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第一章 英国工业革命的标志（第1页）

火车头：自己行走的钢铁怪兽

1804年2月21日，在数千人的见证下，一台蒸汽机怪兽拖着10吨生铁、5辆大车，喘着粗气，用时4小时5分钟，成功跑完了16公里，这是人类第一次目睹这种钢铁怪兽的运行，这台怪兽当时没有名字，不过，现在有个熟悉的名字，叫做“火车”。

火车现在很威风，最高运行时速达到了605公里，但是，这次火车蹒跚学步的时速才3.9公里，比人类走路还慢，所以，准确点来描述，火车是爬完了全程。

第一节车厢：人类动力里程碑

在火车出场之前，我们先了解一下它的动力——蒸汽机。

早在公元1世纪，古希腊数学家希罗造出了世界上第一台蒸汽机的雏形，叫做“汽转球”，利用蒸汽逃逸的反作用力来转动一个球，不过，你也可以把它看成一个玩具。

近代最早研究蒸汽动力的是丹尼斯?帕平。

帕平，1647年出生于法国，1669年获得医学博士学位，本来，帕平应该从医，但是，数学和力学对他的吸引力更大，最终，兴趣改变了人生。1671年，他在著名物理学家惠更斯的指导下，开始进行科学研究，让他有了坚实的物理基础。1675年，年仅28岁的帕平来到伦敦，与著名化学家波义耳一起工作；在一次实验中，帕平意外地被蒸汽烫伤了手，他产生点疑问：自己经历过很多次烫伤，为何这次特别疼痛，于是，他向波义耳请教。这位大化学家告诉他，在密闭容器内加热水的时候，沸点随着水面上方气压地增大而升高，所以，喷出来的蒸汽温度更高，感觉更烫。

就是这个痛，让帕平开始思考，开始试验，最终在1681年发明了高压锅。

帕平作为一名科学家，在欣赏自己的高压锅时，注意到了蒸汽逃逸时，可以产生动力，于是，他做了大量的实验，最后，发表了一篇论文，介绍蒸汽膨胀可以推动活塞运动，而且，蒸汽冷凝后又可以形成真空。

这篇论文成了蒸汽发动机的理论来源。

英国是岛国，尽管面积小，但是矿产资源丰富，早期英国的采矿业独步欧洲，但是，矿井里的水处理起来非常麻烦，所以，英国有抽水机的市场需求。1698年，一位英国人根据帕平的理论制成了世界上第一台实用的蒸汽抽水机，这位英国人叫萨弗里。

蒸汽抽水机比较简单，具体工作过程是：第一步，将一个容器充满蒸汽，然后关闭进汽阀；第二步，在容器外喷淋冷水，容器内的蒸汽冷凝成水，容器几乎形成真空；第三步，打开进水阀，矿井底的水受大气压力作用，经进水管吸入容器中；第四步，关闭进水阀，重开进汽阀，用蒸汽压力将容器中的水经排水阀压出，至此，蒸汽机完成了一次抽水过程；水排出后，重复以上步骤，容器再次充满蒸汽时，关闭进汽阀和排水阀，重新喷水使蒸汽冷凝。

这就是蒸汽机抽水的整个过程，当时，让人感觉有点麻烦的就是每抽一次水后要等待一段时间。

萨弗里对自己这台蒸汽抽水机进行了改进，用两个容器轮班工作，就可以连续抽水，但是，实践结果，抽水机还可以，只是有个明显的弱点：汲水深度有限。中学物理知识告诉我们，这种抽水机就是利用大气压的原理抽水，抽水的理论高度也就是10米左右，当时材料、技术有限，不可能保证完全真空状态，实际抽水高度也就是6米左右；想从几十米深的矿井汲水，要么将抽水机装在矿井深处进行接力，要么用较高的蒸汽压力，当时，这两个办法都相当困难，而且危险。

1712年，另一位英国人将这个蒸汽抽水机进行了改进，制成了实用的蒸汽机抽水机，这位英国人叫纽科门，他改进的这种蒸汽机被称为“纽科门蒸汽机”。

纽科门的设计比较巧妙，他将汽缸和锅炉分开，蒸汽不是由水直接在汽缸中加热汽化，而是由锅炉生成，通过管道送入汽缸，这是一个改进非常关键：一方面，锅炉的容积大于汽缸容积，可以输送更多的蒸汽，功率有所提高；另一方面，锅炉和汽缸分开，发动机部分的制造就比较容易。纽科门还引入了活塞与连杆装置，使蒸汽压力、大气压力在相互作用下推动活塞作往复式的机械运动，蒸汽机就能成为蒸汽抽水机。纽科门蒸汽机，实现了用蒸汽推动活塞做一上一下的直线运动，相当于20匹马同时工作的动力，可以把几百英尺以下的水抽到地面上来。

这种蒸汽抽水机在煤矿矿井里非常受欢迎，背后有一个原因：它需要烧大量的煤，除了煤矿，其他地方根本用不起；不过，也有土豪，奥地利的施瓦茨伯格亲王就定购过一台，用来制造宫殿的喷泉。

