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。
人,是群居的杂食动物。事,是集体的劳动工作。
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