《人類科學技術史-265》蒸汽機與機械技術

蒸汽機與機械技術
1.蒸汽機

英國資產階級革命勝利后，工場手工業得到了迅速發展，大大增加了對動力燃料和金屬礦產的需求。到了17世紀中葉，已經歷經近一個世紀發展的英國采煤業與采礦業，此時更加迅速地發展起來，這不僅直接推動了近代地質學的發展，而且直接推動了近代動力技術科學的發展。

在近代地質學中，當火成論與水成論之爭揭開近代地質學的序幕時，在近代動力技術科學中，紐可門蒸汽機的誕生，也升起了近代動力技術科學的曙光。紐可門蒸汽機的誕生，可以說直接源于采煤業與采礦業的推動作用。

近代蒸汽動力技術的產生，除了源于當時的社會生產直接推動作用外，還源于當時的實驗科學的長期孕育作用。在近代，最先研究蒸汽動力的，是近代實驗科學的先驅達.芬奇。后來，羅馬山貓學院院士包爾塔(1538-1615年）曾設計和研制一種用蒸汽壓力提水的實驗裝置。這為后來的蒸汽動力技術奠定了最初的實驗科學基礎。伽利略已經朦朧地意識到了大氣壓力與真空的存在，他的學生、意大利物理學家托里拆利(1608-1647年）和維維安尼(1622-1703年）最終揭開了大氣壓力和真空之謎。1650年，格里凱又發明了真空泵。正是由于蒸汽壓力實驗、大氣壓力實驗以及真空作用實驗這三大實驗基礎的相繼形成，使人們得以從實驗上開始認識蒸汽、大氣和真空的相互作用。而這些重大實驗成果也就為早期蒸汽動力技術的產生奠定了牢固的實驗科學基礎。

由蒸汽驅動的工業上通用的動力技術的發明和應用是18世紀工業革命的第二階段。隨著紡織機和其他新的工作機的出現，要求動力也要有所變革：工業革命起源于工作機的改變，發展于動力機的革命。

動力技術的變革首先發生于礦井排水的需要，在18世紀后半葉，英國的各礦井中已普遍使用早期蒸汽動力——紐可門蒸汽抽水機。這時也有了對蒸汽機結構和效率的實驗研究，為蒸汽機的改進提供了資料。而瓦特(1736-1819年）發明的新的蒸汽動力機，是工業革命中最重大的事件。

瓦特原是格拉斯哥大學中從事儀器制作和修理的工匠。他在修理紐可門蒸汽機時發現，這種蒸汽機的效率很低，大約為1％，而且小蒸汽機的效率又比大蒸汽機的效率要低一些。瓦特根據比熱、潛熱的概念分析了上述現象，認為紐可門蒸汽機的主要缺點是在汽缸內反復進行冷凝，把大量熱能浪費于重新加熱汽缸，而小蒸汽機汽缸面積對汽缸體積的比例更大，因而效率更低。

針對這個問題，瓦特在1765年研制成功了同汽缸分離的單獨的冷凝器，加上采取了精密加工、油潤滑和設置絕熱層等措施，改進了紐可門蒸汽機，使熱效率提高到3％以上。

瓦特開始改進和研制的蒸汽機仍然是單向操作的，可以用于礦井抽水，但不能用作工廠生產中的動力機。他經過研究、試驗，于1782年研制成功了具有連桿、飛輪和離心調速器的雙向蒸汽機，使蒸汽機可以把直線運動變為連續而均勻的圓周運動。因而可以經過傳動裝置帶動一切機器運轉，給整個工業和交通運輸業提供了一種可靠的通用動力機。從此，動力機、傳動機、工作機組成了機器生產的系統。這是人類生產技術的一次重大突破，是認識和利用自然力的一個大突破。

2.機械技術

18世紀工業革命的第三個階段，是開始用機器制造機器。紡織業和其他行業的工作機的創建，動力機的革新特別是雙向蒸汽機的發明，為工業的發展開辟了巨大的可能性，而實現這種可能性又取決于機器制造業的水平和能力。否則，發明家即使把紡紗機、織布機、蒸汽機等設計出來并造出了樣機，卻不能成批地、合格地把它們生產出來，不足以使整個工業革命實現生產資料的更新，工業革命仍不能實現。只有在可以做到機器生產機器的時候，大工業才有它的技術基礎。

18世紀以前，雖然有了用水力、畜力驅動的簡單機械，大量的產品基本上是靠手工加工的，連生產中所使用的機械裝置也得用手工方法生產。紡織機靠木匠、鐘表匠、紡織工匠的經驗制成；早期的蒸汽機是由熟練工匠在簡陋的小作坊里制造出來的，工匠們憑著精湛的技藝用雙手在鐵坯料上加工出汽缸和活塞等部件。但是，手工加工的速度終究很慢，產量低、成本高，精度也差。

在制造蒸汽機、紡織機和槍炮的推動下，18世紀末期的機械加工技術也有新的進展。在制鎖、制槍支中開始實行了可以互換零部件的標準化方法。

英國機械師莫茲利(1771-1831年）于1794年發明了車床上的移動刀架，于1797年制成了安放在鐵底座上帶有移動刀架的車床。莫茲利把原來用手握持的刀具安裝在機架上并使之能沿著車床的中心軸線平行滑動，這種自動刀架車床可以方便、迅速、準確地加工直線、平面、圓柱形、圓錐形等多種幾何形狀的部件，使車床真正成為機器制造業自身的工作機。滑動刀架這一簡單的發明是機械技術史上的重大創造，在19世紀中英國出版的《全國的工業》一書中認為，滑動刀架"對機器使用的改良和推廣所產生的影響，不下于瓦特對蒸汽機的改良所產生的影響。采用這種附件的結果是各種機器很快就完善和便宜了，而且推動了新的發明和改良"。機械化操作的金屬切削機床可以用來制造各種行業的工作機和動力機，也可以用來自己制造自己，是工業革命中名副其實的工作母機。它的出現標志著機器制造業進入到一個嶄新的階段。

3.其他技術

這一時期，歐洲各國在農業、建筑、運輸、礦冶和通訊等方面的技術也有所發明和改良。

農業中，英國在18世紀出現了諾福克輪作制，發明了全鐵的輕犁、畜力條播機、畜力耕鋤、收割機、脫谷機、切藁機等農具。建筑方面，對材料強度的研究和住宅房屋的設計都比以前有大的進步，出現了拱的平衡理論和家庭火爐裝置。

運輸業中已開始運用蒸汽動力的輪船，出現了港口和燈塔。工業化學制品在這時也有較大規模的生產，突出表現是用于金屬、漂白和染色工業中大量需要的硫酸和堿的大規模生產。

通訊技術中，已開始利用光信號和電進行通報，為以后電報的發明開了先河。

這一時期的技術發明很多，社會的發展、人們思想的解放、科學實驗手段的進步和理論的提高，都促進了科學技術本身的發展；而技術的發明和改良又為社會的進步提供了巨大的動力。