书城科普读物科学奥秘丛书-改变世界的发明
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第2章 蒸汽机(2)

技术是指人类改造客观世界的手段的总和。人们常将这种改造客观世界的手段的带根本性、有广泛影响的大的变革称为技术革命,迄今,我们人类历史上已出现了四次技术上的大变革。蒸汽机的出现就是第一次技术革命的标志,因为它改变了人类征服自然的动力手段,产生了前所未有的,能产生巨大能量的机械动力。蒸汽机的发明又影响和带动了其他领域技术的飞跃发展,形成了以蒸汽机为核心的纺织、冶金、机械制造、交通运输等一系列新的技术群。

技术上的巨大变革必然会对工业生产产生巨大影响,导致工业生产体系的飞跃和深刻的变革,最终也会导致整个社会的巨大发展,这就是人们常说的工业革命。蒸汽机的发明,拉开了人类历史上第一次工业革命的序幕。马克思1848年在撰写《共产党宣言》时,对第一次工业革命的意义作过高度评价,他说:“资产阶级在它不到100年的阶级统治中所创造出来的生产力,比过去一切世代所创造的全部生产力还要多,还要大。”蒸汽机首先带动了纺织工业的发展。18世纪初,无论是纺纱还是纺布,都是作为家庭副业由农妇用手工完成的。1733年,英国工匠凯伊发明了织布飞梭,织布工只要拉动系在梭子上的绳子,就可以使梭子自动地在经线间穿插往返。由于织布速度的加快,使棉纱供不应求,刺激了多种纺纱机的发明。但最初的纺纱机和织布机都是以人力或水力为动力的,它们对于需要稳定动力的工厂是不适合的。蒸汽机的出现才使这些工作机器大大提高了效率,并形成了机器工业生产方式。

蒸汽机出现之前,英国主要是从瑞典和俄国输入生铁。当时炼铁的燃料是木炭,由于生铁产量的激增,到18世纪初,英国的森林就被砍伐殆尽。1735年,英国的达比父子发明了将煤先炼成焦炭,然后再用焦炭炼铁的方法。这种炼铁方法需要强大动力的鼓风机,于是,1776年以后,瓦特的蒸汽机很快在炼铁业中用于鼓风,使生铁产量开始迅速增加。18世纪末直到19世纪70年代,英国生铁产量一直占全世界生铁总量的50%左右。

人们对蒸汽机的大量需求,必然导致对能生产大量蒸汽机的工作母机的需求。瓦特蒸汽机成功的关键在于汽缸与活塞的加工精度。1775年,威尔金为了加工瓦特蒸汽机,发明了镗床,使加工误差达十分之一英寸;1797年工匠莫兹利发明了带有活动刀架的车床,这种车床的床身上装有导轨,刀架可以沿导轨纵向和横向进刀,其结构与今天的普通车床已经没有什么不同了。1831年,惠特沃恩设计了可以自动切削螺纹的车床,内斯米斯制造出蒸汽锤和刨床,为近代生产的机械化奠定了坚定的技术基础。

蒸汽机所引起的连锁反应,使人类文明进入—个崭新的历史时期——工业化社会。

与马车比高低

蒸汽机作为动力在工厂中得到应用和推广,掀起了一场工业革命,但它对人类文明的巨大贡献,还表现在交通运输方面。

据说,约在公元前4000年,古巴比伦有位不知名的撒马利亚人,他创造了一个轮。这大概是世界上最早的轮子,也可以说,这是人类历史上一个伟大的发明。有了轮子,人们才造出了车,车已经有几千年的历史。不过最初的车是很笨拙的。如四轮车,向左右转弯还很不方便,因为那时还没有发明可以使车轮左右转弯的轴结构。

在漫长的人类历史中,车的结构虽然不断地在改进,但始终是以人力、畜力和风力为动力。人们虽然很早就幻想着各式各样的交通工具,但真正能自己行走的车,是在蒸汽机发明之后出现的,只有这种车才敢和马车一比高低。

在瓦特发明近代蒸汽机的第二年(1769年),法国陆军工程师古诺发明了世界第一台以蒸汽为动力的车,它是用前边一个轮子驱动的三轮车。

用现代的眼光看,这种车的样子当然很不雅观,车身是用很重的木框架做成的,框架支撑着一个梨形的大锅炉,整个车身放在3个直径近2米的大轮上。它轮子很大,走路并不快,最高时速只有4千米,还不如一般人走得快呢!更遗憾的是,由于方向盘操纵困难,它时常发生事故,以致于在一次试车途中,撞到一家兵工厂的墙上,破损得七零八落。之后,古诺用了一年半的时间,制成了第二辆车,这是一辆更大型的蒸汽车,它可以牵引四至五吨的重物,这辆车长7.2米,宽2.3米,有3个大木制轮子,时速达到9.5千米,它至今仍保存在巴黎国立工艺学院里。