此刻，蒸汽机的应用还仅限于抽水，要被广泛应用，必须要进行改良，这时，一位天才发明家横空出世，他就是詹姆斯?瓦特。

詹姆斯?瓦特，1736年出生于苏格兰，他有个舅舅在格拉斯哥大学任职，在舅舅的引荐下，开始学习机械制造；21岁时，他在格拉斯哥大学开设了一间机械修理店，并成为了学校教学仪器制造师，有机会接触大学教授，学习了各种机械性原理。有一次，瓦特得知大学有一台纽科门蒸汽机正在伦敦修理，他要求学校取回这台蒸汽机，让他来修理，正是这次自告奋勇的行动，他开始了自己一辈子的事业。

纽科门是铁匠出身，技艺精湛，但是，仅受过初等教育，理论水平低；而瓦特，不仅有精湛的技艺，还在大学里学到了扎实的理论知识。

瓦特经过研究，找到了纽科门蒸汽机的弱点。

纽科门蒸汽机采取内凝喷嘴和自动阀装置，在气缸里造成真空，利用大气压带动泵杆一上一下地运动。活塞每滑动一次，都伴随热量的散发：蒸汽从锅炉传送到气缸里，推动活塞向上滑动，为了不让蒸汽凝结，必须保持沸点，这需要大量的热量；当活塞被推到汽缸顶部时，内凝喷嘴喷射冷水迅速降低汽缸内的温度，蒸汽快速凝结，汽缸变成真空，才能让活塞下滑，从而完成了一个冲程。这个冲程让活塞一会儿冷，一会儿热，必然浪费大量的热能。

瓦特在这台蒸汽机的基础上，进行了第一次改进，他将加热和冷却分成了两个任务，由两个容器分别来承当完成。

具体工作过程是：第一步，打开锅炉蒸汽阀门，让蒸汽进入汽缸，推动活塞向上运动；第二步，当蒸汽推动活塞到汽缸顶部的时候，关闭蒸汽阀门；第三步，打开冷凝器与汽缸连接的阀门，这样，汽缸内的蒸汽压力会突然消失，由于冷凝让汽缸内形成了真空，空气压力会使活塞再向下运动。因此，只要交替开闭这两个阀门，活塞就会快速上下运动。

有运动，就有动力之源，不过，要想这动力之源成为能够应用的动力，还有很长的路要走，因为活塞只能作上、下直线运动，而运动需要往同一个方向前进。

1784年，瓦特针对这个问题又进行了第二次改进。

这次改进主要解决了两个问题：第一，他采用一个连杆带动曲轴的结构，使活塞的直线动能转变为圆周旋转动能。换句话说，之前只能让物体过去，然后原路返回，而现在，物体可以连续前进了。第二，他发明了世界上最早的自动控制系统，能自动调节蒸汽的流量，使机器的运行速度保持恒定，不再需要人工去调节阀门。

瓦特创造性的发明使蒸汽机迅速地发展，让原来只能提水的机械成了可以普遍应用的动力；由于加热和冷凝分开进行，这可以让汽缸始终保持高热状态，大大减少了煤的消耗。

瓦特改良蒸汽机问世后，他申请了专利，并组建工厂大规模生产。瓦特工厂制造的蒸汽机大部分在英国康沃尔郡矿区使用，这个矿区的蒸汽机的技术负责人是威廉?默多克。

威廉?默多克制造出了人类史上第一台蒸汽机车。

第二节车厢：被遗忘的蒸汽机车发明人

威廉?默多克，1754年出生于苏格兰的埃尔郡，是瓦特的老乡，在瓦特的公司负责安装蒸汽机。

默多克是一位不可多得的人才，他发明过一堆东西，如煤气、瓦斯灯、鱼胶、蒸汽引擎机车头、汽动力焊枪、钢水泥、合成染料、综合塑料制品等，算是一位著名的发明家。他技术熟练，业务精湛，甚至能对瓦特设计的蒸汽机提出修改意见，是瓦特的得力干将。瓦特得到了这位技术奇才，作为老板，理应礼贤下士，但是，瓦特技术方面心灵手巧，心胸却非常狭隘，正因为默多克技术高超，瓦特对他有所防范，甚至醋海生波。

为了打压他，瓦特经常强调自己的蒸汽机设计不容更改，所以，默多克改良蒸汽机的建议只能自己保留。

既然老板公开反对，那就自己私底下研究。在康沃尔郡矿区进行售后服务工作期间，默多克的技术过硬，蒸汽机基本上也没啥事，反正闲着也是闲着，默多克就锤锤打打，1784年，他竟然弄出一台蒸汽机车，这也是瓦特第二次改进蒸汽机的年份。

在英国的默多克应该不知道，5年前，法国已经诞生了第一辆蒸汽车。

1769年，一位叫尼克拉斯?库纽的法国炮兵军官，用蒸汽动力造出了一辆三轮车，希望能作为大炮的拖车。这辆车非常简单，前部吊一个锅炉，锅炉产生的蒸汽推动气缸中的活塞驱动前轮行走，这车每走15分钟，锅炉的压力就会损耗完，需要停下来加水和烧水，直到锅炉恢复压力后才能继续前进，还有一个致命的缺点，那就是没有装转向装置，在实验期间，这辆车撞上了兵工厂的墙壁上，车辆报废，这是世界上第一辆机动车，也应该是世界上第一起机动车事故。

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