发明蒸汽机的瓦特

发明蒸汽机的瓦特

老骥伏枥，志在千里；烈士暮年，壮心不已。

——曹操

这是星期六的傍晚，英国格拉斯哥大学理学院的实验准备室。一阵急促的敲门声响起，约翰·安塔逊教授一反往日的文雅冲了进去并大声嚷道：“詹姆斯先生，詹姆斯先生。蒸汽机修好了吗？下周一，我还要向学生演示呢！”

实验准备室里空荡荡的，墙上的惠更斯振子钟“嘀嗒嘀嗒”不知疲倦地奔走着。虽然实验室各种仪器摆得到处都是，但仔细一看却又相当有条理。安塔逊教授的目光终于停在一台纽康门式蒸汽机模型上，只见这台1750年制造的蒸汽机模型擦得干干净净，个别损坏了的零部件已经修好。看见了修好的蒸汽机模型，安塔逊教授刚才还紧绷着的脸终于露出了满意的笑容。他刚要转身离去，准备室的门又被撞开了。

蒸汽机

旋风般冲进来的人正是安塔逊教授要找的机械技师詹姆斯·瓦特，瓦特兴奋地对安塔逊教授说：“安塔逊教授，我们可以通过实验改进这台蒸汽机，我找到了问题的要害！”瓦特兴奋异常地握着安塔逊教授的双手说道。

安塔逊教授望着这位年轻的技师，有点丈二和尚摸不着头脑了。他和瓦特堪称学业上的同道好友，一直配合得很默契。他坐下来倾听着瓦特的实验设想，瓦特侃侃而谈的神情使他沉入了回忆的海洋。

詹姆斯·瓦特，1736年1月19日生于苏格兰林诺克市的一个木匠家里。瓦特的父亲不只是一个熟练的木匠，还是一个技艺精湛的造船木工技师。在教会学校读书时，瓦特最喜欢物理和数学，他的物理和数学成绩之佳和其他科目成绩之差使好多老师和同学感到吃惊。瓦特的父亲十分崇拜牛顿，在家里挂着牛顿的画像，这使瓦特从小就萌生了做个像牛顿那样的人的愿望。

瓦特

瓦特的少年时代是在父亲的工厂里度过的，在那里他学会了操纵机器、使用工具，学到了作为一名精密机械工应掌握的技术。毕业后，家境贫寒，父亲无力让瓦特像贵族的孩子一样上大学深造，瓦特只好进了父亲工作的工厂做工。虽然没有上正规的大学，但对瓦特来说，这是最好的学校。这个工厂主要是制造船舶的装备以及制作船舶等所需要的各种小型木工器具。

从青少年时代起，瓦特就开始进行手工劳动，这种劳动无疑对造就这位未来的“蒸汽机之父”起了决定性的作用。瓦特的青少年时代正是英国机械工业迅速起步的时期，首先是纺织机械的发明和制造。1733年，英国一个钟表匠约翰·凯伊发明了飞梭，用飞梭的自动往返代替了手工投递，将织布效率提高了一倍多，并使布面加宽。不久，英国一个织工兼工匠哈格利夫斯发明了手摇纺纱机——著名的珍妮机。此外，当时英国已造出各种机床，其材质用钢铁取代了过去的木材，工业发展日新月异。

格拉斯哥大学

在母亲逝世后，瓦特来到格拉斯哥大学开始学习光学和力学。在完成了为期一年的学习之后，瓦特赴伦敦投奔到精密仪器制造者摩根门下，从他那里学到了许多知识，并很快就以精确无误和对本职工作的认真负责而远近闻名。

1763年，这是瓦特到格拉斯哥大学担任大学机械技师的第6个年头了。这次，格拉斯哥大学从伦敦买回一台纽康门蒸汽机模型供演示实验用，但经常运转不灵。瓦特受安塔逊教授的委托，修理这台纽康门气压蒸汽机模型。安塔逊教授心急火燎地从伦敦赶回来，就是因为他忘记告诉瓦特使用模型的准确时间了。在格拉斯哥大学，耽误了上课可不是闹着玩儿的。

在接触纽康门蒸汽机模型之前，瓦特对有关蒸汽机的知识知道的并不多。只是在两年前，他曾用帕平研制的蒸汽锅协助布莱克教授进行过高压蒸汽实验。蒸汽机模型一运到实验准备室，好奇心使从小就是机械迷的瓦特跃跃欲试，没等安塔逊教授吩咐，他就立即着手拆装和修理它了。半个多月来，蒸汽机迷住了瓦特，使他达到废寝忘食的地步。

