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蒸汽动力：
煤矿上的抽水机

伦敦城越来越繁华，人口越来越多。城市总要消耗大量的物资，比如食物和燃料。每天城里还会产生很多垃圾和污水。那时候的伦敦城并不像今天这么美好。燃料一出现短缺，木材价格就开始上涨。好多人奔深山老林去砍木头烧炭。海军急眼了：“千万不能烧啊。你们把大树都砍掉烧了炭，那我们海军拿什么去造军舰啊。”

这时候，伯明翰的铁匠们就蹦出来了：“皇家海军造军舰要用木头不假，你们难道就不用铁钉子、铁链子、铁锚之类的？你们的炮都是什么造的呢？我们冶铁炼钢都少不了木炭，没这东西玩不转啊。不让砍树，木炭从哪儿来啊？”

商船的船长也蹦出来了：“海军要木头，难道我们就不要木头？难道我们的船是纸糊的？”看来木头成了大家都抢的香饽饽了。

当时还是女王伊丽莎白一世在位期间，她老人家不让砍树。但是，这很矛盾啊，况且伦敦城里取暖也要燃料，难道女王陛下不怕冷，不需要木炭取暖吗？难道女王陛下做饭靠烧秸秆、烧草？问题都是明摆着的，不烧木头烧什么呢？

从17世纪初开始，一种黑乎乎的东西被大量开采出来，这东西就是“煤”。我一直查找不到英国早期使用煤的记录，直到17世纪，英国才开始大规模使用煤炭。因为英国的煤埋藏浅，品质好，容易挖，而且燃烧热量比木头高得多。用煤炭当燃料，所有人皆大欢喜。但用煤代替木炭来炼铁炼钢，还有不少技术难题要克服。但是越来越多的行业加入进来，逐渐攻克了用煤代替木炭的技术难题，煤的用途也就越来越广泛了。

在经济刺激下，大家到处挖煤，煤挖出来就能赚钱啊。于是，整个不列颠岛被挖了无数的深坑，这种开采方式叫露天开采。但是很快，埋藏浅的煤就挖光了。深处的煤是不能开大口子挖坑的，那样工作量太大了，只能靠打井的办法深入到富含煤的地层。煤炭需求量大，谁挖的煤多，谁赚的钱就多。但是英国人碰上个头痛的难题，导致早期的煤矿都没办法挖得太深，那就是地下水。

人们发现，只要挖得够深，地下水就会冒出来，必须想方设法把水排出去。当时能想到的办法无外乎风力和水力。

风力是荷兰人的拿手好戏。荷兰地势低洼，世世代代有围海造地的习惯，有句俗话叫作“上帝造人，荷兰人造陆地”。他们常年都会碰到排水的问题，他们的办法就是用风车。很多风车都是用来带动排水机械的。荷兰面朝大海，利用海风的风力很方便，所以荷兰成了“风车之国”。

煤矿井下的积水的确也可以利用风车来排，但是这东西的缺点到今天都让人类头痛，那就是不能全天候工作。因为风不是天天有，万一关键时刻掉链子，该怎么办啊？采煤的人下去挖煤，全靠风车作为动力排干矿井里的积水，要是风突然停了，下面眼看着积水上涨排不出去，那不要命嘛。

风力不稳定，水力行不行呢？英国很多河流的流速都不快，水力不那么丰富。英国人就在流速比较快的那些峡谷河流两岸装满了水车转轮，很多工厂都挤在河谷里面，甚至达到了拥挤的程度。此外，英国人还拦河建坝，人工抬高落差，努力提高能量的利用效率。

无奈的是，工厂可以建在河边，煤矿未必有这个运气。万一旁边没有河流，岂不是干瞪眼没辙？排水仍然是一个老大难问题。可行的办法是利用牲口的力量来暂时对付。用一群牲口，比如牛或者马拉动一个大轮盘，带动一系列机械抽取地下的积水。早期英国工业用牲口的情况很普遍。实在不行，就只能靠人力了，靠人来拉动机械抽水，可以想象一下几十条壮汉一起拉磨的场景……

在当时，动力来源无外乎风能、水能、畜力以及人力。几千年，就这么过来了。可是偏偏就在这个孤悬海外的小小岛国，人类鼓捣出了新鲜玩意儿。一开始，鼓捣这玩意儿的是个法国人。他的初衷也不是发明什么动力装置，不过是想解决“炖骨头汤”的问题。

他叫丹尼斯·帕平。关于他的名字有很多不同的翻译，有翻译成“帕潘”的，也有叫“巴本”的，本书取“帕平”这个翻译。他是个法国人，早年是学医的。1663年，他拿到了医学的学位，后来给著名科学家惠更斯当助手。莱布尼茨常过来串门，时不时和帕平谈谈，发现这个人很了不得——能让莱布尼茨看得起的人当然很厉害。这些人都是科学大腕。

