机械传奇(二)站在巨人肩膀上的瓦特

摘要

在第一次工业革命的旗手瓦特隆重登场之前,我们有必要讲一讲在他之前的几位巨人,毕竟罗马不是一天到达的,瓦特版蒸汽机也不是从石头缝里蹦出来的!然而,我要讲得近代蒸汽机领域的第一位巨人,却不是英国人,而是一位法国人——丹尼斯·帕平!

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​​文/陶嗣巍

蒸汽机的历史非常漫长,最早可以追溯到公元1世纪,古希腊数学家希罗发明的世界第一台“蒸汽机”——汽转球!

1希罗发明的蒸汽球示意图

​通过燃烧木材,产生水蒸汽。将烧水的锅上表面进行密封,只留两根管通到金属球中,金属球上另外伸出两个管,用于蒸汽向外排出。蒸汽排出时产生旋转力,金属球就开始旋转!

从希罗开始,蒸汽机经过了漫长时间的发展!而进入近代以后,更加是突飞猛进,成为了第一次工业革命中的核心!

在第一次工业革命的旗手瓦特隆重登场之前,我们有必要讲一讲在他之前的几位巨人,毕竟罗马不是一天到达的,瓦特版蒸汽机也不是从石头缝里蹦出来的!

然而,我要讲得近代蒸汽机领域的第一位巨人,却不是英国人,而是一位法国人——丹尼斯·帕平

1法国物理学家、数学家、发明家——丹尼斯·帕平,同时他也是吃货一枚

帕平先生最开始的职业是一名医生!17世纪的欧洲,医生的社会地位还很低下,甚至没有资格参加当时精英聚会的沙龙。

除了当医生之外,帕平对发明创造格外感兴趣,通过自己的努力逐渐成为物理方面的专业人才,并且有幸成为著名的物理学家惠更斯的助手,进行大气压力和真空作用实验,他们还共同为路易十四的花园成功设计出一种新型水泵。

但是当时路易十四治下的法国,君主专制达到顶峰,农业是立国之本,没能给帕平太多展示自己工业方面才华的机会,这让帕平整日闷闷不乐。他总是期待着能够离开法国,前往那个充满无数机会,科学界的舞台——英国伦敦

1十七世纪末,十八世纪初的伦敦科学风气开放,是所有追求真理崇尚奋斗的人们心目中的圣堂!

帕平不高兴,一不高兴,他就想吃东西!没错,帕平先生还有另外一个身份,那就是吃货

有一次,他去爬阿尔卑斯山,走着走着就饿了,于是便找了一些树枝,架起篝火,开始煮土豆(出去爬山都不忘背锅和食材,果然吃货一枚,鉴定完毕)。

水滚开了几次,但土豆依然不熟。为了填饱肚子,他无可奈何地把没熟的土豆硬吃了下去。

时隔多年,帕平又想起这件事,于是他找来许多书,查算了山的高度。随后,一连串的问题开始在帕平的脑子里翻转:物理学中什么样的定律能够解释这个现象?水的沸点与大气压有什么关系?随后,他又设想:如果用人工的办法让气压加大,水的沸点就不会像在平地上只是摄氏100度,而是更高些,煮东西所花的时间或许会更少。

可是,怎样才能提高气压?

帕平自己动手做了一个密闭容器,他要利用加热的方法,让容器内的水蒸气不断增加,又不散失,使容器内的气压增大,水的沸点也越来越高。可是,当他睁大眼睛盯着加热容器的时候,容器内发出咚咚的声响。帕平吓坏了,只好暂时停止试验。

机会,就这样紧紧地等待着想要挖掘它的人。1681年,帕平终于找到了答案。这一次,他将在英国皇家学院,向世人展示他的惊人发现。

那一天,皇家学会坐满了人,科学家们汇聚一堂,来见证“一项惊人的发现”!

帕平身着盛装,器宇轩昂,当着众人的面,他展示了自己的发明:一只活塞装在一个黄铜气缸里。当他加热装在气缸一端的水时,由此产生的蒸汽就推着活塞向上移动。当他把火熄灭后,蒸汽慢慢缩减,这就形成了一段真空,随后,活塞在大气的强力压力下,开始向真空处移动。

“嘟~”容器发出刺耳的响声,一股强力蒸汽冲了出来。人群沸腾了,大家开始庆祝帕平的试验成功。

1帕平设计的蒸汽锅原理图

从铜缸中活塞的上方通入蒸汽,让其做功推动活塞向下,等蒸汽做功完成后,部分冷凝成水,活塞上方部分形成真空,活塞在大气压作用下向上运动。当剩余空间很小时,残余水蒸汽被活塞顶出来。

一位科学家眼神中闪烁着期待的光芒,他兴奋地问道:“这个装置就能把深井里的水排出来吗?”

