7.4　斯米顿实验

在斯米顿（John Smeaton，1724—1792）出生的时期，许多工业都依赖水轮作为动力来驱动机械设备。用畜力作为工厂的动力是不够的，而风车对于那些一旦中断就会破坏生产的过程也不合适，但是工业对动力的需求还在加速增长。斯米顿在27岁时决定从科学上研究如何改进水车的设计和效率。由于曾经当过一位数学仪器制作者的学徒，他亲手制作了一个相当出色的模型，并用它做了精确的实验（边码152、边码153，图91、图92）。

按照最初的构造，这一模型有一个下射水轮，直径为2英尺，带有平板轮翼。通过一个手动活塞泵，水可以被提升到具有3英尺水头的木制蓄水池内，然后通过一个可调节的闸门流出来，沿着一条水渠直接冲向轮翼。输出功率是通过观察带有重物的秤盘在1分钟内上升的高度来衡量的，提供给水轮的水流用为保持蓄水池中固定水头的水泵活塞每分钟必须往复的次数来计量。水绕着一个闭合的回路流动，因此可以反复使用。在他的第二组实验中，他改用了一个带有水槽的上射水轮模型从而把水引到顶部。(https://www.daowen.com)

斯米顿发现，他从下射水轮所能获得的最大总效率约为22%，而从上射水轮可以获得约63%的最大总效率。他观察到，假如用喷射水流冲击下射水轮的平板轮翼，动力会有非常严重的损失。他还证明了用水充满上射水轮的铲斗，由重力而不是冲击力产生动力，其效率确实更高。他还发现，提高水头使之高于上射水轮顶部，或让水以很高的速度冲击铲斗，都没有明显的好处。他写道：“水轮占总落差的比例越高，其效率就越高。因为它与水头的冲击关系较小，而较多地依赖于铲斗中水的重力……比较理想的是水流速度应比水轮外缘当时的速度更高，否则由于铲斗冲撞水流不仅使水轮减速，而且由此使水轮的一部分被淹没，造成的动力损失很大。”