1675年，帕平漂洋过海去了英国，给玻意耳当助手。当时玻意耳正在研究真空，胡克搞出了真空泵。就在给玻意耳当助手的这一阵子，帕平鼓捣出来一个好玩意儿，那就是高压锅。往一个密闭的罐子里放水，在外边加热的话，水会蒸发成气体。因为气体全都跑不出来，憋在罐子内部，因此内部压力越来越大。在高压力下，水的沸点被提高了，本来100摄氏度就开锅，现在要110～120摄氏度才开锅。简而言之，煮东西更快了。原来炖不烂的东西，放高压锅里边一焖，连骨头都酥了。

这是个好东西啊。1679年，帕平给皇家学会的人展示了一下。他给皇家学会的人做了一顿饭，果然可以快速把肉炖烂。帕平还说，过去在高山之上，煮饭往往是煮不熟的，现在有了“帕平罐”，这个问题已经不是问题了。我们知道这是因为高山上气压低，水的沸点也降低了，即便开锅了，温度也不到100摄氏度，当然煮不熟东西。现在利用高压锅，可以解决这个问题。

皇家学会的人一高兴，就把高压锅推荐给了国王查理二世。查理二世也拿这东西炖肉，果然炖得很软烂。国王陛下高兴了，什么事儿都好说。1681年，帕平向皇家学会递交了论文，把原理说得清清楚楚、明明白白。这里头涉及了温度与压力的关系问题、压力与液体沸点的问题。这些都是重要的科学问题。鉴于帕平在高压锅上的成就，皇家学会接纳他为会员。

皇家学会那会儿还是胡克管事的时代，帕平曾经在皇家学会给胡克帮了好多年忙。现在得偿所愿，终于成了正式会员。

高压锅虽然效率高，但是安全性不好。这东西烧过了头就会爆炸，这在当时是个危险因素。于是帕平又在高压锅上安装了安全阀门，压力太大时可以自动放出一部分蒸汽。我小时候家里也用高压锅，那已经是比较现代化的高压锅了，顶上压着一个阀。蒸汽压力过大时，能把阀顶起来，从放气的小孔冒出白色的蒸汽。有时候，煮着东西，大家忘了，火一直在烧，弄不好就会发生阀被蒸汽喷上去老高的情况。虽然有惊无险，场面也蛮吓人的。在帕平早期的产品里，这种事儿层出不穷。帕平一次次见识到了蒸汽的巨大力量。他想，这样的力量是不是可以用来当作动力呢？

后来，帕平离开了伦敦到德国去工作。他的主要精力都放在了蒸汽动力的利用上。帕平在德国期间设计了一台带有活塞的蒸汽机，同时还在鼓捣蒸汽大炮，或者是利用蒸汽给喷泉供水。很多东西在实验室桌子上当个模型凑合可以运行，真要做大，恐怕很难。他还做过用蒸汽动力划桨的船，可惜效率不高。

就在这一阵子，斜刺里杀出来另一个发明家，此人也对蒸汽动力兴趣浓厚。他叫托马斯·萨维利，年龄和帕平差了几岁。1698年，他拿到了蒸汽机的专利，这是第一个正经八百的蒸汽机专利。1699年，他给皇家学会做了展示。1702年，萨维利出版了一本书叫作《矿工之友》，里面详细描述了他的专利技术。“矿工之友”嘛，帮着排除矿井里面的水是第一要务。

萨维利的蒸汽机最出乎我们想象的地方是没有活塞。首先在一个气缸里面充入高压蒸汽，关闭蒸汽阀门。然后打开抽水阀门，在气缸外边喷淋冷水，这样气缸里面的高压蒸汽冷却以后，体积缩小，压力降低甚至变成负压，比外界大气压还低，水自然就被吸进气缸了。关闭抽水阀门，打开排水阀门和蒸汽阀门，依靠高压蒸汽把吸进来的水排走。等到气缸内部充满高压蒸汽，再次喷淋冷水。这样循环往复，就可以把水吸完了，根本不需要什么活塞，只需要控制好几个水龙头的开关就行了。

听上去很不错是吧？可惜吸水的高度有限，不超过30英尺，大约就是9米，再高就搞不定了。因为吸水依靠大气压力，而大气压力是有限的，只能支撑10米以内的水柱，再高，大气压无能为力。那么只好把蒸汽机摆在中间，从下面9米的地方吸水，然后利用高压蒸汽把水送到上面更高的地方去，两头的落差就可能远超过10米。

另一个麻烦是需要高压蒸汽机，因为这东西没有活塞，全靠高压蒸汽把吸上来的水往上顶。而且，那年头加工技术都很粗糙，高压下，阀门经常跑冒滴漏，很多焊缝承受不住高压，时不时就要停工修理，毕竟它用了8～10个大气压力才把水顶上去。这玩意儿虽然有专利，但是实用性不强。不过到了1699年，专利法修改了，允许专利保护延长到21年。萨维利的专利偏巧用途非常宽泛，这一下就挡住了后人的进取之路，暂时没人能撼动他的地位。几个地方试用了萨维利的机器，不是提水失败就是故障频繁，反正表现不算出色。