“不能。”帕平大声回答道:“这种活塞装置不大可能做得更大,必须要用其他方法来利用蒸汽。”

现场一片哗然,人们惊呆了,原来这个装置并不能排出井下的水,大家都把担心的目光投向帕平。

“那它能做什么?”那位科学家已经收敛起笑容,严肃地问。

帕平环顾人群,嘴角露出得意的笑容,朗声道:“能炖肉!”

现场哄堂大笑,紧接着又是一阵雷鸣般的掌声。

午餐会时,帕平当着众多科学家的面,把几只活蹦乱跳的鸡宰了,塞进压力锅里,然后架到火炉上。盏茶的功夫,一盘热气腾腾、香味扑鼻的清蒸鸡,已经摆在桌上了。鸡肉全烂熟了,鸡骨头也软了。“这是在变魔术吗?”现场的科学家们被折服了。

“这件神奇的厨具,我给他起名叫‘消化器’。”帕平得意极了。

帕平哥,别逗了,这个不就是高压锅吗?

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帕平设计的“消化器”(高压锅)结构简图1

帕平制作的“消化器”到了十七世纪晚期仍然在使用,这就是今天高压锅的雏形!

这时候,就得讲一下第二位巨人了,托马斯∙萨弗里

萨弗里是一个贵族,典型的高富帅,而且当过船长,具有丰富的机械技术知识。他制造出世界上第一台真正能用在煤矿的蒸汽提水机。

1萨弗里版蒸汽机的原理是,将一个蛋型容器先充满蒸汽,然后关闭进汽阀,在容器外喷淋冷水使容器内蒸汽冷凝而形成真空。打开进水阀,矿井底的水受大气压力作用经进水管,流到容器中;关闭进水阀,重开进汽阀,靠蒸汽压力将容器中的水经排水阀压出。待容器中的水被排空而充满蒸汽时,关闭进汽阀和排水阀,重新喷水使蒸汽冷凝。如此反复循环,用两个蛋形容器交替工作,可实现连续排水。

1萨弗里蒸汽机的实物图,可以看到有两个蛋形容器,二者交替工作,实现连续抽水。

萨弗里的蒸汽泵取代了用大量马匹,顺利将井下水抽了出来,这项伟大发明得到了广大矿主和矿工们的喜爱。于是,萨弗里被矿工们亲切地称为“矿工之友。”

这个称号实在是太棒了!萨弗里干脆于1698年申请了标名为“矿工之友”的英国专利,他成为了世界上第一个获得蒸汽机专利权的人。

1矿工之友”托马斯∙萨弗里,比冯巩的“妇女之友”可高大上多了!

但没想到的是,同一时代的两位巨人,帕平和萨弗里之间却发生了激烈地冲突!

制造出蒸汽泵后,萨弗里的内心充满骄傲,他将成果在皇家学会展出时,专程邀请帕平来欣赏,并希望得到帕平的认可。

面对萨弗里的蒸汽泵,帕平没有说出太多赞美的语言,反而指出了很多的缺点,并提出重大改进意见。

在科学精英的面前不给自己面子,这让萨弗里心生不快,他驳斥了帕平的观点,并拒绝改进。

而帕平却决心制造出更好的蒸汽机,并计划用来开动船只,这样他的成就将远远超过萨弗里。

没有资金的支持,一切都是空想。帕平把一生精力和收入都用来进行科学研究,生活贫困,只得请皇家学会给予支持。他渴望申请到一笔经费来改进锅炉,证明自己的蒸汽机比萨弗里的要优越得多。

这个消息让萨弗里得知后,出面阻挠,拒绝帕平的申请。

阻挠的方式也很简单,萨弗里和当时的新任皇家科学院院长牛顿说:“据可靠消息,帕平在德国的合作伙伴是莱布尼兹!”

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牛顿与莱布尼茨相杀相爱,结果殃及帕平!

帕平:我冤啊!

牛顿知道后,就和帕平说:“你想搞研究可以,但皇家科学院已经有人(萨弗里)研究蒸汽机了,你要是也想搞,就和他合作吧!”

帕平:“我。。。”

结果,在帕平和萨弗里合作的很长一段时间里,帕平一分钱报酬都没有得到!

1712年,65岁的科学巨人帕平就这么光荣(扑街)了!

抛去科学以外的恩恩怨怨,帕平和萨弗里主要的争论焦点在于,萨弗里认为活塞的密封效果并不好,蒸汽机采用活塞会浪费大量水蒸汽,但帕平认为萨弗里的蒸汽机抛弃了活塞,结构过于复杂,提水高度有限(只能达到6米)。

很明显,帕平提出应该将活塞运用在蒸汽机中的观点是有道理的。萨弗里的心胸未免过于狭窄!

