机器登上历史舞台（上）

工作的时候，首先打开第一根管道的阀门，让蒸汽进入铁柜，驱走柜内原有的空气，然后关闭阀门，用水淋浇铁柜外壳，使蒸汽凝结形成真空：这时打开另一根管道的阀门，在大气压力作用下，矿井中的积水通过管道被吸进铁柜；最后关闭阀门，打开铁柜底部的排水阀，放出进入铁柜中的水。周而复始地开启、关闭阀门、冷却铁柜，矿坑中的积水就在水蒸气和大气压力的共同推动下，由低处流向地面以上的地方。这是人类第一次成功地利用蕴藏在煤中的能量产生自然力，代替人的体力劳动。

沙弗瑞在销售这种机器时，称它为“矿工之友”。沙弗瑞的广告词写得十分优美：“沙弗瑞上尉的发动机可以运用火力提升任何合理数量的水到任何高度，它现在已臻完美，随时可作公用；所有被积水困扰的矿山和煤矿主们请注意，只要装备了这种发动机即可排空积水。在伦敦索尔兹伯里宫广场正对着老剧场的地方是他的工作室，可以在每个星期的星期三和星期六下午3～6点看到这种发动机的工作情况，其表演肯定能使你感到满意，费用比任何其他用马或人工的方法更为节约，而且不需修理。”

沙弗瑞的机器虽然省力，但因制造工艺不精，多处漏气，提水只能提到7.6米高，而且只能间断工作。为了获得连续的动力，人们还想出一个办法：先用机器把水抽到高处的贮水池里，然后让水流下来推动轮子旋转，再通过齿轮和皮带驱动其他装置，如磨面、鼓风和切削金属零件等。

帕潘在得知沙弗瑞成功的消息后与其合作，用蒸汽推动汽缸中的活塞往复运动取代原来的铁柜，做成一部能够运动的机器，用来驱动沙弗瑞曾经设想过的桨轮（安装这种桨轮的船后被称为“明轮”船，意思是在水面上可以看见轮子）。这是人类历史上第一次用机器驱动船在水上航行。

1712年，帕潘在穷困中死去；三年后，沙弗瑞亦随之而去。

帕潘和沙弗瑞的探索，使人们看到了以新的方式利用自然力的前景。1712年，亦即帕潘离世的那一年，英国人托玛斯·纽考门（1663-1729）发明了可以连续工作的实用蒸汽机。

纽考门的蒸汽机的核心部件是帕潘发明的蒸汽活塞，但纽考门改进了活塞的工作方式，不直接加热装有活塞的筒中的水，也不在活塞筒外面浇水冷凝蒸汽，而是持续加热锅炉里的水，通过一个阀门向活塞筒注入蒸汽，用另一个阀门控制冷却水，使之周期性地直接进入活塞筒使蒸汽快速凝结，形成真空，获得大气压产生的推力，从而加快活塞的动作。

第一台纽考门蒸汽机的推力超过1700千克，相当于20个人的力量。

为了让蒸汽机连续动作，纽考门设计了一个活动的连杆，将中点固定在支架上，一端连着抽水机，另一端连着蒸汽活塞。当蒸汽冷凝时，大气推动活塞下移拉动连杆上提抽水；而当活塞下行到极限位置时，抽水机部件本身的重量使连杆下落提起活塞；这时打开阀门向汽缸送入蒸汽，并随即开启冷却水阀，蒸汽凝结，活塞下行，再次抽水。由于两个阀门由连动机构巧妙地控制，蒸汽机可以连续动作，活塞每分钟能够上下移动12次。

纽考门蒸汽机又称大气压力发动机，只需把受热的水蒸气送入活塞筒，冷凝时形成真空，利用大气产生的压力令活塞做功即可。纽考门未曾读过大学，一直做铁匠兼营五金生意。他因为经常去煤矿推销产品，对煤矿使用的机器十分熟悉，深知抽水机对煤矿的重要性。

