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  • 英国著名发明家-瓦特
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            内容摘要: 瓦特 呼唤大力士 就人的体力来说,跟大自然的种种力量比较起来,那简直是微不足道的。 狂风,能把巨大的树木连根拔起;地震,能在瞬间毁灭一个城市⋯⋯就是跟自然界的许多动物比较起来,人身体的那点力量也不值一提。论打架,如果人手中没有武器,狮子、老虎能不费吹灰之力把人撕得粉碎;论干活,一头牛、一匹马差不多能顶十来个人。 如此说来,人不是很没用了么?然而,摆在我们眼前的事实是,大自然正在被人类一...

     

    瓦 特
    呼唤大力士
    就人的体力来说,跟大自然的种种力量比较起来,那简直是微不足道的。
    狂风,能把巨大的树木连根拔起;地震,能在瞬间毁灭一个城市⋯⋯就是跟自然界的许多动物比较起来,人身体的那点力量也不值一提。论打架,如果人手中没有武器,狮子、老虎能不费吹灰之力把人撕得粉碎;论干活,一头牛、一匹马差不多能顶十来个人。
    如此说来,人不是很没用了么?然而,摆在我们眼前的事实是,大自然正在被人类一步步征服;说到动物,哪一个也不是人的对手。这是为什么呢?因为人类有智慧,有科学技术。
    人类智慧有一个最大的特点,就是能够利用大自然的力量来为自己的生存服务。
    远古时代,人类的祖先是怕火的。当雷电引起了森林大火时,他们和其他动物一样纷纷逃走,以躲避这个能把整片森林吞掉的怪物。但后来,人们却认识了它,掌握了它,并利用它为自己服务:烧烤食物,取暖,烧掉树林和荒草然后开荒种地。这是人类学会利用的第一种伟大的自然力——火。这也成了人类最后脱离动物界的重要标志之一。
    人们还学会利用风力和水力。用风驱动帆船在水上航行;利用河里流动的水驱动水轮,然后带动水磨磨面,或带动其他机械为人类做许多工作。
    人们还把力气很大的牛、马甚至大象驯服,为自己干许多重活:耕地,拉车,运木头⋯⋯“弱小”的人,竟成了支配万物的神灵。
    但人们还不满足,总觉得这些被利用了的自然力缺点太多:火,只能利用它的热;风力有些靠不住,不用时刮得很大,用时又没有了;水力只能在有河的地方利用;至于牛马,虽然忠实可靠,可晚上它们还要休息。还有一点,就是当人们利用这些自然力为自己做有用的事时,总觉得它们力气还不够大。
    随着社会的不断发展,人们的不满足感与日俱增,迫切需要寻找一种力气大得惊人,却又特别听人使唤的、不知疲劳的“大力士”,以帮助人们从事更多、更重的劳动。那么,最后找到了没有呢?是谁找到的呢?这就是我们要在下面讲的故事。
    前人的努力200 多年前的英国,是当时世界上最朝气蓬勃、最有活力的国家。资产阶级革命的胜利,为英国资本主义的大发展扫清了前进的道路。各种工业——采矿、钢铁、纺织、机械等大大发展起来。成千上万的劳动者集中到城市,从事各种劳动。许多很小的手工作坊已变成规模很大的手工工场,劳动效率也由于分工而提高了许多倍。
    但是有一个问题却时时困扰着人们,那就是:人们的力气太小了,许多重活根本不能胜任。比如推动机器转起来,用以织布,或加工铁制品。比如开采煤矿,因为煤埋在很深的地下,要采煤必须挖很深的井。但煤井中常常有许多地下水,如果不排掉,矿井就要被淹,而排水是一件非常重的劳动。
    那时候还没有发明用电呢,矿井中为了排水,人们就用马来拉动抽水机。
    可这是很不合算的,养马要花很多钱,马干一阵还要休息,为了连续不断抽水,就要轮班换马。因此,有的煤矿单单为了抽水,就要养四五百匹马!人们多么需要一个又听话,又能一天到晚不停地干活的“大力士”为自己出力啊!在瓦特之前,就有过许多人去寻找这个“大力土”,但结果都不太理想。
