《人类科学技术史-265》蒸汽机与机械技术

蒸汽机与机械技术
1.蒸汽机

英国资产阶级革命胜利后，工场手工业得到了迅速发展，大大增加了对动力燃料和金属矿产的需求。到了17世纪中叶，已经历经近一个世纪发展的英国采煤业与采矿业，此时更加迅速地发展起来，这不仅直接推动了近代地质学的发展，而且直接推动了近代动力技术科学的发展。

在近代地质学中，当火成论与水成论之争揭开近代地质学的序幕时，在近代动力技术科学中，纽可门蒸汽机的诞生，也升起了近代动力技术科学的曙光。纽可门蒸汽机的诞生，可以说直接源于采煤业与采矿业的推动作用。

近代蒸汽动力技术的产生，除了源于当时的社会生产直接推动作用外，还源于当时的实验科学的长期孕育作用。在近代，最先研究蒸汽动力的，是近代实验科学的先驱达.芬奇。后来，罗马山猫学院院士包尔塔(1538-1615年）曾设计和研制一种用蒸汽压力提水的实验装置。这为后来的蒸汽动力技术奠定了最初的实验科学基础。伽利略已经朦胧地意识到了大气压力与真空的存在，他的学生、意大利物理学家托里拆利(1608-1647年）和维维安尼(1622-1703年）最终揭开了大气压力和真空之谜。1650年，格里凯又发明了真空泵。正是由于蒸汽压力实验、大气压力实验以及真空作用实验这三大实验基础的相继形成，使人们得以从实验上开始认识蒸汽、大气和真空的相互作用。而这些重大实验成果也就为早期蒸汽动力技术的产生奠定了牢固的实验科学基础。

由蒸汽驱动的工业上通用的动力技术的发明和应用是18世纪工业革命的第二阶段。随着纺织机和其他新的工作机的出现，要求动力也要有所变革：工业革命起源于工作机的改变，发展于动力机的革命。

动力技术的变革首先发生于矿井排水的需要，在18世纪后半叶，英国的各矿井中已普遍使用早期蒸汽动力——纽可门蒸汽抽水机。这时也有了对蒸汽机结构和效率的实验研究，为蒸汽机的改进提供了资料。而瓦特(1736-1819年）发明的新的蒸汽动力机，是工业革命中最重大的事件。

瓦特原是格拉斯哥大学中从事仪器制作和修理的工匠。他在修理纽可门蒸汽机时发现，这种蒸汽机的效率很低，大约为1％，而且小蒸汽机的效率又比大蒸汽机的效率要低一些。瓦特根据比热、潜热的概念分析了上述现象，认为纽可门蒸汽机的主要缺点是在汽缸内反复进行冷凝，把大量热能浪费于重新加热汽缸，而小蒸汽机汽缸面积对汽缸体积的比例更大，因而效率更低。

针对这个问题，瓦特在1765年研制成功了同汽缸分离的单独的冷凝器，加上采取了精密加工、油润滑和设置绝热层等措施，改进了纽可门蒸汽机，使热效率提高到3％以上。

瓦特开始改进和研制的蒸汽机仍然是单向操作的，可以用于矿井抽水，但不能用作工厂生产中的动力机。他经过研究、试验，于1782年研制成功了具有连杆、飞轮和离心调速器的双向蒸汽机，使蒸汽机可以把直线运动变为连续而均匀的圆周运动。因而可以经过传动装置带动一切机器运转，给整个工业和交通运输业提供了一种可靠的通用动力机。从此，动力机、传动机、工作机组成了机器生产的系统。这是人类生产技术的一次重大突破，是认识和利用自然力的一个大突破。

2.机械技术

18世纪工业革命的第三个阶段，是开始用机器制造机器。纺织业和其他行业的工作机的创建，动力机的革新特别是双向蒸汽机的发明，为工业的发展开辟了巨大的可能性，而实现这种可能性又取决于机器制造业的水平和能力。否则，发明家即使把纺纱机、织布机、蒸汽机等设计出来并造出了样机，却不能成批地、合格地把它们生产出来，不足以使整个工业革命实现生产资料的更新，工业革命仍不能实现。只有在可以做到机器生产机器的时候，大工业才有它的技术基础。

18世纪以前，虽然有了用水力、畜力驱动的简单机械，大量的产品基本上是靠手工加工的，连生产中所使用的机械装置也得用手工方法生产。纺织机靠木匠、钟表匠、纺织工匠的经验制成；早期的蒸汽机是由熟练工匠在简陋的小作坊里制造出来的，工匠们凭着精湛的技艺用双手在铁坯料上加工出汽缸和活塞等部件。但是，手工加工的速度终究很慢，产量低、成本高，精度也差。

在制造蒸汽机、纺织机和枪炮的推动下，18世纪末期的机械加工技术也有新的进展。在制锁、制枪支中开始实行了可以互换零部件的标准化方法。

英国机械师莫兹利(1771-1831年）于1794年发明了车床上的移动刀架，于1797年制成了安放在铁底座上带有移动刀架的车床。莫兹利把原来用手握持的刀具安装在机架上并使之能沿着车床的中心轴线平行滑动，这种自动刀架车床可以方便、迅速、准确地加工直线、平面、圆柱形、圆锥形等多种几何形状的部件，使车床真正成为机器制造业自身的工作机。滑动刀架这一简单的发明是机械技术史上的重大创造，在19世纪中英国出版的《全国的工业》一书中认为，滑动刀架"对机器使用的改良和推广所产生的影响，不下于瓦特对蒸汽机的改良所产生的影响。采用这种附件的结果是各种机器很快就完善和便宜了，而且推动了新的发明和改良"。机械化操作的金属切削机床可以用来制造各种行业的工作机和动力机，也可以用来自己制造自己，是工业革命中名副其实的工作母机。它的出现标志着机器制造业进入到一个崭新的阶段。

3.其他技术

这一时期，欧洲各国在农业、建筑、运输、矿冶和通讯等方面的技术也有所发明和改良。

农业中，英国在18世纪出现了诺福克轮作制，发明了全铁的轻犁、畜力条播机、畜力耕锄、收割机、脱谷机、切藁机等农具。建筑方面，对材料强度的研究和住宅房屋的设计都比以前有大的进步，出现了拱的平衡理论和家庭火炉装置。

运输业中已开始运用蒸汽动力的轮船，出现了港口和灯塔。工业化学制品在这时也有较大规模的生产，突出表现是用于金属、漂白和染色工业中大量需要的硫酸和碱的大规模生产。

通讯技术中，已开始利用光信号和电进行通报，为以后电报的发明开了先河。

这一时期的技术发明很多，社会的发展、人们思想的解放、科学实验手段的进步和理论的提高，都促进了科学技术本身的发展；而技术的发明和改良又为社会的进步提供了巨大的动力。