瓦特蒸汽机与英国皇家海军的故事博客

我小的时候,家里烧开水还需要用铝的水壶(当时叫“炊壶”)。如果水壶的盖子开始叮当作响,这就说明水快开了,要特别留意。

有一次,我母亲告诉我说:你知道水壶的盖子为什么会叮当响吗?那是因为水变成蒸汽之后,把盖子顶开,等开了一条缝,蒸汽跑出去,盖子又落下来。以前英国有个发明家叫瓦特,他看到这个,就发明了蒸汽机。现在我们坐的火车的火车头,开起来冒白气的那种,就是蒸汽机车……

小时候我听了很多这类故事,长大了也才明白父母的一番苦心,是鼓励孩子从小保持好奇心,留意四处观察。现如今,我大概仍然保留了一些好奇心,但也很尴尬地发现,我们从小接受的教育里,关于科学的许多“故事”并不是真的。

其中最知名的例子是“牛顿被苹果砸到因此发现了重力”,牛顿的确发现了重力,但是否因为“被苹果砸到”则尚无定论,更像为讲故事而讲故事。同样,“瓦特与蒸汽机”的故事也是如此。后来读科学史,才知道瓦特并没有“发明”蒸汽机,只是“改良”了蒸汽机。但是到底如何“改良”,似乎我读到的资料都语焉不详。

所幸,依照我尚存的一点好奇心,最近终于搞明白了瓦特和蒸汽机的故事。今天,我把自己所知分享在这里,如果你也有兴趣,欢迎继续。

瓦特的确没有“发明”蒸汽机,而只是“改良”了蒸汽机。他改良的对象,则是当时已经广泛使用的纽科门蒸汽机。詹姆斯·纽科门(James Newcomen)1664年生于英国的达特茅斯,是一名铁匠。和当时的许多人一样,他观察到水被加热到沸腾之后会变成蒸汽,体积会膨胀约1700倍。纽科门因此想到,能不能依靠蒸汽来做工?

按照这个想法,他在1712年发明了“大气引擎”(Atmosphere Engine为专有名词,注意与今天气象学上的“大气引擎”不同),也叫“纽科门蒸汽机”,这也是世界上第一台实用的内燃机。

这台机器最早的设计今天看起来很简单,纽卡们依靠几个关键部件:阀门、活塞、汽缸、摇臂。蒸汽进入汽缸,推动活塞向上,由摇臂带动远端的连杆做工,等蒸汽散去,活塞落下,再重复这个过程。整个过程看起来很像水烧开时壶盖叮当响,的确可以利用蒸汽提供机械能,唯一的问题是,它的效率太低。

纽科门然后想到,为了让活塞复位,可以向汽缸注入冷水,这样蒸汽就会迅速凝结,体积缩小,再把这些水导回锅炉,就可以继续进下一次循环。于是他添加了冷凝水箱,设计了两个联动的阀门,在活塞上升到汽缸顶端时,关闭锅炉阀门,短暂打开冷凝水阀门,注入冷水,活塞会在大气压力作用下回位,这就是今天常见的“下冲程(Downstroke)”。等到活塞回落到汽缸底部,重新打开锅炉阀门,少量冷凝水回到锅炉内,蒸汽重新注入汽缸,开始下一次做工行程。

纽科门蒸汽机的原理并不复杂,也只能做简单的往复运动,在当时仍然大受欢迎。为什么?因为十八世纪英格兰导出都是浅层矿井,渗水严重,矿主迫切需要抽水的办法。纽科门蒸汽机不需要人力干预,就可以完成抽水的任务,自然赢得了大家的喜爱。从1712年之后的六七十年里,纽科梦蒸汽机一直非常流行,直到瓦特拿出改良设计为止。

当时,詹姆斯·瓦特受人聘请,在格拉斯哥大学制造和修理科学仪器。一个偶然的机会,他开始研究纽科门蒸汽机的模型。瓦特坚持认为,纽科门蒸汽机的效率不高,大量能量被浪费了,但始终没有找到诀窍。据说瓦特为此感到心力交瘁,但他鼓励自己说:大自然一定有弱点,只是我们还没找到。