    一些人开始想到了水蒸汽。人们都有这种经验:当一锅水被烧开时,不管盖子有多紧,水蒸汽都会冲出来,怎么也挡不住。如像现在的高压锅,气憋久了,还会发生爆炸。可见水蒸汽的劲儿不小。一些人还发现,在一个很热的密闭容器内的水蒸汽如果冷却变成了水,盖子是很难打开的(如现在人们常用来沏茶的带盖的玻璃杯,水凉后盖子极难打开)。这是因为容器内产生了真空,外边的空气想进去补充,把盖子压紧的缘故。
    水蒸汽的这些特性,许多普通人都熟视无睹。但一些有学问,或长期从事制作的能工巧匠们却想到了利用它。
    1712 年,一个铁匠出身的英国人,名字叫纽科门,他在总结前人经验教训的基础上,制出了一台利用水蒸汽力量做功的机器,还给它取了个名字:“大气压力蒸汽机”。当纽科门把它用于煤矿抽水时,一台机器竟能顶上二三十匹马的力量,而且只要换人不断烧火操作,它可以不休息地昼夜干活。
    这个机器在当时受到许多人的欢迎。但是它的缺点也是很严重的。因为,它还不是一种能在各个部门、各种场合普遍使用的、性能稳定的动力机械。
    而最后完成这一历史任务的,就是大名鼎鼎的瓦特。
    不平凡的身世詹姆斯·瓦特,出生于英国苏格兰的格林诺克城。祖父是教航海学的教师,父亲是一个熟练的修理、装配工人。瓦特幼年在家即受到良好的教育。
    上学时,他的数学成绩特别优秀。可惜,因从小体弱多病,没毕业就退学了。
    但他却在家自学了天文、化学、物理等多种知识,还从父亲那里学得了木工、机械制造、仪器修理等多种工艺技术。
    17 岁那年,父亲经商失败,家道中落,瓦特被迫外出谋生。他来到伦敦,很幸运地做了著名技师摩尔根的学徒。有名师指点,加上勤奋好学,基础又好,还没出师就能制造难度很大的经纬仪、四分仪、罗盘等仪器了。
    艰苦的生活和繁重的劳动使瓦特再一次病倒,只好又返回家中。可是,迫于生计,病没好就又去了哥拉斯哥。他本想在该城搞点制造和修理的营生,但该城的“铁匠行会”因他不是本城居民而不允许他开业。这使瓦特陷于绝望之中。
    幸好,哥拉斯哥大学的布莱克教授收留了他,让他当了修理、制造教学仪器的工人。布莱克教授和当时在该校任副校长的著名经济学家亚当·斯密独具慧眼,看中了这个心灵手巧的年轻人,并全力支持他的工作,甚至专门给他房间做工作室和出售产品的店铺。
    哥拉斯哥大学在当时是一所非常进步的学校,学术气氛不错,讲究平等,还能主动适应当时社会生产发展的需要,为当地工人开办夜大学,讲授自然科学知识,瓦特也常去听课。这个工匠出身的年轻人,由于长期的修理、制作劳动,练就了一双灵巧的手。又由于他从小就极其用心地学习自然科学知识,特别是大学良好的学术氛围的熏陶,使他具备了一般工匠所没有的智慧的头脑。他会法语、意大利语和德语,他除了物理、数学有很深造诣外,对化学、考古、法学、美学、诗歌等方面也有很好的修养,还特别对德国的哲学感兴趣。
    瓦特的智慧和天才来自他长期的实践和劳动,来自他的刻苦学习,来自欧洲十八世纪以来各种优秀文化、科学成果的哺育。而这一切,都为他后来的发明创造奠定了极为坚实的基础。
    1761 年前后,瓦特就开始把注意力转移到改进当时的纽科门蒸汽机上了。他先后做过数次实验,但没有成功。由于工作的限制,他也没有机会深入研究。
    1763 年的一天,机会终于来了。学校将一台坏了的纽科门蒸汽机模型交给瓦特修理。已对这种蒸汽机的构造了如指掌的瓦特并不满足于照原样把它修好,而是对它深入细致地进行了研究。瓦特从此走上了长达数十年的改进、研究、制造、经营蒸汽机的道路。世界也因瓦特的杰出贡献而完成了伟大的第一次工业革命。
    刻苦攻关纽科门大气压力蒸汽机的工作原理是这样的:它的主要工作部件汽缸与活塞,合起来很像一个自行车打气筒。活塞可在汽缸里上下移动。是什么力量让活塞移动呢?当锅炉里的水烧开后,产生的水蒸汽就以很大的力量冲进汽缸,这样就把活塞顶上去了。这时,把第一个开关关掉,气断,再打开第二个开关使冷却水进入汽缸,这样缸内蒸汽迅速冷却而变成水。由于缸内成了真空,就“吸引”活塞向下运动,于是完成了一个上下循环运动。再打开第二个开关,冷凝水就流出去了。以上动作只要重复进行,机器就可不断运动下去,活塞杆随活塞上下移动,力量很大,用它就可带动其他机器运动,为人们干活了。