下班后，瓦特回到格拉斯哥城郊大学公寓里久久不能入睡，满脑子想的都是纽康门蒸汽机。他拧亮了煤气灯，拿起白天从图书馆收集来的有关蒸汽机的资料仔细地阅读，他进入了蒸汽机的世界……

公元100年左右，埃及的亚历山大城有一位学者名叫希罗，他制造了一种按照喷射反作用原理动作的蒸汽发动机雏形。这种雏形是这样的：一个锅炉里产生的蒸汽通到中空圆球里，蒸汽从两个喷嘴喷射而出，喷汽的反作用使球回转。这种装置可以产生很大的旋转速度，但是产生的动力却很小，它很可能只是一种玩具。

1690年，第一部活塞式蒸汽机由法国人帕平在德国发明，他曾是荷兰著名物理学家惠更斯的学生和助手。在蒸汽机中应用汽缸和活塞这一思想是德国伟大科学家莱布尼兹提出的。帕平的蒸汽机是由装有活塞和连杆的竖式管子构成的。管子下部盛水，加热使水变成蒸汽，蒸汽推动活塞向上运动，活塞上行到顶部被插销固定住。移去热源，蒸汽冷凝，汽缸内形成真空。拔去插销，上部大气压迫活塞，使它向下运动，并通过杠杆提起重物。帕平的试验虽然没有成功，但他是第一个应用蒸汽在汽缸中推动活塞、第一个指出了蒸汽机的工作循环的人，他的试验为以后活塞式蒸汽机的发展开辟了道路。

杠杆

17世纪末，矿产品的需求量越来越大，矿井也越挖越深，这时，英国的许多矿井遇到了严重的积水问题，因为当时只有靠马力转动辘轳来排除积水。针对这一情况，英国皇家工程队的军事工程师塞维利大尉研制了蒸汽泵。这是一种没有活塞的蒸汽机，尽管该机燃料消耗很大，也很不经济，但它是人类历史上能实际应用的第一部蒸汽机。

1705年，英国铁匠纽康门综合前人的技术成就，设计制成了一种更为经济的气压式蒸汽机。它实现了用蒸汽推动活塞做一上一下的直线运动，每分钟往返12次，每往返一次可将45．5升水提高到46．6米。当时的纽康门蒸汽机主要用于深矿井排水。

1712年以后，英国大部分矿井都安装了纽康门蒸汽机。在英国北部，许多较深而被水淹没的矿井，由于使用了纽康门蒸汽机而摆脱了濒临绝境的危险。

然而，纽康门蒸汽机也不是完美的，它有重大的缺陷，这种蒸汽机不仅效率低，做功时需要大量的燃煤，而且只能做简单的往复运动，因而其使用范围受到限制，人们渴望获得新型的蒸汽机。

瓦特边看边琢磨，越琢磨越睡不着觉了。看来，为了弄清这台蒸汽机的工作原理，他又要开夜车了。

第二天，瓦特立即着手工作。首先，他开始研究纽康门蒸汽机的动作方式，分解其动作步骤。锅炉产生的蒸汽进入汽缸内，活塞被压起。接着通过向汽缸内喷水，使其冷却，让蒸汽凝缩，制成真空。这样，施加在活塞上的大气压将其压下，与活塞杆相连接的泵的活塞被拉起，就可以从矿坑内吸上水来。瓦特注意到，在蒸汽机锅炉里产生的蒸汽量只够活塞几次工作所用，然后，机器需要等候锅炉将蒸汽积蓄起来才能重新开始工作。通过进一步观察研究，瓦特又发现，用蒸汽加热汽缸再用水冷却是不合理的。汽缸由热变冷，再由冷变热需耗费很多时间。怎样才能保持汽缸的原有热量，还能使蒸汽凝缩呢？瓦特苦苦地思索着这一问题，很长时间没有得到答案。这使他茶饭不思，打不起精神来。

锅炉

格拉斯哥大学是个美丽的大学，校门外，左边是一大片绿草如茵的平地，右边是一个波平如镜的小湖。一天，瓦特漫步在草坪上，不时地把目光投在天空中远去的白云，若有所思。突然一个奇异的想法涌上脑际，这个想法仿佛是打开问题的钥匙，好像是上帝给他送来的及时雨似的。突如其来的灵感让瓦特豁然开朗：蒸汽是有弹性的物体，所以，可以使其进入真空，如果将汽缸和排汽容器相连接的话，蒸汽就可以进入容器内，这样无需再冷却汽缸，蒸汽就可以冷缩，同样可以完成纽康门蒸汽机的工作。