1765年的某一天,瓦特灵感闪现,他忽然意识到:纽科门蒸汽机向汽缸注入冷水,本意只是为了让蒸汽凝结,却连汽缸也一起降温了。为了提高蒸汽机的效率,汽缸必须维持在恒定的温度,需要降温的只是蒸汽而已。换句话说,冷却水应该只用来单独冷却蒸汽。瓦特同时也想到,为了提升效率,应当从顶部(而不是底部)引入新的蒸汽。

按这个想法,瓦特制造了第一个原型蒸汽机,这是一个庞然大物,高达7.3米,汽缸直径1.27米,由大量黄铜管、阀门、杠杆组成,瓦特还给它配备了调速器、飞轮,最终带领一台泵,可以以每分钟十五次的速度喷水、压气或执行其它任务。一旦这台机器运转起来,会发出巨大的噪音、剧烈的震动。围观者无不赞叹自然的伟大力量。

但是瓦特对这台蒸汽机并不满意,因为蒸汽机工作时会喷出大量的蒸汽,把整台机器笼罩其中。瓦特很清楚,蒸汽外泄就意味着能量损失,他需要保证活塞和汽缸之间的密封。

然而工业革命还需要瓦特的蒸汽机来引领,在这之前,生产几乎全靠手工完成。拿汽缸来说,铁匠首先打造铁板,然后锻造成圆环,最后密封边缘。可以想像,本该是圆形的汽缸一定不圆,在某些地方,活塞和汽缸之间有巨大的摩擦,平添阻力,在某些地方,两者之间又有巨大的缝隙,白费蒸汽。瓦特为此伤透了脑筋,他想了各种办法,比如用皮革、软木、橡胶、纸张,甚至用马粪来填补间隙,但是全都失败了。

恰恰就在此时,瓦特接到了一个订单,来自Bersham的成功企业家、冶金专家威尔金森(John Wilkinson)要求他提供一台蒸汽机,用以驱动铁厂的鼓风箱。看到瓦特的困扰之后,威尔金森一眼就洞穿了问题所在:瓦特的汽缸加工精度太差。于是事情发生了奇妙的反转,客户变成了主顾,主顾变成了客户,威尔金森转而为瓦特制造汽缸。

约翰·威尔金森是个传奇人物。他1728年出生,父亲伊萨克·威尔金森是最早使用焦炭替代煤炭进行冶炼的那批人之一,威尔金森子承父业,顺理成章成为铁匠铺老板(IronMaster)。但是他能出名创富,并不是因为冶炼,而是因为加工。

18世纪,皇家海军已经成为对英国非常重要的武装力量,但皇家海军仍然被一个问题搞得焦头烂额,那就是炮管的安全性。那时候,火炮炸膛并不是什么罕见的事情,一旦发生,轻则炮手丧命,重则舰船损毁。

原因不难理解,当时的火炮由铸造而成。先把铁水注入模具,等铁水逐渐冷却,工匠把炮管固定在一个平面上,用锋利的切割工具从炮口深入,将内管打磨光滑。可以想见,这个过程全凭手工,打造出来的炮管必然存在厚薄不均的现象,甚至内管可能都不能保证笔直。当时,火炮质量低劣、事故频发的现象,一度震惊了海军总部的高级将领。

为此皇家海军想尽了办法,用更好的模具,更熟练的工人,都无济于事。真正解决它的人,正是另辟蹊径的威尔金森。

威尔金森的办法与其他人都不一样:他要打造实心的炮管。理由是,如果铸造空心炮管,而且需要加工,他无法保证冷热均匀,必然出现气泡和海绵状部位。但如果打造实心炮管,相当于铸造圆柱体,却有足够的把握避免这些现象。

根据威尔金森的设计,一旦实心炮管铸造完毕,会被紧紧固定到加工设备上,不能移动分毫,然后以水车带动炮管绕轴线旋转。在另一边,锋利的钻头同样被固定,不能移动分毫。两部分以轴线对齐,炮管不断靠近钻头,如此加工出炮膛。

这个过程在今天看来无比简单,任何一台机床都可以做到。但要知道那是在18世纪70年代,不要说机械化,工业革命也尚未开启,甚至连今天习以为常的各种计量单位都不存在,威尔金森的想法可谓石破天惊。后来他进一步改良,炮管不动,钻头转动。他断言,只要保证稳定性,保证两边精确沿轴线对齐,加工过程中钻头没有任何弯曲、晃动,“结果必然准确无误”。