最终把这种活塞运用于实际的发明家,并非伦敦知名的科学精英,而只是一个小镇上的五金商,名叫托马斯·纽科门,他也是我们要讲的第三位巨人!

可遗憾的是,纽科门的画像我没有找到,原因很可能是他过于低贱的出身,那时候的英国还是十足的贵族社会,恐怕没有一个画家肯屈尊降贵为纽科门画一幅肖像画。

纽科门出生于一个工匠家庭,年轻时在一家工厂当铁工,后来开了自己的五金店,专门给煤矿供货。

因为长期与煤矿打交道,所以纽科门非常熟悉井下的排水难题。

纽科门不仅知道井下排水有多么大的难度,更加知道这里面蕴含着多么巨大的商机,如果能解决煤矿排水的问题,那么他就不再是一个小商人,而是拥有无尽财富的伟人。

有了金钱的巨大诱惑,纽科门开始了自己的发明之路。

他通过中间人,开始了和萨弗里的合作生涯。有了萨弗里的帮助,他很快就取得了很大的进展,但代价是纽科门所有发明的专利权都归萨弗里所有。当然,纽科门获得了每年420英镑的专利费。

经过反复的实验,重要的是综合了前人的技术成就,吸收了萨弗里蒸汽机快速冷凝的优点,帕平蒸汽泵中活塞装置的长处,最终纽科门制造出了全新的气压式蒸汽机。

1纽科门蒸汽机实物图

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纽科门蒸汽机动态图

通过烧煤产生蒸汽,顶起活塞,推动提水装置向下运动,当活塞上升到一定高度时,活塞气缸旁的水罐向活塞下方注冷水,水蒸汽冷凝形成真空。此时活塞在大气压的压力下向下运动,提水装置将水从低处提上来。

1712年,第一台纽科门蒸汽机在一个煤矿投入使用。当时还举行了一个简短的仪式,来纪念人类正在跨越的门槛。这台机器被称为“消防机”(英文名为Fire Engine,现在则代表“消防车”),因为它能够持续不断地从地下抽水到地上!

同时,“消防员”这个称谓,是指保持“消防机”炉内火焰不灭的人的代名词。因此,消防员最开始是指保持火焰持续燃烧的人,这和今天的意思大相径庭!

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更复杂一些的纽科门蒸汽机动态图,大家可以尝试分析一下它的工作方式

纽科门的发明对于矿井经营者来说非常重要,因为这意味着他们可以从前所未有的深处把水抽上来。而且,由于这样一台机器工作起来相当于50匹马的力量,因此它比它所取代的马拉装置要便宜得多。

即便这个装置有着划时代的意义,但主流的皇家学会的科学家们却几乎没人愿意承认钮科门的这项发明,甚至有些人还竭力削弱它的意义。一些历史学家认为,纽科门低下的社会地位是问题的症结所在。用一位协会成员的话说:“皇家学会才是伦敦这个小小科学舞台的中心,这么一个人要想在创造力方面超过这些科学精英,那似乎是难以想象的。”

虽然钮科门遭到了当时科学精英们的冷落,并且一度被历史遗忘,但那些记得他的贡献的人们,却为他献上了满怀敬意的文字,称他的发明是“人类创造性的最奇妙的结晶”,并赞颂他“带给着世界……将燃料转化为动力的技术,为人类带来利益和便利”。

18世纪60年代,在英格兰和苏格兰各地的煤矿上,可以看到数百台纽科门发明的蒸汽机(其实它利用的是大气压力,而非蒸汽压力,因此有时它被称为气压机)在忙着抽水。由于需要相当大的动力,因此当时的一些机器大的惊人,有些汽缸有2米宽、3米长。

然而,除了在煤矿和少数几个金属矿山之外,这种机器却并不怎么受欢迎,因为这种“最奇妙的结晶”有一个严重的缺点:它是一个燃料怪兽,需要大量的煤来维持运转。当然,在急需这种机器的煤矿井口,煤是便宜且充足的,因此,虽然这种蒸汽机有着要命的好胃口,但它在煤矿仍有充裕的立足之地。

纽科门蒸汽机的致命问题在于:

1、活塞密封性不足,漏气现象严重;

2、气缸充满水蒸汽后,依靠冷水进行冷凝,浪费了大量热量;

3、大气压压力有限,将水提升的高度也有限。

前人,已经给瓦特打下了雄厚的基础!也给他留下了很多棘手的难题,接下来,就该瓦特先生大展神威了!​

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詹姆斯·瓦特​​​​

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