蒸汽机与工业革命

蒸汽机的原理大家都很熟悉，它基于一个简单的物理事实：当液态水被加热到沸点时，它就变成了气体。因为水蒸气的体积比液态水大1 700倍，所以它可以用来做功，许多早期的实验者都意识到了这一点。康沃尔郡一位名叫托马斯·纽科门（Thomas Newcomen）的铁匠是第一个将这一原理转化为产品的人，他把一个锅炉通过一个带阀门的管子连接到一个带活塞的气缸上，并把活塞连接到摇臂的横梁上。这样一来，每次当来自锅炉的蒸汽进入汽缸时，活塞就被向上推，带动横梁的前端上抬，使之倾斜。通过这种方式，横梁远端的所有东西可以少量做功，但是做功的转化率很低，做的功很少。

纽科门随后意识到他可以通过向充满蒸汽的气缸内注入冷水的方式，来提高气缸的工作效率。这种方法可将蒸汽冷凝，并使其体积恢复到其气体体积的1/1 700。这样一来，在活塞下的气缸中便出现了一个真空环境，与此同时，大气的压力使得活塞再次下降，这种向下的冲程可以加速抬升横梁的远端，这就可以完成真正的往复做功循环。这样，横梁就可以真正发挥一定的作用，比如用来排出锡矿矿井中大量的地下水。

就这样，一台非常简陋的蒸汽机诞生了，除了抽水以外，几乎没有任何用途。但鉴于18世纪早期，英国到处是被地下水淹没的浅层矿井，事实证明，这一机械对煤矿行业还是有用的，而且广受欢迎。纽科门蒸汽机及其类似产品在后来的生产中一直沿用了70多年，直到18世纪60年代中期其热度才逐渐降低。在这一时期，瓦特受雇于960千米外的格拉斯哥大学，负责制造和修理科学仪器。在研究了纽科门蒸汽机的工作模式后，瓦特产生了一系列灵感，他相信，纽科门蒸汽机是可以提高效率的，只要加以改进，蒸汽机就可能会变成一个非常强大的机器。

这次改进正是威尔金森促成的，同时这也离不开瓦特的天才构想。一连几周，瓦特独自一人待在格拉斯哥的房间里，坐在纽科门蒸汽机的模型面前冥思苦想。这台机器存在着尽人皆知的缺点，它效率低下，浪费了很多的热能和机械能。瓦特耐心地尝试了各种方法来改进纽科门的发明，据记录，他曾疲倦地自我安慰道：“大自然是有弱点的，只要我们能找到它，便能对其加以利用。”

终于，他找到了“大自然的弱点”。据传说，在1765年的一个周日，当瓦特在格拉斯哥市中心的一个公园里散步的时候，他终于想到了改进纽科门蒸汽机的方法。瓦特意识到了导致纽科门蒸汽机低效的主要原因在于：注入汽缸的冷却水使蒸汽凝结并产生真空，但这也会导致汽缸本身冷却。与之相矛盾的是，为了维持发动机的高效运转，气缸需要始终保持尽可能高的温度，因此冷却水不应该出现在气缸中，而是应该放置在单独的容器中来冷凝蒸汽，从而在主气缸创造真空的同时，保持气缸的热量，并使其再次吸收蒸汽。此外，为了提高效率，可以从活塞顶部而不是底部引入新鲜蒸汽，并在活塞杆周围放置某种填充料，以防蒸汽在做功过程中泄漏（见图1-2）。

瓦特的这两个改进措施非常简单明了：第一，加装一个独立的蒸汽冷凝器；第二，把进气入口从气缸底部改为气缸上部。对于1765年的瓦特而言，这两个改进措施产生的效果似乎很明显。现在，瓦特从根本上把纽科门所谓的“火力引擎”蒸汽机变成了一台正常运转的蒸汽动力机器，改良后的蒸汽机瞬间变成了一种在理论上可以产生无限能量的装置。

从此，瓦特开始了整整10年有关蒸汽机的工作，包括改进试验、原型构建、展示路演和项目融资。在此期间，他也从苏格兰南部迁到了英格兰中部工业蓬勃发展的地带。很快，1769年1月，瓦特申请到了专利，并以“913号专利”登记在册。只不过瓦特的专利有一个看似波澜不惊的标题“一种新型的、减少火力引擎机器中蒸汽浪费以及燃料消耗的方法”。这一谦虚的措辞掩盖了这项发明的重要性：这项发明一旦完善，将在下个世纪甚至更长的时间里，成为英国乃至全世界几乎所有工厂、铸造厂和运输系统的动力来源。

