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世博會(huì)的科學(xué)傳奇趙致真 著
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第三章：
蒸汽機(jī)的凱歌
也許只有蒸汽機(jī)的發(fā)明可以和火的使用相提并論，蒸汽機(jī)將火變成“力”，從此根本改變了人類在自然界的地位。當(dāng)我們不再靠著自身和家畜肌肉收縮的微薄力量從事生產(chǎn)活動(dòng)，并且變得越來越“力大無窮”時(shí)，征服自然的雄心和創(chuàng)造財(cái)富的激情便與日俱增了。工業(yè)革命的大幕是在蒸汽機(jī)的轟鳴聲中徐徐拉開的。
1851年倫敦首屆世博會(huì)上，琳瑯滿目的蒸汽機(jī)便成了水晶宮的寵兒和展覽品的大宗。從早期的瓦特蒸汽機(jī)到伊萬斯的高壓蒸汽機(jī)，一個(gè)巡禮式的回顧展吸引了各國工程師和參觀者。水晶宮西北46米外，是世博會(huì)的動(dòng)力房，8個(gè)鍋爐共800馬力，通過直徑22厘米的地下管道將高壓蒸汽送到機(jī)械展覽區(qū)。聞名遐邇的內(nèi)史密斯公司展出了最新式的蒸汽錘和水壓機(jī)。林林總總的起重機(jī)、紡織機(jī)、印刷機(jī)、脫粒機(jī)、信封機(jī)、車床、圓鋸在蒸汽機(jī)的驅(qū)動(dòng)下現(xiàn)場演示，各展風(fēng)姿。齒輪的鏗鏘和皮帶的節(jié)奏正是工業(yè)時(shí)代的旋律。
1851年倫敦世博會(huì)上阿爾伯特親王參觀《倫敦新聞》印刷機(jī)
1851年倫敦世博會(huì)蒸汽機(jī)帶動(dòng)各種機(jī)械
1867年巴黎世博會(huì)獲大獎(jiǎng)的法考特蒸汽機(jī)
瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)曾經(jīng)成為家喻戶曉的常識，但恩格斯的見解顯然更準(zhǔn)確，“蒸汽機(jī)是第一個(gè)真正的國際發(fā)明”。且不說古希臘人和達(dá).芬奇所做的探索，法國科學(xué)家巴本和英國工程師塞維利應(yīng)該是蒸汽機(jī)的先驅(qū)。1712 年，英國鐵匠紐可門制造的人類第一臺實(shí)用蒸汽機(jī)風(fēng)行了半個(gè)多世紀(jì)，主要用于礦井抽水。當(dāng)鍋爐里的水變成膨脹1600倍的蒸汽充滿汽缸后關(guān)上閥門，再通過噴水的辦法讓汽缸冷卻造成真空，大氣的壓力便能推動(dòng)活塞做功了。但氣缸每一沖程的忽冷忽熱造成了能量極大浪費(fèi)。1769年，格拉斯哥大學(xué)的儀器修理工瓦特對紐可門蒸汽機(jī)進(jìn)行了根本性改造，設(shè)置了分離冷凝器，確保氣缸在恒定溫度下工作，使熱效率提高6倍。此后10年間瓦特鍥而不舍，先后5次對蒸汽機(jī)進(jìn)行完善，通過行星齒輪和慣性飛輪將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；使用平行四邊形運(yùn)動(dòng)桿，讓氣缸單向做功變?yōu)?#8220;兩頭受氣”的中國風(fēng)箱式雙向做功；利用炮筒鏜床精密加工減少漏氣并安裝鍋爐壓力表；通過離心調(diào)速器的負(fù)反饋?zhàn)饔每刂七M(jìn)氣閥門，保持蒸汽機(jī)穩(wěn)定的輸出——這是機(jī)械工程中自動(dòng)控制的最早嘗試，具有特殊的理論和實(shí)踐意義。
紐可門蒸汽機(jī)
瓦特蒸汽機(jī)
蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)紡織機(jī)
“馬力”的概念是瓦特“科普思維”的產(chǎn)物。為了向人們說清一臺蒸汽機(jī)到底多大“力氣”，應(yīng)該有個(gè)形象的類比和換算，而最合適的參照顯然是馬了。瓦特測量了一匹馬在標(biāo)準(zhǔn)磨坊里走一圈為75.4英尺，每分鐘走2.4圈，負(fù)荷平均為180磅，計(jì)算后得出“馬拉動(dòng)33000磅并每分鐘走1英尺所輸出的功率”為1“馬力”。1882年，西門子提議將功率單位定為瓦特并沿用至今。蒸汽機(jī)的研究和改進(jìn)直接誕生了“熱力學(xué)”，人們再不把“熱素”當(dāng)作“金木水火土”中的一種物質(zhì)，并且發(fā)現(xiàn)了水在汽化和液化過程中吸收和放出的“潛熱”，不同物質(zhì)升高1度的“比熱”。每個(gè)時(shí)代的思考只能被那個(gè)時(shí)代所思考著的事物所決定，法國科學(xué)家卡諾提出了熱力循環(huán)理論，焦耳、開爾文、克勞修斯確立了熱力學(xué)第一、第二定律，都是大規(guī)模的蒸汽機(jī)實(shí)踐催開的科學(xué)理論之花。
