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1、机械蒸汽机革命第一个利用蒸汽力的人最早发现蒸汽的力量，并且利用这股力量制作出了第一台利用蒸汽力的 器具的发明人，人们一致认为，要上推到公元 60 年前后的古希腊工程师希 罗。希罗是一位工程师，他对机械学有许多卓越的认识和杰出的创造，使现代科学家都感到叹服。希罗最著名的发明是用蒸汽推动的空心球。空心球是用铜做的，上面连着两个空心的、方向相反的弯管，把这个空心球卡在连通着蒸汽的管道上，当球下面的器皿里的水烧沸腾起来的时候，蒸汽进入那个空心球，然后从装在空心球上的两根弯管的管口喷了出来，因为两个管口的方向相反，两股相反的力形成一股扭力，这股扭力就会推动着空心球不停地迅速转动。这是人类最早发明的将蒸汽
2、力转变为一种运动的方法，用人们的现代科技名词来表述，它可以称得上是早期的蒸汽机。希罗还曾经利用这种蒸汽能推动物体转动的原理，制造了一种能转动的女神，当人们点燃殿前的蜡烛时，人们就放出蒸汽，推动着女神围绕着她的神座转动一圈。同样的道理，也可以在信徒们要想进入神殿的时候，只要提供一些供品，躲在暗处的僧侣就会开启蒸汽的通路，神殿的大门也会转动着打开，仿佛有一种看不见的神奇力量在开启大门似的。当然，在希罗的那个时代，他发明的蒸汽空心球，不过是当作娱乐的一种玩具，而那种用蒸汽去推动女神转动或神殿大门开启的创造，只不过供给僧侣们用来骗取虔诚的信徒们的供奉罢了。在奴隶时代的那个社会，有谁会去想到利用这种非动
3、物界蕴藏的力量去做工，用来代替奴隶们进行的繁重而痛苦体力劳动呢！幸喜希罗对自己的发明和研究，写了几本著作，其中一本名叫压缩空气的理论和应用，在这本书里，希罗描述了虹吸、蒸汽装置、硬币操纵的机器，一种救火器和一种水琴。使人们看到了希罗的才智。根据希罗在书中的描述，人们画出了利用蒸汽推动神殿大门的示意图： 在祭坛的 A 上点着火，使祭坛内部的空气压力增加，挤压着空心球 B 里贮藏 的水通过水管流入水桶 C，当水桶的重量渐渐增加而向下沉坠时，就会拉动 盘绕在殿门旋转轴 D 上的绳子，绳子被拉动时带着旋转轴回转，殿门于是缓 缓打开。当祭坛的火熄灭以后，空气的压力恢复正常，安装在旋转轴下方的配重 E 就
4、会下坠，同时拉动着以相反方向绕着的绳，使旋转轴朝着相反的方向转 动，殿门又徐徐关闭。这一切，联系得是多么巧妙，又是多么的隐蔽，前来敬奉神明的虔诚信徒，怎会想到它是由在祭坛上点着的火来操纵的呢？！至于希罗发明的那种会转动的空心球，也并不是一点用处也没有。这也是一个很巧妙的设计，而且它并不一定要靠蒸汽来推动，只要受到内部流体力量的冲击，就能转动。现在已经根据这种原理制造出一种可以旋转喷水的喷灌器，而用于驱使喷灌器的喷头转动的那股动力，已不是蒸汽的力，而是有压力的水流。当你走到公园的草坪上，看见喷灌器的喷头在旋转着绕着圆圈喷水的时候，不妨留住脚步仔细地观察一下它的结构，想一想它的基本原 理竟是在大约
5、 2000 年前，一位名叫希罗的古希腊学者发明的，那个时代还远 远没有建立物理学的理论体系哩！至于要想具体问一问希罗究竟是哪个世纪的学者，我们不能回答得那么准确，因为历史并没有准确的记录，人们只是根据他在一本著作中曾经记载 了一次月蚀，而这次月蚀在公元 62 年时在希罗生活的亚历山大城可以观察 到，人们由此推断，希罗大概是公元 20 年左右出生的。萨弗里蒸汽车历史进入了 18 世纪，在英国，由于炼钢的需要，英国的森林几乎都要被 砍伐光了，但是企业家们对燃料的需要仍旧十分迫切，这时人们发现，幸亏 英国的地底下蕴藏着丰富的煤，一时之间，矿业主们纷纷投入资金和设备去 大力开采地下的煤矿。煤矿的开掘越