更重要的是,威尔金森的制造方法与之前不同,不依赖任何个人的手艺和经验,而是“以机器制造设备“观念的萌芽,在当时,这是重大的突破。

基于此,威尔金森制造的炮管,每一根都无比精确(以当时水平来看),堪称完美无瑕。皇家海军发现,无论发射什么炮弹,既不用担心炸膛,更不用担心炮弹的飞行轨迹——之前因为炮膛不够精确导致炮弹乱飞的情况再也没有出现过。

威尔金森早早为他的加工方法申请了专利,配合皇家海军源源不断的订单,他声名大噪,赚得盆满钵满。但是,他并没有就此止步,醉心于风流场的同时,仍然在孜孜探求新的应用。所以,当他在1775年遇到瓦特之后,他的发明才真正找到了改变世界的窗口。

对威尔金森来说,为瓦特制造汽缸,与为海军制造炮管大同小异。但是对瓦特来说,这无异于天降奇兵。直径1.27米的汽缸,活塞与气缸之间的间隙最大只有2毫米——这是1776年,威尔金森为瓦特制作的第一个汽缸的公差。这台蒸汽机运转的场面焕然一新,平滑流畅,嗡嗡作响,再没有外泄的蒸汽。见到这画面,瓦特和威尔金森眉开眼笑,但他们没有想到的是,这奇妙的组合,由此开启了工业革命的序幕。

今天回顾这个故事,我们能想到什么?从我自己出发,大概有几点让我印象深刻:

第一,瓦特冥思苦想改进纽科门蒸汽机的过程,很像软件开发中的“关注点分离”。最终他找到了诀窍:汽缸成了冷凝的瓶颈,应当冷凝的只有蒸汽,而不是汽缸。软件开发中我们经常需要反复思考,才能把最核心的部分剥离出来,其实这个道理也可以应用在很多方面。比如说,某种程度上,这有点像外卖——门店成了后厨的瓶颈,如果食客不用局限在门店用餐,后厨的能力才能得到充分释放。

第二,科技的进展从来就不是科学本身的进展,实践和技术的价值不容忽视。瓦特通过思考,找到了纽科门蒸汽机效率低下的关键,但是如果没有遇到威尔金森,他的设计也只能停留在蓝图上而已。今天,看起来互联网提供了海量的知识,但真正做一点事情就会发现,还有大量的知识、技能、经验是没有形成文字,在互联网上不存在的。即便是今天的技术人员,与现实世界多打交道,勤动手,勤思考,一定不是坏事。

第三,重大的科技进展往往不是一个人、一家企业能够“包干”,而是由多个“术业有专攻”的个人或者团体协同、接力完成的。甚至协同和接力的方式都不能提前预料到,只能用因缘巧合来解释。如何创造这种生态,让个体能专注于自己的兴趣所在,结果又能互相协同,这是个非常复杂的问题。

第四,对待过去,我们应当多看积极的方面,不要忽略时代局限。我至今仍然很感激父母在我小时候讲了很多与科学的故事,鼓励我去探索,尽管今天看来许多故事的叙述未必准确,许多探索的方向未必准确,但这都不要紧,要紧的是培养孩子对于世界的好奇。相应的,我们也应当更加包容。把故事讲得更好,应当是今天我们对自己的要求。

