《人類科學(xué)技術(shù)史-265》蒸汽機(jī)與機(jī)械技術(shù)

蒸汽機(jī)與機(jī)械技術(shù)
1.蒸汽機(jī)

英國資產(chǎn)階級(jí)革命勝利后，工場手工業(yè)得到了迅速發(fā)展，大大增加了對動(dòng)力燃料和金屬礦產(chǎn)的需求。到了17世紀(jì)中葉，已經(jīng)歷經(jīng)近一個(gè)世紀(jì)發(fā)展的英國采煤業(yè)與采礦業(yè)，此時(shí)更加迅速地發(fā)展起來，這不僅直接推動(dòng)了近代地質(zhì)學(xué)的發(fā)展，而且直接推動(dòng)了近代動(dòng)力技術(shù)科學(xué)的發(fā)展。

在近代地質(zhì)學(xué)中，當(dāng)火成論與水成論之爭揭開近代地質(zhì)學(xué)的序幕時(shí)，在近代動(dòng)力技術(shù)科學(xué)中，紐可門蒸汽機(jī)的誕生，也升起了近代動(dòng)力技術(shù)科學(xué)的曙光。紐可門蒸汽機(jī)的誕生，可以說直接源于采煤業(yè)與采礦業(yè)的推動(dòng)作用。

近代蒸汽動(dòng)力技術(shù)的產(chǎn)生，除了源于當(dāng)時(shí)的社會(huì)生產(chǎn)直接推動(dòng)作用外，還源于當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)的長期孕育作用。在近代，最先研究蒸汽動(dòng)力的，是近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的先驅(qū)達(dá).芬奇。后來，羅馬山貓學(xué)院院士包爾塔(1538-1615年）曾設(shè)計(jì)和研制一種用蒸汽壓力提水的實(shí)驗(yàn)裝置。這為后來的蒸汽動(dòng)力技術(shù)奠定了最初的實(shí)驗(yàn)科學(xué)基礎(chǔ)。伽利略已經(jīng)朦朧地意識(shí)到了大氣壓力與真空的存在，他的學(xué)生、意大利物理學(xué)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(fā)明了真空泵。正是由于蒸汽壓力實(shí)驗(yàn)、大氣壓力實(shí)驗(yàn)以及真空作用實(shí)驗(yàn)這三大實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的相繼形成，使人們得以從實(shí)驗(yàn)上開始認(rèn)識(shí)蒸汽、大氣和真空的相互作用。而這些重大實(shí)驗(yàn)成果也就為早期蒸汽動(dòng)力技術(shù)的產(chǎn)生奠定了牢固的實(shí)驗(yàn)科學(xué)基礎(chǔ)。

由蒸汽驅(qū)動(dòng)的工業(yè)上通用的動(dòng)力技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用是18世紀(jì)工業(yè)革命的第二階段。隨著紡織機(jī)和其他新的工作機(jī)的出現(xiàn)，要求動(dòng)力也要有所變革：工業(yè)革命起源于工作機(jī)的改變，發(fā)展于動(dòng)力機(jī)的革命。

動(dòng)力技術(shù)的變革首先發(fā)生于礦井排水的需要，在18世紀(jì)后半葉，英國的各礦井中已普遍使用早期蒸汽動(dòng)力——紐可門蒸汽抽水機(jī)。這時(shí)也有了對蒸汽機(jī)結(jié)構(gòu)和效率的實(shí)驗(yàn)研究，為蒸汽機(jī)的改進(jìn)提供了資料。而瓦特(1736-1819年）發(fā)明的新的蒸汽動(dòng)力機(jī)，是工業(yè)革命中最重大的事件。

瓦特原是格拉斯哥大學(xué)中從事儀器制作和修理的工匠。他在修理紐可門蒸汽機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種蒸汽機(jī)的效率很低，大約為1％，而且小蒸汽機(jī)的效率又比大蒸汽機(jī)的效率要低一些。瓦特根據(jù)比熱、潛熱的概念分析了上述現(xiàn)象，認(rèn)為紐可門蒸汽機(jī)的主要缺點(diǎn)是在汽缸內(nèi)反復(fù)進(jìn)行冷凝，把大量熱能浪費(fèi)于重新加熱汽缸，而小蒸汽機(jī)汽缸面積對汽缸體積的比例更大，因而效率更低。

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

瓦特開始改進(jìn)和研制的蒸汽機(jī)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(chǎn)中的動(dòng)力機(jī)。他經(jīng)過研究、試驗(yàn)，于1782年研制成功了具有連桿、飛輪和離心調(diào)速器的雙向蒸汽機(jī)，使蒸汽機(jī)可以把直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)檫B續(xù)而均勻的圓周運(yùn)動(dòng)。因而可以經(jīng)過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)一切機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，給整個(gè)工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)提供了一種可靠的通用動(dòng)力機(jī)。從此，動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)機(jī)、工作機(jī)組成了機(jī)器生產(chǎn)的系統(tǒng)。這是人類生產(chǎn)技術(shù)的一次重大突破，是認(rèn)識(shí)和利用自然力的一個(gè)大突破。