特别值得一提的是，一件历史性的巧合也正在发生。威尔金森也在英格兰中心地区附近工作和生活，他在1774年1月也拿下了一系列专利，编号是1063号，确切地说是150项专利，但这一事件比瓦特拿下专利晚了整整5年。铁匠大师威尔金森也是一位发明家。

与此同时，威尔金森对于钢铁痴狂的热爱在整个行业可谓尽人皆知，除了喜欢自己制造各种铁制品外，他还成功吸引了许多女性，即使是在78岁的时候，他还跟一个女仆生了一个孩子。

尽管如此，威尔金森还是可以把自己从生活琐事的烦恼中解脱出来。到了1775年，尽管他和瓦特性情迥异，但他们已经很熟并成为临时的朋友，虽然这是一种基于商业利益，而非趣味相投的友谊。很快，瓦特和威尔金森两人的发明结合在一起，双方都收获了巨大的商业利润。威尔金森的“一种铸造枪炮并给枪炮打孔的新方法”与瓦特的“一种新型的、减少火力引擎机器中蒸汽浪费以及燃料消耗的方法”相结合，结果证明，这是一种合乎时宜且必不可少的技术联姻。

瓦特是一个苏格兰人，带着悲观的气质和迂腐的作风。他总是压抑着自身的情绪，还怀有加尔文主义的热忱 ，他痴迷于把自己的机器调校得尽可能完善。当他在格拉斯哥的车间里制造、修理和改进科学仪器时，他几乎被自己对精确的热忱所感染，这一点与哈里森在林肯郡的钟表制造车间里展现出来的情感差不多。

瓦特对早期的分度机、螺纹刀具、车床和其他仪器都非常熟悉，这些仪器当时正帮助工程师们走出迈向完美机器的第一步。瓦特习惯于精心制作并妥善维护仪器，使它们能按预期发挥作用。当事情出了问题，比如当机器做功的效率变得很低时，瓦特感觉自己仿佛受到了巨大的侮辱。尤其是当瓦特在他的家庭工厂里调试他在此打造的巨型铁制发动机时，发现发动机的性能参数，远不如苏格兰试验室那台由黄铜和玻璃构成的蒸汽机模型。

瓦特的第一台大型蒸汽机的原型机是一个壮观的庞然大物：它高达30英尺，长达6英尺，主蒸汽缸直径达4英尺，其中含有一台燃煤锅炉和一台独立的蒸汽冷凝器，这两者的尺寸都算得上是巨大的。

所有的工作部件都通过黄铜管、润滑良好的阀门和操纵杆连接在一起，组成了一个错综复杂的蒸汽网络，整个系统还配有一个旋转的双球调速器，用以防止器械转速失控。整个蒸汽机输出动力的核心是一根沉重的木梁，它有节奏地来回摆动，通过曲柄把往复的机械运动变成旋转的运动。木梁又带动着一个巨大的铁质飞轮，而这个飞轮又能驱动一台泵来做功。蒸汽机每分钟都在喷射冷凝水、压缩空气并执行后续的机械冲程15次。发动机持续工作时，一旦达到最大功率，就会产生强烈的噪声和大量的热气。机器剧烈地震颤和轰鸣，强烈到让人胃肠搅动。难以想象，仅仅是将水加热到它天然的沸点，就能产生如此摄人心魄的能量。

然而正是这四处滚滚涌过的蒸汽云团，让瓦特的实验工坊一直笼罩在潮湿、炎热、晦暗的雾气中。本应令瓦特欣慰的灼热水汽，却激怒了这位谨慎而迂腐的大发明家：不管他怎么努力改进蒸汽机，蒸汽似乎总是在泄漏，而且不是偷偷地从缝隙中泄漏，而是大股大股地冒出来。最让他倍感羞辱的是，蒸汽居然是从发动机巨大的主缸中一股一股地泄漏出来的。

他试图用各种装置、物件和材料阻止蒸汽泄漏。从理论上讲，活塞外表面和气缸内壁的间隙应该是最小的，也就是说无论从任何位置测量，气缸内壁与活塞之间的距离应该大致是一样的。但是由于气缸是用铁皮锤成的圆柱体，并不规则，因此当瓦特尝试把活塞的边缘与气缸内壁密封在一起时，就发现活塞边缘和气缸内壁的间隙在每一处都不一样。在某些地方，活塞和气缸接触，造成摩擦和磨损；在另一些地方，它们之间的间隙达0.5英寸，这使得蒸汽每次注入其中后，都会立即从缝隙中喷发出来，这就是瓦特蒸汽机未能进一步完善的原因。为了解决这一问题，瓦特试着在气缸中用各种材料来填充缝隙：浸过亚麻油的皮革、浸过油的纸、面粉做成的糊状物、软木塞、橡胶片，甚至一团半干的马粪。最后，当他尝试用一根绳子包住活塞，并在可压缩的绳子周围拉紧一个他称之为“垃圾环”的东西时，一种新的解决漏气的方法应运而生。