瓦特走出了重要的一步，他从设计思路上解决了蒸汽机的关键技术问题。难怪他跑到实验准备室时兴高采烈、手舞足蹈，一反他平素的态度。经历多次实验和修改，问题终于解决了。蒸汽并不需要直接在汽缸里凝聚，而是在与汽缸相连接的另一个容器里凝聚。瓦特发明了冷凝器，在科技发展史上奠定了蒸汽机实用化的坚实基础。不久，他又设想将汽缸两端加盖封闭起来，这样就可以实现蒸汽机的二冲程运动，将二冲程直线运动转变成循环圆周运动就容易多了。巧妙的设想为瓦特打开了走向成功的大门。

每个人都有很多美好的理想，然而实现这些理想需要克服难以预料的困难。没有克服困难的坚强意志，再美好的理想也只能是纸上谈兵。瓦特的伟大就在于他不断地克服困难，促使理想走向现实。

在瓦特生活的那个时代，英国的工业界很少有人能够按照复杂的机器图纸准确无误地加工各种机器部件，甚至连加工常用的机床也还不很精确。按照瓦特设想制造的蒸汽机样机以失败告终，这使得瓦特一贫如洗。瓦特为了完成自己的设计几乎变卖了所有值钱的东西。

瓦特的设计一次又一次地失败，但他并没有灰心气馁，他顶着别人的嘲笑，为完善自己的发明继续孜孜不倦地工作着。

通过好友布莱克教授的介绍，瓦特结识了发明镗床的技师维尔金森。这位技师被瓦特苦心钻研的精神感动了，他决定帮助瓦特，用他拿手的镗炮筒的技术来为瓦特加工汽缸和活塞，这就解决了蒸汽机的漏气问题。

瓦特又向胜利迈进了一步。维尔金森加工的汽缸和活塞可谓无与伦比，它使瓦特又越过了一道技术难关，终于制成了第一台新型蒸汽机样机，这台样机运行正常，达到了设计的要求，获得了一致的好评。

瓦特并没有满足于眼前的成绩，经过一段时间的休整，他又投入到了新的研制工作中。这项新的研制工作需要解决许多技术难题，然而幸运的是，瓦特找到了一个重要的合作者——威廉·默多克，这使瓦特如虎添翼，研制进度骤然加快。默多克是一个高级机械加工技师，什么东西到了他的手里，都会变成你想要的样子。他既能解决技术难题，又富有很强的进取心，常常为了工作而忘记一切。

早期的蒸汽机车

1785年圣诞节的晚上，格拉斯哥城到处都沉浸在节日的气氛里。瓦特心里惦记着尚未完工的蒸汽机，跑到了试验车间。穿过工厂院子时，瓦特看到车间窗子透出了灯光，原来是车间主任默多克在加班。默多克工作认真，从来不愿拖延工作，即使圣诞节也不例外，他到工厂加班是为了连夜加工安装伦敦抽水站的机器零件。

两个人很快就把加工机器零件的工作做完了，这时，瓦特又走到制图板前面。

“请过来，默多克！”

默多克走近制图板。

瓦特画了个汽缸。

“我想使蒸汽从两端进去推动活塞，从上面关闭汽缸，并把蒸汽输送到这里，对此您是怎么看的呢？”

默多克没做声，瓦特接着又往下画。

“现在汽缸活塞是上下直线运动，我想通过连在大轮上的一个轴改变直线运动。瞧，就是这样！用这样的方法我们可以变直线运动为循环运动。大轮的惯性推动活塞通过死点，就是这儿。”他演示着，“您看如何，默多克？”他又接着问。

“就是说需要做一个新样机。”默多克回答。

“毫无疑问。”瓦特用肯定的语气回答，他又接着问，“什么时候开始？”

“立刻。”默多克回答得很干脆。

轴承

“立刻……那好吧，立刻。”瓦特兴奋得有点语无伦次。

瓦特以狂热的激情投身于工作。他浇铸铜锭、锻造铜件、为汽缸钻孔，接着又车活塞、轴和轴承。原来设计的机器还未竣工，新的样机又开始投入研制，这就是瓦特的性格。

默多克忙个不停，把炉火烧旺，擦净铸件，开动机床，站在他身旁的瓦特感到吃惊：身材魁梧的默多克竟然能干出如此精细、准确的活儿。一旦投入工作就始终不渝，这是默多克的脾气。