1705年，帕平试图对萨维利的机器进行改良，但也没什么结果。1707年，帕平又返回了英国。皇家学会经常刊登他的文章，可惜不怎么给他钱。这时候，已经是牛顿主政的年代了。帕平穷困潦倒。1712年1月23日，他写了一封信。这封信是他尚在人世的最后一个记录。1月4日皇家学会寄给了他10英镑，他也没收到。我们大概可以确认，一年以后，他去世了。当时他穷困潦倒，家人也就在贫民窟里胡乱找了个地方把他埋掉了，大家再也找不到他的痕迹。一个对科学与技术都做出贡献的人就此消失在人们的记忆中。

也是在1712年，一个叫作纽可门的五金商人鼓捣出了既实在又安全，而且非常皮实耐用的蒸汽机，那就是大名鼎鼎的“纽可门蒸汽机”。纽可门的本业是经营各种金属工具，矿主主人可是他的大主顾，他经常上矿山去实地考察，看看工人需要什么样的工具。所以他对矿山的需求非常了解，用马的畜力来提水太贵了，还不合算。

纽可门蒸汽机的特点是结合了帕平的活塞和萨维利的气缸，又结实又耐用，很多纽可门机到现在还能使用呢，这都已经300年过去了。而且纽可门蒸汽机对加工要求并不太高，蒸汽压力也不太大，因此非常安全。

那么，纽可门究竟是怎么做到的呢？其实也不难，纽可门蒸汽机的外形基本上就是一个大号的烧瓶，肚子是个圆球，里面装了大量的水，上面其实就是气缸，里面有个活塞，管道阀门那是少不了的啦。蒸汽进入上边的气缸，活塞被顶出去，然后下边的蒸汽阀门关闭，往气缸里喷冷水，蒸汽冷却下来，压力降低乃至变成负压，把活塞吸回来。这时，阀门打开再次吹进蒸汽。一直循环往复，活塞带动杠杆，杠杆带动抽水装置。蒸汽机只负责输出动力，不负责具体干什么，提水也行，舂米也行，打铁也行。

纽可门蒸汽机的压力不需要太高，因此也没阀门失灵、故障频发的麻烦，结构简单可靠，就是效率低了点儿。这也不是什么大问题，毕竟煤矿上有的是煤，烧煤的成本基本能忽略不计。有了这东西，就可以夜以继日地抽水了，刮风下雨也毫无影响。

可惜，萨维利的专利权拦在了面前，该怎么办呢？好在纽可门与萨维利有关系，两人充分协调，纽可门知道，自己绝对无法绕过萨维利的专利权，萨维利也知道自己的蒸汽机比人家纽可门的机器差很远，双方合作一拍即合。纽可门的机器就挂靠在萨维利的专利保护之下。

1715年，萨维利去世了，1733年，他的专利才到期。纽可门1729年去世，享年65岁。对他的生平，人们知道得很少。但是纽可门的机器已经开始推广，陆陆续续安装了125台纽可门蒸汽机，大部分安装在矿场，比如煤矿、锡矿、铁矿等。1722年，蒸汽机开始在欧洲广泛使用，维也纳人埃拉克从英格兰招聘了一个工匠去萨克森的科尼西山。在那里，他们建造了几台纽可门蒸汽机，这是欧洲大陆的第一批蒸汽机。1726年，巴黎郊外安装了一台蒸汽机，用来从塞纳河里抽水。

纽可门蒸汽机在发明后的75年里，一直忠实地执行着抽水的任务。因为只有在煤矿抽水才是划算的事儿，也因为那里的煤相对便宜。其他的金属矿山不产煤，开销就比较大了。要放到伦敦城里，因为煤很贵，使用成本大大上升，更不划算。当然也有人想象力比较丰富，他们利用纽可门机来灌水，提高水位，加大落差，带动水轮机，这样就可以获得比较稳定的动力来源，原本水力资源贫乏的地区，也可以开展工业了。反正蒸汽动力一直在背后默默无闻地支持着矿产资源的开发与工业的发展。

英国的煤炭出产在纽卡斯尔、南威尔士和英格兰中部地区，这些地方的煤矿挖出来的煤要运到海边上船，然后再运到别的地方去。可是到海边还有一段距离，这段距离只能靠陆路运输，也就是靠马车拉。大家也能想象，那时候都是泥土路面，一大车煤炭是很重的，因此在泥土路上走非常不方便。要怎样才能提高效率呢？ G+17JwHJ1GtRGtExBfLauhFub0eUHCIZpfyCMTa28pC5KCAbhn5OTLeZatNdr+DD