    瓦特仔细研究之后,发现这种蒸汽机最大的缺点是太浪费蒸汽。你看,汽缸外面光秃秃的,温度保不住,每运动一次,还要向缸里喷大量冷却水;为防漏气,还要在活塞上方注入密封水。这样汽缸内温度很难保持在100℃以上,水蒸汽只好把大量能量消耗在加热汽缸壁上,真正做功的热能就很少了。据测算,纽科门蒸汽机只能利用1%的热量,就是说,烧100 公斤煤,99 公斤浪费掉了。
    这里有个很困难的矛盾需要解决:用水蒸汽顶活塞往上做功时,必须使汽缸保持100℃以上的高温,而为了使缸内产生真空,把活塞往下吸引,又要使汽缸冷却的温度越低越好。这个问题使瓦特伤透了脑筋。他像个呆子一样,走路想,吃饭想,睡觉也想。
    有一天,他突然想到,为什么不能把汽缸里的蒸汽引到别处去冷却呢?这样不就既可保持汽缸温度,又可使蒸汽冷却产生真空吸力吗!根据这个思路,他去掉了冷却水管路,并把冷凝水收集池改进成能使蒸汽迅速冷却的装置,取名“冷凝器”。这时,只要始终保持冷凝器的低温,就可使蒸汽不断冷凝成水而产生足够的真空把活塞吸下来。
    此外,他又对汽缸进行了很大的改进:第一,在外面包上很厚的保温层。
    第二,去掉了活塞顶上的密封水并给汽缸加上了盖。第三,给活塞加上了密封垫圈以避免漏汽。上述成果使瓦特获得了第一项专利。
    经过这一改进,蒸汽机在原有基础上大大迈进了一步。然而这一步,却整整花了6 年时间。瓦特不仅耗费了大量精力,而且在经济上也负债累累。
    当债务和贫困压得他喘不过气来时,他甚至心灰意冷地觉得:“搞什么发明,真是愚蠢!”
    然而瓦特毕竟是瓦特,由于对发明的执著追求,并有布莱克教授的帮助以及工厂主罗巴克、博尔顿等人经济上的合作,终于使他一步步度过了难关,过了7 年(1776 年),瓦特在蒸汽机改进上又取得了重大进展。首先,他利用了威尔金发明的能精密加工大炮炮筒的镗床来加工汽缸,使汽缸与活塞配合更加紧密,从而大大减少了漏汽。其次,是扩大了应用范围。从给煤矿抽水,扩大到冶金、开采金属矿等。这时的蒸汽机燃料消耗只有原来的1/3,功率也大为提高了。于是,求购订单接踵而来。到1780 年,仅仅4 年时间,就制造销售了40 台,使瓦特精神上受到极大鼓舞,经济上的困难也大大缓解了。
    瓦特是个不知疲倦的发明家。为了适应生产的需要,必须设法把蒸汽机活塞及活塞杆的往复运动变为旋转运动。这样,便有可能在机械制造、纺织、交通等几乎整个工业部门得到广泛的应用。瓦特发明了包括“太阳——行星式齿轮”系统在内的多种转换方法,并在1781 年获得了第二项专利。这时的蒸汽机使用范围更广了。
    紧接着,在1782 年,瓦特又对蒸汽机进行了有决定意义的改进:把从一边向汽缸供汽改为按先后顺序从两边供汽,废汽与冷凝器的联接方法也改进了。这样一来,同样大小的机器,功率几乎一下提高了一倍。同时,瓦特还找到了节约用汽的新方法,即往汽缸送汽时,提前关汽,剩余行程利用蒸汽的膨胀力继续做功。这一改进使瓦特获得了第三项专利。1784 年,瓦特又用“平行四边形”的部件,改进了活塞杆与摇臂的联接方法,从而获得了第四项专利。
    永不满足的瓦特,就这样无止境地改进着他心爱的蒸汽机。后来,他又给蒸汽机加上了飞轮;用“离心摆”自动控制蒸汽用量的大小,并使汽缸的整个进、排汽机构完全自动化,最后脱离了手工操作。这时的蒸汽机的功率在消耗同样燃料的情况下,比纽科门蒸汽机提高了6 倍!转动非常平稳,性能也十分可靠,它几乎成了一件十分完美的工艺品,它成了能在各个工业部门普遍使用的、性能稳定的动力机械,它逐渐把几乎所有的“自然力”——风力、水力、马力排挤出了工业部门(当然,后来风力、水力又有了新的应用)。
    瓦特,终于找到了“大力士”——瓦特蒸汽机。在英国各地,到处都有它辛勤工作的身影。它不知疲倦,力大无穷,成为人们最忠实的“超人”朋友。

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