纽考门蒸汽机有两大缺点，一是效率低，工作时太费煤，其消耗的煤只有1%产生了动力；二是力量不够大，而且只能不紧不慢地做往复直线运动，无法带动其他的机器。幸好当时欧洲的煤十分便宜，而且利用它可以开采淹没在水中的煤，因此人们还是很乐意使用它。当时英国煤矿唯一有效的排水方法是从矿井里再挖掘流向更低处的排水暗渠，有的暗渠长达100多千米。在当时英国政府授予的专利中，有1/7是关于煤矿排水的。纽考门赶上了最需要抽水机的时候。

纽考门蒸汽机于1712年问世，三年后越过英吉利海峡进入欧洲大陆。1715年开始在德国使用，1717年开始在俄国使用，1722年开始在奥地利维也纳使用，1725年开始在法国巴黎使用，1727年开始在瑞典使用。历史上从未有一件发明像纽考门蒸汽机这样，虽不完善却能在15年之内几乎传遍整个欧洲。它表明了人们对动力的渴望。

到1777年，一位英国机械师对纽考门蒸汽机作出重大改进，显著提高了它的效率，他就是詹姆斯·瓦特（1736-1819）。瓦特注意到纽考门蒸汽机费煤的原因，在于既要不断冷却汽缸又要利用蒸汽重新加热汽缸，无谓地消耗了热量。他设计了一个置于汽缸之外的冷凝室，通过管道与汽缸连接，汽缸则用保温材料包起来一直处于高温状态。需要让蒸汽凝结的时候，开启冷凝室阀门，汽缸内部成为真空，活塞在大气压力作用下运动，使蒸汽机效率提高了3倍。

这是一项需要深厚科学基础的创意。实际上，瓦特利用了法国物理学家帕斯卡在一个世纪以前发现的流体静压均衡原理。在静止的流体中（蒸汽也是一种流体），压强处处相同，外部冷凝器中的压强等于汽缸中蒸汽的压强，至于在什么地方冷凝则无关紧要。由于人们没有依据早已发现的物理学原理思索问题，使蒸汽机的这项重大改进延迟了65年。

实际上，早在1765年，当瓦特还在英国格拉斯哥大学担任仪表工，修理纽考门蒸汽机教学模型时，他已经想到了上述方案，并于1769年申请了专利，专利名称是《一种减少“火机”的蒸汽和燃料的新方法》。然而，制作一台可以实际运转的样机，却经历了极为艰难的历程。瓦特的企业由于资金匮乏，没有钱雇用技艺精良的技工，致使加工精度达不到要求而最终倒闭，他自己则不得不靠担任河道测量员挣钱糊口。当时，他曾发出感慨：“最愚蠢的事莫过于发明了。”后来，他与精于营销且手下有一批熟练技工的工厂主布尔顿（1728-1809）合伙，在1775年创立了新公司。布尔顿的商业智慧使他们的新机器卖得不错：先赊销给买主，只按照比纽考门蒸汽机节约的煤钱的一定比例付钱，这使得人们乐于购买他们的机器。在推销这种新机器时，布尔顿用了这样的广告词：“先生，我在此卖全世界都想拥有的东西——力量。”

布尔顿的公司有财力支持瓦特继续改进和完善他的发明。至1782年，瓦特完成了对蒸汽机的进一步改进，他把原来单纯利用大气压力推动活塞的方式改用蒸汽与大气联合推动，轮流从活塞两端向汽缸送蒸汽，使活塞在两个方向都能产生推力，加大了蒸汽机的力量，提高了活塞运动的速度；通过特别设计的齿轮，利用活塞连杆的往复直线运动驱动飞轮旋转，使蒸汽机成为多种劳作的动力之源。

瓦特还发明了安装在蒸汽机飞轮轴上的离心调速器，它可以根据飞轮转动的速度，调节通往汽缸的蒸汽流量。这种调速器是两个带着小球可以升降的连杆，连杆的一端与调节蒸汽流量的阀片相连。当飞轮转速很高的时候，在离心力作用下，飞转的小球带动连杆升高，使蒸汽管道中的阀片倾斜，阻断部分蒸汽流通，使飞轮轮速下降：反之则使转速升高，从而使飞轮的转速保持恒定。从此，蒸汽机不再像喝醉酒的大力士；瓦特还为他发明的蒸汽机设计了专门监测蒸汽压力的仪表，使这些庞然大物能够安全可靠地运行，不致由于蒸汽压力过高引起锅炉爆炸。

