瓦特与蒸汽机（1）

从原理上来说，蒸汽机与火炮惊人地相似；或者说，蒸汽机就是火炮的变种。据说，发明钟摆的惠更斯就曾经试图制作一台火炮式的工作机。17世纪的一些科学家也都对蒸汽的力量非常感兴趣，像萨洛蒙·得·高斯、伽利略和托里拆利等，都曾做过不少相关研究和试验。

1685年，英国一位宫廷机械师专门给国王写信，分析蒸汽机的可能性——

如果用火来使水蒸发，那么产生的蒸汽就需要更多的空间，大约是水以前体积的2000倍。这时水蒸气就会把加热容器的盖子顶起来。如果此时把加热容器密封起来，产生的压力就会更大，可以用来推动机器。而这对人类来说是非常有用的。

说起来，早在古希腊时代，希罗的《气动力学》中就记载了用蒸汽驱动“汽转球”的机械装置。希罗虽然没有发明蒸汽机，但他的确已经总结出了现代蒸汽机的科学原理。

虽然蒸汽机的原理早就已经为人所知，但将一种理论变成实用的机器，仍需要一个复杂的过程。比如活塞、轴承、螺旋线、联动齿轮及传动部件等，都离不开精密的科学计算、机械加工和装配。机械师的眼光不同于科学家，科学家关注原理，机械师则想将其变成现实，并加以利用。

瓦特的卓越贡献在于，他不仅率先将纯粹科学上常用的系统实验法应用到工业实践中，而且他能够综合别人的想法，并利用当时的最新技术，从而创造出一个极其复杂的机器。

瓦特与发明飞梭的约翰·凯伊因此存在着明显的不同：凯伊只是一个木匠，而瓦特更像一个工程师或者科学家，他为此绘制了大量的图纸。

工具机与工程制图是制造蒸汽机过程中不可或缺的技术。前者是精密制造的工具，后者是技术人员之间的沟通工具。

1769年，在新合伙人博尔顿的资助下，瓦特制造出装有分离冷凝器的蒸汽机，这比纽科门蒸汽机的热效率高2倍。也就是说，同样工作量可以节约一半煤。

此时，瓦特蒸汽机仍跟纽科门蒸汽机一样，只能用于煤矿抽水。如何才能让它变成旋转运动，从而能够像过去的水车和风车一样带动更多制造机器呢？

1781年，瓦特公司的苏格兰工程师威廉·默多克发明了先进的“行星齿轮”传动系统，终于把活塞的往返直线运动转变为轮轴的旋转运动，这为其成为通用的动力机奠定了基础。自此，蒸汽机旋转的轮轴可以通过齿轮或链条，直接带动许多机器运转，比如纺纱机、鼓风机、冶铁机和冲压机等。

在此之前，也有人试图用纽科门蒸汽机来驱动轮子转动，唯一的方法就是先将水提升到一定高度，然后利用下落的水力来驱动轮子。但这种动力极其昂贵，需要消耗大量煤炭，往往得不偿失。

瓦特最看重的就是效率，如何用最少的煤获得最大的动力，这条路是没有止境的。

接下来，瓦特又研制成功双向高压蒸汽机，功效又提高了1倍。在蒸汽机效率相同的情况下，瓦特将每年的耗煤量从1.9吨减少到0.6吨。它可以为矿主们节约三分之二的燃料消耗，这使得不少之前因燃煤费用高昂而废弃的煤矿又重新开始运营。

与纽科门蒸汽机相比，瓦特蒸汽机更为显著地改变了英国。1750年英国煤产量不到48万吨，1790年猛增至762万吨，1795年超过1000万吨。

事实上，瓦特蒸汽机与纽科门蒸汽机已经不是一回事儿：如果说纽科门蒸汽机只是一台煤矿专用的抽水机的话，那么瓦特蒸汽机就是一台通用的万能动力机，虽然它同样离不开煤。

从焦炭炼铁到蒸汽机出现，煤炭成为工业革命的基础因素，从这个意义上，这也是一场煤炭革命。借用一句话来说：“煤炭革命释放了来自动植物化石遗体中的能量，改变了19世纪全球的物质能源文化，并且成了一个分界点，将世界分成了现代世界和现代之前的世界。”

1776年，当瓦特和伙伴博尔顿开始销售他们的“力量”时，蒸汽机已经出现了整整70年，当时已经有600多台纽科门蒸汽机在运行。瓦特的贡献在于，他将蒸汽机的效率提高了4倍，并实现了圆周运动，这使建立在轮子之上的现代工业有了一个伟大的起点。

虽然瓦特的第一台蒸汽机只有4.4千瓦的功率，但与传统的纽科门蒸汽机相比，它体积更小，耗煤量更低。20年后，瓦特蒸汽机的功率已经提高到140千瓦。