拯救煤矿

狄德罗在《百科全书》中对“机器”一词的定义是：任何用以扩大和引导动力的事物。

机器并不能代表人类所有的发明，这些发明大致可以分为两类：一种是技巧性机器，它能快速、精确、规律、不知疲倦地取代人的技巧和力气，比如钟表、印刷机和纺织机；一种是动力性机器，以无生命动力源取代有生命的动力源，这里最值得注意的是将热转化为功的机器，它几乎能为人们提供无穷无尽的能量。另外，可媲美人类发明的是对新材料的发现，这意味着人类可以利用新的原料，主要是矿物，而它们储量丰富。

在传统经济中，人即使不是唯一的动力来源，也是主要的动力来源。人体肌肉的力量构成古代社会的主要动力。特别是在中国，因为人力资源廉价，人力成本远低于畜力甚至水力和风力成本。

人是一种很脆弱的动物，与很多动物相比，人类的身体并不强壮。一个人可以产生的持续动力只有0.1马力左右；在极短的时间内，或许可以达到1马力。可以说，古代社会的主要推动力，永远是人类那微不足道的0.1马力。

在传统时代，大工程并不太多，这往往需要无数人或者几代人的辛苦劳动。比如修建胡夫金字塔用了10万人20年之力；修建秦始皇陵则用了39年，“刑徒七十万，起土骊山隈”。

在自然条件下，古人尽管使用了很多提高效率的工具和机器，但动力源本身依然是非常有限的。从18世纪开始，在棉花革命的带动下，造纸、榨油、印刷、制铁等行业的机器革命也迅速发展起来，但最后都遇到了动力瓶颈。

工作机革命必然向动力机革命迈进，一场动力和能源革命迫在眉睫。

相比古代中国而言，中世纪欧洲在动力技术上远远走在了前面。

在罗马帝国和中世纪前期，欧洲还有大量的划桨奴隶。但到了中世纪后期，风力、水力和畜力得到广泛使用。特别是风力和水力，为人们打开了制造动力机的思想源泉。这种动力远远大于人力和畜力。同时，这些原始的动力机大大锻炼了人们制造机器的创造力和工艺水平。

在中世纪，风力和水力驱动的磨坊里的磨粉机，几乎是众所周知的唯一一种工业机器。风力和水力属于自然动力，本身不需要成本，但缺点是受自然环境的限制。马力很早就用于矿井排水，但它几乎与人力一样昂贵。按照亚当·斯密的说法，养1匹马的成本，足以养活8个工人。

可以这样说，棉花革命完全是水力机时代的产物。不过，水力机迫使工厂不得不设在水流量大的河流旁边，工业因此被禁锢在边远的局部地区，这些地区一般交通都很不便。这个时期一直延续到19世纪初，才被蒸汽机时代取代。

一切机器的目的都是解放。如果说水力机解放了人力，那么蒸汽机就解除了地理限制，使工业获得了自由。

近代世界一个最大的特征就是在科学技术支持下的工业化。一个没有工业的农业社会只能是古代的。所谓工业，则起源于动力革命。

机械自古就有，如双手操作的织布机。这些机械属于手臂的延伸，离开人的双手，机械就不能转动。随着风力和水力的利用，出现了机械自动化的萌芽，因此布罗代尔认为这是最早的工业革命。但这种动力仍受到自然的制约，而蒸汽机则彻底将动力从自然状态解放了出来，因此成为动力革命。

从历史来看，经验往往比理论更早地出现。在火器和蒸汽机出现很久之后，人们仍然无法对其运作原理予以准确的解释。

事实上，枪炮与蒸汽机的原理非常接近。早期的加农炮就是一台单缸内燃机，它应该是人类历史上第一个有控制地将热能转变为动能的实例。但与煤炭相比，控制火药的难度无疑要大得多。

有趣的是，达·芬奇曾设想过一种蒸汽炮，即利用水蒸气来发射炮弹。惠更斯则设计过一台火药驱动的发动机，“这是一种不需要像饲养马匹那样花费大量保养费就能产生很大动力的装置”。

如果说大炮是火药的产物，那么蒸汽机完全是煤的产物。

1700年前后，森林资源枯竭的英国不得不大量地使用煤炭作燃料。当时，大不列颠这个小岛是全世界最大的煤炭产地，每年总共可产煤200万吨，可能是世界上其他地区总产量的5倍。