蒸汽機(jī)家族的最高禮遇和最大榮耀，也許莫過于“主宰”1876年費(fèi)城世博會(huì)了。美國工程師考里斯制造的蒸汽機(jī)早在1867年巴黎世博會(huì)和1873年維也納世博會(huì)上便聲譽(yù)鵲起并連獲大獎(jiǎng)，這次他向費(fèi)城世博會(huì)捐贈(zèng)了世界最大的1400馬力蒸汽機(jī)，重56噸。比肩聳立的雙汽缸高14米，巨型飛輪直徑9.1米。5月10日下午，10個(gè)足球場大小的機(jī)械館萬頭攢動(dòng)，唱詩班、軍樂隊(duì)過后鳴炮100響，美國總統(tǒng)格蘭特和巴西皇帝佩德羅二世由考里斯陪同登上機(jī)械館中央5米高的平臺，共同握住考里斯蒸汽機(jī)的手柄，啟動(dòng)了這個(gè)龐然大物，宣告費(fèi)城世博會(huì)正式開幕。剎時(shí)間全館大大小小的無數(shù)機(jī)器一齊“醒來”，它們的能量全都來自考里斯蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)公里連桿和皮帶上。在世博會(huì)舉行的6個(gè)月里，考里斯蒸汽機(jī)的飛輪始終按照每分鐘36轉(zhuǎn)的速率“靜悄悄”運(yùn)行，聲音甚至比縫紉機(jī)還輕，一個(gè)值守人員坐在機(jī)器旁悠閑地看報(bào)，直到11月10日總統(tǒng)宣布世博會(huì)閉幕的一刻才戛然停息?？祭锼拐羝麢C(jī)是機(jī)械館不倦的“心臟”，也是整個(gè)世博會(huì)不滅的“火炬”，許多報(bào)紙稱它為美國力量和技術(shù)的化身，音樂家專門譜寫了《考里斯進(jìn)行曲》，著名詩人惠特曼被考里斯蒸汽機(jī)的魅力所深深感染，他特地搬來一把椅子，坐在這位“鋼鐵運(yùn)動(dòng)員”前面細(xì)細(xì)端詳半小時(shí)之久。
1873年維也納世博會(huì)考里斯蒸汽機(jī)用皮帶連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)器館
美國總統(tǒng)和巴西國王開啟1876年費(fèi)城世博會(huì)考里斯蒸汽機(jī)
1876年費(fèi)城世博會(huì)的重要貢獻(xiàn)之一，是確定了“鍋爐馬力”的“先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)”。此前蒸汽機(jī)行業(yè)將鍋爐的功率定義為每10平方英尺受熱面積產(chǎn)生1鍋爐馬力，不能很好反應(yīng)鍋爐的真實(shí)效率，費(fèi)城世博會(huì)評委們制定了新的標(biāo)準(zhǔn)，將鍋爐馬力定義為 “每小時(shí)把30磅100華氏度的水轉(zhuǎn)化為1平方英寸70磅壓力的飽和水蒸汽”。世博會(huì)的鍋爐房堪稱樣板，20個(gè)整齊排列的鍋爐每個(gè)70馬力，通往展區(qū)的地下管道長100米、直徑46厘米。有了強(qiáng)大高效的鍋爐，蒸汽機(jī)才能有足夠的“底氣”。
蒸汽機(jī)帶動(dòng)形形色色、千差萬別的機(jī)器一起工作，正是社會(huì)生產(chǎn)的寫照和縮影，凡是“力氣活”蒸汽機(jī)都能干。無數(shù)紡織廠、鋼鐵廠、木材廠、造紙廠、印刷廠不再需要臨河而建，吱呀作響的水輪讓位給高效的蒸汽“座機(jī)”，而移動(dòng)式和便攜式蒸汽機(jī)則服務(wù)上門，完成著挖掘、起重、鉆探、消防等任務(wù)。過去幾十匹馬編隊(duì)都無法拉動(dòng)的犁鏵，如今把千里荒野變成了“被開墾的處女地”，“讓布法羅草原化為美國的早餐”。收割機(jī)、脫粒機(jī)、軋花機(jī)紛紛來到了田頭地角。這是一個(gè)水火激蕩、蒸汽鼎沸的年代，1888年，美國已經(jīng)擁有蒸汽機(jī)1440萬馬力，英國擁有920萬馬力。人類文明從來沒有出現(xiàn)過如此的急劇轉(zhuǎn)折和驟然加速。
1867年巴黎世博會(huì)展出的蒸汽機(jī)農(nóng)業(yè)機(jī)械
1873年維也納世博會(huì)展示蒸汽機(jī)抽水
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