4个星期之后，新样机面世了，就差试车这一关。一切就绪以后，瓦特用他那因激动而颤抖的手缓缓地拧开了通向蒸汽机的导气阀。工作状况正常，一切达到预期的效果。瓦特和默多克4只沾满油泥的、乌黑的手紧紧握在了一起，成功的喜悦鼓舞了瓦特和默多克。

螺母

瓦特开始向带自动调速器的蒸汽机进军，他要彻底完善他的蒸汽机。瓦特不是一个说空话的人，他总是默默地工作。所有机器的重要部件他都要亲自参与制造：他既是设计师，又是翻砂工；既是车工，又是钳工。每一道工序和每一个细节都留下了瓦特的辛劳和汗水。

默多克永远追随瓦特，他领着10多个格拉斯哥技术最好的工人同瓦特一起工作。经过1年多的努力，机器逐渐安装好了。终于，瓦特拧好了最后一个螺母，接着干脆把扳手扔到一旁。然后，长长地吸进了一口气，又徐徐地吐了出来。

“哎，默多克，要是我们现在有蒸汽该多好啊，那我们就可以当场试验这台机器了。”

“有蒸汽。”

“现在，深更半夜？”

“是的，只要点上火，不消一刻钟我们就会得到所需要的蒸汽压力。”

沉默寡言的默多克说完这句话，带着几个工人出去了。静悄悄的车间里，瓦特独自一人面对着机器陷入了回忆的思绪之中。他回想起生养他的苏格兰林诺克小镇，想起爸爸繁忙的造船小工厂，想起在机械加工专家摩根门下的学徒生活，更想起妻子米拉的热心支持和鼓励，这些给了他太多帮助和鼓励了。

没过多久，默多克回来了。

“詹姆斯，一切都准备好了。试车吧！”

瓦特把手放在进气阀门的开关上，此刻，他有一丝胆怯了，假如此时上帝有意要和他的蒸汽机作对，假如设计中有错误而被忽略了，假如汽缸壁和调速轮等部件上出现难以发现的裂纹，那该如何是好呢？一时间，一向果断、刚毅的瓦特显得有些缩手缩脚了。

阀门

现在，只要转动阀门的开关，高压的蒸汽就会猛力地冲入汽缸，要么失败，要么成功，瓦特准备好了，最后，瓦特坚定地转动了开关手柄。随着一声震耳欲聋的巨响，高压蒸汽进入了汽缸。透过汽缸缝隙冒出了吱吱作响的气雾，瓦特凝视着脸色铁青的默多克，工人们也屏住了呼吸。几分钟之后，蒸汽笼罩了整个机器和试验车间，灯光显得更加暗淡微弱了。瓦特觉得他的心快要从嗓子眼里跳出来了，机器依旧纹丝不动。

透过气雾，他看见默多克已开始调整调速轮。终于，活塞开始上下缓慢地运动，吱吱声中断，接着活塞开始加速运动。通过曲柄和连杆的作用，一进一退的直线运动正在变成缓慢而平稳的转动。

瓦特僵直地立在地上，嘴里像是被棉花堵住了似的，吐不出来又咽不下去，他被自己创造出来的机器迷住了。

默多克想用手使劲将调速轮刹住，但是轮子却把他的手推向一旁。他急了，使出全身的力气和几个身强力壮的工人想将调速轮刹住，但仍然做不到这一点。“这就是力量！”他大声地叫道。

瓦特兴奋地点了点头。工人们欢呼起来，叫喊着跑出了车间。

蒸汽火车

“它的力量还可以加大，以后到处都可以用它。我想，有一天人们可以把机器安在马车上，不必套上马，车子就可以跑起来。或者将它安在航船上，逆风无帆，船儿也能漂洋过海，遍游四方。同时，它可以大大地减轻工人的劳动，给他们带来更多的闲暇时间。对此，你认为怎么样，默多克？”

“到那时，全世界就会变得更美好，亲爱的詹姆斯。这不正是你一直所希望的吗？”

两位老搭档畅想着未来，憧憬着蒸汽机将给人类带来的益处。这时，太阳已悄悄地露出了笑脸，仿佛在祝福这一对科学开拓者。从这一天开始，一个震撼文明世界的“蒸汽时代”开始了。

1784年，瓦特旋转式蒸汽机一出现就立即被用到了采矿、纺织、冶金、机械加工等各行各业。它在很短的时间内改变了人类的生产方式，极大地提高了劳动生产率，促使传统的手工业工场向机器大工业迅速过渡，直接促进了社会变革。