后来纯属巧合的是，在伯沙姆的威尔金森要求瓦特为他制造一台蒸汽机，威尔金森打算用蒸汽机来给自己工厂的一台铁炉风箱提供动力。威尔金森拿到蒸汽机后，立刻发觉瓦特的蒸汽机有蒸汽泄漏的问题，同时，威尔金森也知道自己有办法解决这个问题：他将用他的炮筒镗床技术来制造蒸汽机汽缸。

那时，想要在蒸汽机中采用新的镗削工艺的威尔金森，并没有预防性地申请专利，而是直接在瓦特蒸汽机的气缸中使用了他在海军大炮上所采用的相同工艺。要知道作为瓦特蒸汽机的顾客，威尔金森这一次想要用镗床打造的不再是大炮，而是蒸汽机的汽缸，汽缸长6英尺，直径38英寸。威尔金森让瓦特的工人们把一个实心的铁圆筒拉到距离瓦特工坊110千米外的伯沙姆，然后把实心铁筒绑在一个固定台上，并用重型铁链固定住它，以确保它不会移动哪怕1厘米。

然后威尔金森制作了一个特别坚硬的3英尺宽的大号铁质镗刀，并用螺栓把镗刀牢牢地固定在一根8英尺长的硬质铁棒的末端。理论上，这个镗刀应该能切割出一个直径38英寸，壁厚1英寸的汽缸。随后，威尔金森将铁棒两头支撑住，把它放置在一个沉重的铁制雪橇上，从而确保整个镗刀和支撑系统可以缓慢而平稳地靠近有待加工的实心铁筒坯。

威尔金森做好加工工件的准备后，他命令他的工人用软管把水和植物油的混合物浇到待加工的金属表面上，这种油水混合物既可以冷却金属，又可以冲走切削下来的铁屑。随后威尔金森打开水轮的水阀，使水轮带动镗刀转动，接下来镗刀缓慢且平稳地向着实心铁筒坯靠近，直到它的刃口开始啃蚀铁坯的表面。

加工工件时，金属之间的摩擦带来了灼烧的热浪。在嘈杂的叮当声里，汽缸被镗削了出来，整个过程持续了大约半个小时。这把镗刀虽然在切削中变得很烫，但几乎没有变钝，它在加工完成后被取了下来。

镗削出来的铁筒有一个直径约3英尺的内壁，内壁看上去光滑而干净，笔直而准确。威尔金森用一组铁链和木块把沉重的铁筒竖了起来，铁筒现在已经不那么重了，因为铁已经被削掉很多，现在它是汽缸了。

就这样，人们把直径不到3英尺的活塞，放入沾满了润滑油的、刚刚加工完毕的汽缸里，小心翼翼地让它上下滑动。活塞先向上运动，并越过汽缸口，之后又向下运动，落入汽缸的底部。我能想象，那时大家一定都在欢呼，因为活塞正无声无息地在气缸里抽动，可以顺利地上下升降。显而易见，在真正运转时，新的汽缸不会漏气、不会漏油、不会有任何泄漏的问题，堪称完美。

然后，瓦特花了几天时间把威尔金森加工过的气缸部件带回自己的家庭工坊。一到家，瓦特就自豪地把新的汽缸安装在属于他自己的，同时也是世界上第一台全尺寸单动蒸汽机上。然后他和他的工程师们把所有的辅助部件，包括管道、冷凝器、锅炉、摇臂、调速器、水箱、飞轮等，都安装并连接好，在燃烧室里装上煤，加上一点引火物，点燃火，当水的沸腾程度足以让蒸汽从安全管路喷出时，瓦特打开了主阀。

伴随着蒸汽机发出的巨大喘息声，活塞开始上下往复地运动，活塞不断在气缸中进进出出，推动摇臂，摇臂也开始像跷跷板一样上下摆动，这样一来，摇臂远端的连杆也被带动着开始上下运动，从而带动了飞轮上的一组偏心日月齿轮运动，然后巨大的飞轮本身也转动了起来。实际上大型飞轮正是用于传递蒸汽机输出的能量，它是由几吨的实心铁制成的。

不一会儿，飞轮达到了设计速度的上限，此时调速器那对闪亮的小球自顾自地旋转了起来，它们的作用是节流蒸汽，以免蒸汽机运转过速。此时蒸汽机正在全速运转，整个屋子笼罩在“砰砰”“簌簌”“轰轰”“噗噗”的机械交响乐当中，一切都运行得十分顺利。这是瓦特开始制造全尺寸模型机的实验以来，第一次没有遇到蒸汽泄漏的情况。现在这台蒸汽机发挥了自身最大的效能，它运转飞速，动能澎湃，与瓦特设计时所期待的样子别无二致，瓦特高兴地笑了。威尔金森已经解决了瓦特的难题，这时我们可以说，这两个从来没有思考过工业革命的人，揭开了工业革命的序幕。