最后,如果你对这类内容感兴趣,欢迎留言和赞赏,那样我会更有动力继续写下去。

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THE END
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3.SteamLocomotivesAlthough the steam carriage ran, with a full load, at speeds up to 12 mph (19 km h−1) on the level, the poor state of the roads created difficulties with steering and gave an uncomfortable ride. Moreover, it was more expensive to run than a horse-drawn carriage and it frightened jvzquC41yy}/ulngpekek{jev0ipo8yqrkit1nsikpkftrsi1uzfcv2nqeunq}nxgu
4.蒸汽机与自动控制直流调速器,是一个不起眼的东西。它的简略原理不过是一个如今理论力学课的习题。看似简略,可是他在近代操控技能和操控理论开展上,却起到了开天辟地的效果。所以有必要介绍一下它的简略前史。 最早的蒸汽机能够追溯到17世纪末,1698年英国人托马斯·塞维利(Thomas Savery,1650-1715)创造了运用蒸汽压力的抽水泵――“jvzquC41dnuh0lxfp0tfv8|zs7887;
5.[教案]第7课第一次工业革命纽科门及其助手卡利在1705年发明了大气式蒸汽机,用以驱动独 立的提水泵,被称为纽科门大气式蒸汽机。这种蒸汽机先在英国,后 来在欧洲大陆得到迅速推广,它的改型产品直到19世纪初还在制造。 纽科门大气式蒸汽机的热效率很低,这主要是由于蒸汽进入汽缸时, 在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量,只在煤价低jvzquC41o0972mteu0tfv8iqe1k13=;3429:0qyon
6.推动社会进入“蒸汽时代”,现代蒸汽机之父瓦特诞辰287周年|安培|为了使蒸汽机在有负载时仍能保持均匀运行,瓦特设计了离心式调速器,对蒸汽机的运转实行自动调节。经过这些改进,瓦特蒸汽机的性能更加优良,煤的消耗大大降低,成为工业上广泛使用的发动 机。瓦特蒸汽机的广泛使用,极大地推动了当时正在蓬勃兴起的英国工业革命,也使世界工业进入了所谓的“蒸汽时代”。jvzquC41yy}/3?80eqs0f‚4ctvodnn4JVKJOE?=2737BLUV0jvsm
7.控制阀发展简史出于调节蒸汽机速度的飞球调速器的需要,在18世纪后期詹姆斯·瓦特设计出了动杆(自动)阀,并配套在蒸汽机上,这是现代控制阀技术和产品的开山之作。 威廉·费希尔 1880年,出于维持蒸汽驱动水泵的恒定排放压力,爱荷华州马歇尔敦市自来水厂的工程师威廉·费希尔恒压泵调节器。之后,创办了大名鼎鼎的费希尔控制公司(现已成为jvzquC41ygt{jxz0nwz/gmz0ep5jpot134651>9780nuo
8.自动化导论第一章绪论.ppt二、自动化技术形成时期 公元1788年 J.瓦特发明离心式调速器 19世纪末詹姆斯·瓦特发明蒸汽机的同时发明了离心式调速器,离心式调速器是最初的控制装置。离心式调速器能够自动调节进气阀门的开度,从而控制蒸汽机的转速。这是现代自动化发展中的第一个里程碑。 但是随着离心调速器的蒸汽机的普及,人们发现调速器舞蹈(jvzquC41oc~/dxtm33>/exr1jvsm1;5391622<49;696:?:0ujzn
9.3月17日自动控制发展的历程王广雄就是说一项科学技术的发展,并不是一个人,就是说瓦特又能发明蒸汽机又能发明调节系统,好像什么都是他发明的,实际上他也利用了前人的很多知识的积累。这是1788年,随后大概有一百年左右的历史,工业里边自动控制系统就是个离心调速器,当时主要就是个蒸汽机,蒸汽机离心调速器,没有别的类型,后来进到二十世纪,就是jvzquC41yy}/ewyx0et0nv43535738=7477/j}rn
10.克拉克·麦克斯韦——从蒸汽机调速器到控制论论调速器麦克斯韦1868年,麦克斯韦在《皇家学会会刊》上发表了一篇题为《论调速器》的论文。这篇论文,可以说是他自动控制理论的“开山之作”。 在这篇论文中,麦克斯韦开始研究蒸汽机调速器的“奥秘”。他首先指出,调速器的作用是在蒸汽机受到外界扰动时,能够保持机器的稳定运转。而扰动呢,就像是调皮的孩子,时不时会来捣乱,让机器的jvzquC41dnuh0lxfp0tfv8xjgpsjp‚np1cxuklqg1fkucrqu13:39?>232
11.黄一教授讲控制历史(上)到18世纪,在蒸汽机之前,离心力调速器已经在风车上被大量应用。风车技术人员开发了许多新装置,不过他们大多是工程师不是科学家,因此除了简略的专利,留下的文献纪录很少。图12中是Thomas Mead1787年申请的控制风车速度的调节器专利中的一张图,可以看到采用了一个双球的离心力调节器。 jvzq<84{wpxvp7hqo0io1ltoowtjv‚4696?/j}rn