虽然中国也很早就以煤为燃料，但中国的煤矿多位于地下水位较低的西部山区。从地理的分布上看，英国煤矿大部分位于海岸及河流附近，这使得煤矿的地下水位普遍较高。因此，英国采煤业虽有运输便利的优势，也一直遭受透水问题的困扰，随着矿井越挖越深，排水就成为制约煤矿开采的严重问题。

起初，人们用马力转动辘轳来排水，一个煤矿常常养着几百匹马。马要吃草料，巨大的饲料耗费使排水费用居高不下，一些煤矿因此就失去了开采价值。

1705年，为了解决矿井排水问题，英国人纽科门制成了实用的蒸汽机水泵。它利用水蒸气推动活塞做上下直线运动，每分钟往返16 次；每往返一次，可将45.5 升水提高46.6 米。从1712年起，英国大部分煤矿都安装了纽科门蒸汽机。

蒸汽机的出现，给矿主们带来了丰厚的利润，这使深层煤矿也得以开采。对许多被地下水淹没的煤矿来说，蒸汽机堪称伟大的拯救者。

蒸汽机只需要水和煤，就可以提供巨大的动力。

对于被水淹困扰的煤矿来说，水和煤几乎都是免费的东西；但对远离煤矿的工厂来说，仍然难以承受蒸汽机对煤的巨大消耗。“发动机燃料消耗之巨大，严重制约了我们采矿的利润，因为任何一台大型火力引擎每年都要消耗价值3000英镑的煤。这好比对生产课以重税，简直就是一道禁令。”

即使在煤矿，虽然煤是免费的，但供应蒸汽机运转的煤炭仍需要用马来运送。而且纽科门蒸汽机只能抽水，不能作为动力使用。将装满煤的篮筐从矿井中提升，仍需要用马力或者人力。对矿主来说，马的饲料依然是一笔不小的成本。

纽科门蒸汽机在诞生半个世纪之后，基本没有什么变化，直到瓦特的出现。

纽科门蒸汽机的工作原理很简单：水受热产生蒸汽，水变成水蒸气后，体积便会膨胀1600多倍。蒸汽推动气缸内的活塞升起，随后阀门关闭，低温冷却水使得气缸内的蒸汽冷凝，气缸进入真空状态，活塞随后被大气压压下，带动机器做上下反复运动。

瓦特是一名机械工，他在修理纽科门蒸汽机时，发现因为气缸被不断地加热和冷凝，只有25的蒸汽被用来做功，大多数能量都被无谓地浪费了。他决定对此加以改进。

在当时，英国的煤矿工业是全欧洲最发达的。英国的煤炭产量占到整个欧洲产量的80以上，这样庞大规模的煤炭产业给蒸汽机技术创造了极好的应用市场。由此可以知道，瓦特之所以愿意对纽科门蒸汽机进行改进，有一个重要的前提是，这种改进是可以赚钱的。这正像培根说的：“不做尝试的危险和失败的危险是不相等的。因为在前一种情况下我们将损失巨大的利益，而在第二种情况下，损失的只是一点人类劳动。”

瓦特改进后重新设计的蒸汽机，增加了一个与气缸分离的冷凝器，此外还需要进一步提高汽缸、活塞和其他零配件的加工精度，而要制造这些金属部件，必须有先进的金属加工设备、熟练的机械加工和装配工人；说白了，这一切都需要先投入不少钱。仅仅为试制一只冷凝器，瓦特就已经变卖了所有家当。

关键时候，工业家罗巴克向瓦特伸出援手，条件是获得瓦特的专利权和三分之二利润。不久，博尔顿接手了罗巴克的工作，他在给瓦特的信中写道：“我将为蒸汽机的诞生创造一切条件，我们将向全世界提供各种规格的发动机，您需要一位助产士来减轻负担，并且把您的产儿介绍给全世界。”

从后来的眼光来看，博尔顿的介入是瓦特成功的关键，他与瓦特进行商业合作这件事本身也具有非凡的历史意义。可以说，它开辟了科学研究和工业生产相结合的道路，同时也开创了最早的工业研发实验室模式。

按照英国的法律制度，瓦特于1769年申请的专利只有14年期限，这可能造成用于发明的投资无法回本。后来，博尔顿和瓦特成功游说议会，将蒸汽机专利延长到了1800年。