此时我们要提起“0.1英寸”这个关键的数字了，这个数字是整本书的主线。它出现在本章的开头，而在这本书其他章节的标题中，这个数字以及它的倍数也会被精确地提炼出来。为什么是这个数字呢？因为正如瓦特后来告诉别人的：“威尔金森先生给我们镗削了几个直径50英寸的圆筒，几乎精密得没有误差。其公差还不及过去1先令硬币的厚度。”那时，一枚英国1先令硬币的厚度只有0.1英寸。这就是威尔金森镗削出他的第一个圆筒形汽缸时，所能接受的公差。

事实上，威尔金森的镗孔加工可能做得比这更好。瓦特写的另一封信中的内容表明，威尔金森已经为瓦特的蒸汽机镗了不下500个汽缸。当时，全国各地的工厂、磨坊和矿山都在抢购瓦特的蒸汽机，瓦特这个苏格兰人夸口说威尔金森已经“改进了气缸的镗孔技术”，所以他保证，“一个72英寸的汽缸圆筒与理想中标准圆筒之间的差距不会大于一个旧时代的六便士硬币的厚度”。旧时代的六便士硬币甚至更轻薄，其厚度只有0.05英寸。

然而，无论是1先令硬币的厚度还是六便士硬币的厚度，其实都无关紧要。真正有价值的事情是： 人们创造出了一个新世界，在这个新世界中，人们已经制造出了可以制造其他机器的机器，而且制造得还很精确。突然之间，人们对公差产生了兴趣，即一个零件与另一个零件啮合或贴合的间隙 。这是一个相当新鲜的事情，实际上，它是从1776年5月4日第一台蒸汽机的交付开始的。蒸汽机的核心功能部件具备了以前未曾设想过或实现过的机械公差，即0.1英寸，甚至更小。

就在这些精密制造的系列事件达到高潮的两个月后，即1776年7月4日，在大西洋彼岸，一个全新的政治实体应运而生：美利坚合众国宣告成立，其影响是当时的人们无法想象的。

就在美国建国后不久，美国驻欧洲的重要代表——托马斯·杰斐逊（Thomas Jefferson）得知了这个机械进步创造的奇迹。他开始思考，自己远在北美洲的祖国如何才能充分利用蒸汽机，并发挥其最大的潜力。

杰斐逊宣称，也许蒸汽机和精密制造可以为新生美国的新型外贸奠定基础。美国的工程师们回答说：“也许我们可以做得比前人更好。”他们用晦涩的数字来表达雄心壮志：“也许我们可以在美国制造、加工和生产金属工件，且产品公差远小于威尔金森的0.1英寸。”

也许我们能熟练地把公差控制到0.01英寸，也许还能更小，比如0.001英寸，谁知道呢？这些富有远见的工程师们思索着、考虑着，也许就像这个新国家的建立一样，新的机器也会相应地诞生。

事实上，工程师们会做得比他们预想的好得多，一开始的弄潮儿主要是英国工程师，但在本书后面的故事中，主要是法国工程师。至此，精密制造的精灵已经从瓶子中钻出来了，真正的精确度已经开始起步，而且飞速发展起来。

[1] 那个修复一系列哈里森钟表的人名叫鲁珀特·古尔德（Rupert Gould），是个很有个性的人。他是一位身高约1.93米、喜欢用烟斗抽烟的英国皇家海军前军官，一位和蔼可亲的儿童广播员，一位喜欢研究五花八门的学问的学者，一位温布尔登中心球场的网球裁判，还是一位研究尼斯湖水怪的专家，同时他又因为暴力倾向、爱发酒疯、精神崩溃后行事粗鲁而饱受非议……总之，他所有这些离经叛道的行为导致了一场在1927年受到社会广泛关注的离婚诉讼，这场官司让整个国家的国民围观这件韵事。1923年，他写了一本关于海上钟表的经典著作，这本著作至今仍在印刷。此后不久，他成功说服皇家天文台公开展览哈里森钟，而在此之前，哈里森钟正在一个无人的地下室里慢慢腐朽。165年后，他让H1重新开始工作。H1计时器的修复工作耗费了他10年的光阴，这段岁月在2000年的电视剧《经度》（ Longitude ）中得以重现。在这部剧中，古尔德由演员杰里米·艾恩斯（Jeremy Irons）扮演。 3NhJcMgupyQ0Irej/jdtvTFmTl3eWvSF40W5XXIBx5D1Elr78pTYdSQcJtMjpQxH