蒸汽机添加了可以控制气缸阀门开关的制动片,从而在活塞上下移动的过程中自动打开或者关闭阀门来控制冷凝水的进入和停止,从而将活塞运动次数提升至每分钟 15-16 次。

那么瓦特的贡献到底体现在什么地方呢?以上所有版本的蒸汽机都有一个冷却汽缸令蒸汽凝结的过程。蒸汽凝结固然能导致真空瓦拉回活塞,但比如面临重新加热的过程。瓦特苦心孤诣想要解决的是如何免除汽缸冷却环节,从而使汽缸可以不间断地供给蒸汽。但如何产生真空并拉回活塞呢?

据瓦特自己回忆,有一天他不知不觉来到一个牧场,脑子里满是蒸汽机的事情。这时他脑中突然闪过一个想法,如果给气缸连接一个排空容器,那么蒸汽可以“冲向”那里凝结并产生真空,而无需气缸冷却。

把这个原理想通之后,接下来需要解决的主要是技术性细节问题。后来英国钢铁巨头约翰·威尔金森利用自己工厂的铸造工业,帮助瓦特造出了体积大且密封好的气缸和排空容器,从而使瓦特能够使自己的设想落到实处。

至此,一个新的以蒸汽机为主要动力设备的时代才算正式开启。

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