经过瓦特改进的蒸汽机，提高了效率，可以带动各式各样的机器，而且已经具有自动化技术的许多特征。到1783年，瓦特蒸汽机几乎全部替代了纽考门蒸汽机。

就在这一年，瓦特定义了一个新的单位“马力”，用它表示蒸汽机做功能力的大小。每“马力”相当于1分钟把3300磅重物提高1英尺的能力（磅和英尺是当时英国采用的计量单位。1磅相当于453.6克；1英尺相当于0.3048米）。这大体相当于一匹健壮的马劳作时的能力，折算成今天的国际计量单位，相当于1秒钟之内把75千克重物提高1米所做的功。

此前的1702年，沙弗瑞的“矿工之友”蒸汽机功率约为1马力；1717年，纽考门为彼得堡制造的抽水蒸汽机功率为5.5马力，1778年，瓦特制造的蒸汽机功率为13.8马力。当时在英国，使用马作动力的成本是人力的1/2，使用蒸汽机的成本是使用马匹的1/2，是人力成本的1/4。与水力相比，蒸汽机具有极好的机动性，工厂不再需要集中在远离城市的河谷地带（使用水作动力，一般都在河谷地带筑坝，截断江河形成高水位人工湖泊，利用水的落差推动水轮旋转提供工厂需要的动力），加之动力成本大幅度降低，促进了英国纺织业和相关产业的迅速发展。

瓦特改进的蒸汽机，其力量和速度远远超过了人的体能极限，使人们有可能利用它进行从前无法企及的工作。它使得人作为劳动者的本质特征发生了深刻变化，劳动者的数量和体能不再成为制约生产力发展的决定性因素。采用蒸汽机的小国，国力可以超过人口众多的农业大国。这种蒸汽机最先在它的故乡英国获得应用，纺织业首先从这项发明中受益，随后在英国几乎带动了所有的产业。

英国纺织业当时正受到动力不足的严重制约，蒸汽机可以提供昼夜不停的廉价动力，工厂主以低微的工资雇用大量农民（其中许多是妇女和儿童），进入纺织厂成为城市劳工。纺织业迅速成为英国利润最高的行业，许多城市由于纺织业的兴盛急剧扩大。例如当时英国纺织业中心曼彻斯特，在1772年只有2.5万人，到1821年已迅速增加到18.1万人，1851年增加到45.5万人。79年间，曼彻斯特人口增加了18倍。蒸汽机的发明，迅速推进了英国城市化进程。

到1811年，瓦特改进的蒸汽机用于工业生产不过30年，英国从事制造业和手工业的人数，已经超过了农业人口。英国的煤产量1700年为300万吨，1800年达到3600万吨，1850年达到6000万吨，150年间增加了20倍。此时，英国的煤开始大量外销。英国的钢产量1788年为6.8万吨，1846年为200万吨，近60年的时间增加了30倍。其所增产的煤主要用作蒸汽机的燃料，而增产的钢则主要用于制造更多的蒸汽机，以及用蒸汽机带动的新产业。

1688年，英国社会总产值4800万英镑；到1841年，社会总产值达4.52亿英镑。150年间，英国社会财富增加了10倍，这在历史上从未有过。当时，专门研究蒸汽机热效率的法国物理学家、热力学的奠基人卡诺（1796-1832），曾经调侃地说道：“要摧毁英国这个庞大的帝国，就去掠夺它的蒸汽机，便是掠夺它的财富之源。”

19世纪中期，英国成为世界工业产值最高的国家。英国的这种变化，随后迅速出现在欧洲大陆的许多国家，后来又发生在美国。历史学家称之为波及全球的“产业革命”。

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