世界上第一台蒸汽火车,是英国机械师特里维西克1801年制造的。说到火车,首先就要提到轨道。最早的轨道雏形是一种辙道,就是在石头上凿的槽道。据说几千年前,埃及人就曾利用这种辙道,把重达2.5吨的大石头运送到金字塔的建筑工地。

16世纪时,出现了一种木轨,这是为了开采矿石而发明的。当时人们在实践中认识到,让装满煤或矿石的车子在这种木制的轨道上行驶,可以省许多力。

然而,此时还没有铁轨,铁轨是18世纪才出现的。

1767年,英国的金属大跌价,有一家铁工厂的老板生怕亏了本,便把工厂里所有存放的生铁,都浇铸成板条形的铁条,铺设在工厂的道路上。这样,一来能当路走,二来在铁价上涨后还可以再挖出来卖。

可后来人们发现,车辆走在这种铺着铁条的道路上,非常省力,这启发了人们来修筑铁路,铁轨就这样被发明了。

特里维西克的火车当时能牵引6吨重的列车,时速达8千米,空载时速达20千米。遗憾的是,由于锅炉安装不当,机车振动较大,铁轨竟多处被震断。另外,这种火车消耗煤很多,常出轨,甚至不如马车,没人敢用。

真正使火车成为一种有效的运输手段的人,是保管机器的工人斯蒂芬逊。他是煤矿工人的儿子,8岁开始放牛,14岁在煤矿做工,工作中自学了物理学和火车原理等知识。早在1813年,他曾经制造出一台动轮与连杆相互联结的蒸汽机车,这种机车行驶在铁制轨道上的是光滑的动轮,而不是以前的齿轮,从而解决了机车出轨的问题。1822年,斯蒂芬逊建立了机车车辆厂,并在斯托克顿到达林顿之间铺筑了21千米长的世界第一条铁路,这条铁路在1825年9月27日正式通车,车名为“旅行号”,每小时走24千米,载重90吨,乘坐450人。

对于斯蒂芬逊的“旅行号”,在当时也不是所有的人都拍手叫好。1825年3月号的《评论季刊》就不相信它的威力,刊中说道:“希望火车的速度能比马车快两倍,还有什么比这更为荒谬可笑的?照我们看,人们大概宁愿被康格里夫的火箭射出去,也不愿自己交托给这种快速机器来掌握。”蒸汽机车出现后,许多人对它很感恐怖,一时谣言四起,什么旅客会因高速而丧生,奶牛会因受惊而不产奶,草原和森林会被烧尽,等等。不少人信以为真,极力反对制造火车。甚至英国还制定了“红旗法”,要求有一人持红旗在前面开路,机车才准许行驶。多么大的讽刺啊!有些人不仅怀疑斯蒂芬逊的机车,还无情地嘲讽他。对于人们的这种怀疑和嘲讽,斯蒂芬逊和他的儿子罗伯。决定用事实来证明:火车是一种有前途的交通工具。于是,他们开始制造新的火车头“火箭号”。

此后不久,又出现一些别人制造的机车。于是,在英国一场戏剧性的竞赛开始了。这次比赛做出如下规定:凡是参加比赛的车,都要牵引一列满载石头的车厢,而其重量为车头的三倍,并要求在2.4千米的路程上来回走20次,获胜者可得到500镑的奖金。

1829年10月6日,比赛的日子到了。几辆19世纪初的火车精华以及马车、人力车,都跃跃欲试,准备争个高低。斯蒂芬逊父子制造的“火箭号”是其中之一。

比赛时,一辆设计漂亮的“新奇号”机车挂上车厢后,只听一声巨响,锅炉爆炸了。还有一辆“桑士巴里号”机车,虽然是个大块头儿,开动时声响浪大,喷吐出大口大口的黑烟,像有不可一世的劲头。但只走了44千米,许多零件先后出了毛病,最后汽缸破损,不能再动弹了。只有“火箭号”牵引着l7吨重物,以平均每小时行走22千米的速度,荣获冠军。当评判员用惊奇的目光注视着表针时,“火箭号”又以每小时46.6千米的高速,冲过了终点线,上万名观众为此齐声欢呼。

从此以后,火车才得到了人们的重视,正式登上了历史的舞台,铁路运输在世界各国先后发展起来。即使今天,我们仍可看到在一些地区蒸汽机车在运行。