2.機(jī)械技術(shù)

18世紀(jì)工業(yè)革命的第三個(gè)階段，是開始用機(jī)器制造機(jī)器。紡織業(yè)和其他行業(yè)的工作機(jī)的創(chuàng)建，動(dòng)力機(jī)的革新特別是雙向蒸汽機(jī)的發(fā)明，為工業(yè)的發(fā)展開辟了巨大的可能性，而實(shí)現(xiàn)這種可能性又取決于機(jī)器制造業(yè)的水平和能力。否則，發(fā)明家即使把紡紗機(jī)、織布機(jī)、蒸汽機(jī)等設(shè)計(jì)出來并造出了樣機(jī)，卻不能成批地、合格地把它們生產(chǎn)出來，不足以使整個(gè)工業(yè)革命實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)資料的更新，工業(yè)革命仍不能實(shí)現(xiàn)。只有在可以做到機(jī)器生產(chǎn)機(jī)器的時(shí)候，大工業(yè)才有它的技術(shù)基礎(chǔ)。

18世紀(jì)以前，雖然有了用水力、畜力驅(qū)動(dòng)的簡單機(jī)械，大量的產(chǎn)品基本上是靠手工加工的，連生產(chǎn)中所使用的機(jī)械裝置也得用手工方法生產(chǎn)。紡織機(jī)靠木匠、鐘表匠、紡織工匠的經(jīng)驗(yàn)制成；早期的蒸汽機(jī)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(chǎn)量低、成本高，精度也差。

在制造蒸汽機(jī)、紡織機(jī)和槍炮的推動(dòng)下，18世紀(jì)末期的機(jī)械加工技術(shù)也有新的進(jìn)展。在制鎖、制槍支中開始實(shí)行了可以互換零部件的標(biāo)準(zhǔn)化方法。

英國機(jī)械師莫茲利(1771-1831年）于1794年發(fā)明了車床上的移動(dòng)刀架，于1797年制成了安放在鐵底座上帶有移動(dòng)刀架的車床。莫茲利把原來用手握持的刀具安裝在機(jī)架上并使之能沿著車床的中心軸線平行滑動(dòng)，這種自動(dòng)刀架車床可以方便、迅速、準(zhǔn)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(jī)器制造業(yè)自身的工作機(jī)。滑動(dòng)刀架這一簡單的發(fā)明是機(jī)械技術(shù)史上的重大創(chuàng)造，在19世紀(jì)中英國出版的《全國的工業(yè)》一書中認(rèn)為，滑動(dòng)刀架"對機(jī)器使用的改良和推廣所產(chǎn)生的影響，不下于瓦特對蒸汽機(jī)的改良所產(chǎn)生的影響。采用這種附件的結(jié)果是各種機(jī)器很快就完善和便宜了，而且推動(dòng)了新的發(fā)明和改良"。機(jī)械化操作的金屬切削機(jī)床可以用來制造各種行業(yè)的工作機(jī)和動(dòng)力機(jī)，也可以用來自己制造自己，是工業(yè)革命中名副其實(shí)的工作母機(jī)。它的出現(xiàn)標(biāo)志著機(jī)器制造業(yè)進(jìn)入到一個(gè)嶄新的階段。

3.其他技術(shù)

這一時(shí)期，歐洲各國在農(nóng)業(yè)、建筑、運(yùn)輸、礦冶和通訊等方面的技術(shù)也有所發(fā)明和改良。

農(nóng)業(yè)中，英國在18世紀(jì)出現(xiàn)了諾福克輪作制，發(fā)明了全鐵的輕犁、畜力條播機(jī)、畜力耕鋤、收割機(jī)、脫谷機(jī)、切藁機(jī)等農(nóng)具。建筑方面，對材料強(qiáng)度的研究和住宅房屋的設(shè)計(jì)都比以前有大的進(jìn)步，出現(xiàn)了拱的平衡理論和家庭火爐裝置。

運(yùn)輸業(yè)中已開始運(yùn)用蒸汽動(dòng)力的輪船，出現(xiàn)了港口和燈塔。工業(yè)化學(xué)制品在這時(shí)也有較大規(guī)模的生產(chǎn)，突出表現(xiàn)是用于金屬、漂白和染色工業(yè)中大量需要的硫酸和堿的大規(guī)模生產(chǎn)。

通訊技術(shù)中，已開始利用光信號(hào)和電進(jìn)行通報(bào)，為以后電報(bào)的發(fā)明開了先河。

這一時(shí)期的技術(shù)發(fā)明很多，社會(huì)的發(fā)展、人們思想的解放、科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段的進(jìn)步和理論的提高，都促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)本身的發(fā)展；而技術(shù)的發(fā)明和改良又為社會(huì)的進(jìn)步提供了巨大的動(dòng)力。