6、挖越深，从矿井里渗透出来的地下水使矿主们伤透了脑筋。因为为了将矿井里的地下水排除出去，不得不动用马拉动辘轳或者戽斗 去把地下深处的水提上来，有的矿井要用 500 匹马来干这种活，想想看，这 要耗费多大的费用。精明的矿主一合算，觉得自己开采煤矿所得的那点赢利， 付出高昂的排水费用以后，剩下来的就不多了。在这样的背景下，社会迫切需要找到一种能代替马力去排水的其他办法，这时，当然就会有人开动脑筋去寻求。17 世纪的德国物理学家葛利克，于 1650 年化了两万美元制造了第一台 抽气机，在当众进行表演的时候，他曾说，只要能够制造出真空的装置，大 气压力就会创造出奇迹来。但是用手工气压泵来制造真空的装置，
7、既费力， 也太费时了。有没有比较简便而又省力的方法制造真空呢？这个问题一直萦绕在一位名叫萨弗里的工程师的脑际。 萨弗里是英国皇家工程师队的大尉军官，1650 年出生于康沃尔，那里是出产铜矿的地方。萨弗里在那里亲眼目睹了矿工们在开采铜矿时遇到的困难：当矿井掘到一定深度的时候，地下水就会不断地渗透出来，涌满了整个坑道，矿工双腿都没在冷水中操作。为了排出坑道的积水，当时只有采用根据葛里克提出的真空提水的水泵用手压泵造成真空的办法提水。然而，采用这种方法提水，并不能一次就达到将水提到所需要的高度，而需要在几个高度安装几台水泵，接力提水，可以想象得到，要想在狭窄、黑暗的坑道里安装几台水泵，它的难度肯定很
8、大，费用也是很可观的。于是萨弗里想到，手压水泵为的是要造成能使大气将地下水挤压上来的真空，而充满蒸汽的容器在冷凝以后，不是同样可以得到真空吗？这样不就同样可以达到利用大气的压力将近地下水挤压到形成真空的管道里去了吗？他设计发明了一种利用蒸汽的抽水机。这台蒸汽机的工作原理，简单地 说，是这样的：锅炉 B 里的水烧开以后，蒸汽从上面的管道送出，通过汽桶 T，蒸汽挤压着汽桶里的水从通向上方的 P管中排出，待汽桶 T 里的水排空， 蒸汽又冷凝以后，汽桶 T 变成真空状态，大气压力就会挤压着地下水从通向 下方的 P 管中涌上来，将汽桶 T 灌满。在这种循环的过程中，从锅炉 B 到汽 桶 T，连通的管道有
9、一阀门，可以启开通入蒸汽，也可以关闭不让蒸汽进入。而与汽桶 T 相通的 P 管和 P管，则都有一个单向阀门，只能让水流进和流出。 萨弗里发明的这种机器，原理和构造都比较简单，但却同时利用了两种力量：利用蒸汽的张力把水送出去，利用大气的压力将水从地下提上来。当然，萨弗里真正投入生产的蒸汽机比这个原理图要复杂得多。 萨弗里将自己发明的机器模型，于 1698 年夏天在汉普顿宫呈献给威廉三世。他将自己发明的这种机器称为“矿工之友”（实际上，将它翻译为“矿业主之友”会更合适些，因为受益的实际上是矿业的主人即企业家们）。萨弗里在他的专利申请书中，用带有浓厚的宣传色彩的语言介绍自己的发明及动机，他写道：致英
10、格兰矿业界诸位企业家先生：我很能体会，诸位中有很多位仍把我所发明的，用火的推进力来提升地下水的方法看成是一种无用的设计，而且认为这样的发动机完全不能在地下使用，也不能用来提升和排除你们矿井中的积水，也就不配受到你们的任何鼓励。这种看法绝不符合我进行这一发明的意图，也不符合我的抱负。我不希望自己背着一个投机创办人的坏名声，所以特此呈献我的机器草图一份，列举出它的种种用途，以便你们可以考虑决定它到底是否值得费你们一些事来利用它 对于排除矿井和煤坑中的积水，只要采用这种发动机，它就可充分表现出自己是能够提升水的，不但简便易行而且节省费用。我不怀疑，几年之内，它将使矿业的生产，达到今天效率的两倍，如果
11、达不到三倍的话，从而矿业的生产成为我们王国中不可低估的一部分财源。再说，当前我们王国大量出口的铅、锡和煤，是在花费了大量的排水开支和矿工们忍受了一言难尽的排水痛苦和困难的情况下才取得的，那么，只要一旦采用了这种在各个方面都适于矿井需要的发动机，开支大大节省，效率大大提高，矿业的出口量岂不将大大提高吗？萨弗里是很擅于进行宣传鼓动的，他认为，自己的这项发明可以有多种用途：用来抽干沼地，排出矿井中的积水，供给城市和人们的用水、扑灭火灾、推动磨轮等等。加上他为自己发明的蒸汽机的名字起到很能引起矿业主和矿工们的好感，他对自己专利的申请又写得是那么入情入理，富有诱惑力，于是首先被矿业主在矿井上使用。首先是
12、应用在康沃尔郡的一个铜矿里，后来又被用在斯塔德耶郡的一个煤矿里。使人感到失望的是，萨弗里的“矿工之友”在实际应用的过程中，并没有达到他所表白的那样高的效率。它并不能将水升到矿井中所需要的高度，又因为它没有安全阀的装置，而如果将蒸汽的压力再加大一些，又很容易造成锅炉团承受不住这么大的压力而发生爆炸。可在当时的条件下，人们又还没有找到具有足够耐压力的材料和高超的技术来制造出耐压的锅炉，又缺少测量显示出锅炉内压力的装置，可以及时预防，保证安全。再者它的锅炉受热面积太小，在冷凝过程中造成的燃料浪费十分严重，如果用它来给城市居民供水，费用又太昂费，所以，“矿工之友”蒸汽机只用在有的花园式私人住宅中进行装
13、饰性喷水，因为这不需要很大的功率，提升的高度也不大，效果还可以。不过，萨弗里也有属于他自己的创新他在蒸汽锅炉上安装了量水旋塞，可以用它观察到锅炉中的水位。那么，萨弗里在蒸汽机的这段科技史中有什么意义呢？英国科技史家贝尔纳认为：“萨弗里的发动机工作起来有不少实际缺点，但它主要的价值乃在于表明用蒸汽动力提水这个问题是能够付诸实践的。”因为，不管怎样，当时萨弗里的蒸汽机确实被有的矿业主所采用，是首先将蒸汽机实际应用于生产并走向社会的发明。而且，从萨弗里的申请中我们可以看到，萨弗里当时已经预见到应用蒸汽机的重要性和可能性；而且认识到采用这种动力去干繁重而又连续不断的工作，对于抽干矿井中不断涌出的地下水
14、来说，具有多么大的优越性，这都是一种很了不起的思想。纽科门蒸汽机由于萨弗里的蒸汽机具有不少缺点，例如它动作缓慢，抽提水的高度和数量有限，还需要人在那里不断地定时启闭阀门；而且既没有压力计来测量锅炉里的压力，又没有调节装置例如减压阀之类来减少压力，因而存在着实际的爆炸危险性，所以它的推广有限，这种状态势必激励着其他的人来对蒸汽机进行创新、改良。成果之一，就是导致了纽科门蒸汽机的出现。 纽科门出生于 1663 年，是一位小五金商和铁匠，一般都认为他没有受过专门的教育。根据曾以对蒸汽机有过研究的罗比森的记载，说纽科门在发明 研制他的蒸汽机的过程中，在 1702 年前后，他曾经和当时英国的物理学家胡
15、克通信，讨论是否可以根据帕潘提出的蒸汽冷凝以后可以形成真空的理论， 利用它与大气压力的压力差这个特性，将它作为一种获得动力的手段。据说 胡克曾经回信告诉纽科门说：“如果你能在你的第二汽缸中造成快速真空， 那你就大功告成了。”但据考证认为，除了罗比森曾经有过这样一段记载以外，在其他人的著作中都没能再找到关于胡克曾经对纽科门的发明进行过讨论的根据，也就是说，在当时的英国史学界，一般不大愿意承认或相信作为铁匠出身的纽科门，他的发明与曾经作为大科学家的胡克之间，有过什么交往。 尽管如此，纽科门还是和他的朋友卡尔合作，于 1705 年或 1706 年发明了他自己的蒸汽机。卡尔也只不过是一名小制造商和装配玻璃的工人，但也有
