23.2　第一项新技术——发动机的开发

科学思想（scientific ideas）和科学方法（scientific methods）对长期以来建立的工艺的激发效应容易让人理解。此外，自17世纪之后，在没有任何工艺先驱者的情况下，所有的新技术都得到了发展，以满足通常被称为工业革命的城市和乡村生活及制造业重组所提出的新需求。但即便这些新需求的经济和社会压力确实变得十分强烈，新科学原理的全新技术应用也往往只能取得有限的成功。与现在这个时代相比，当时支持做充分研究和开发的资金还不太容易调动起来。直到20世纪，实际创造新需求的方法才凸显出来。在最早的新技术发展过程中，需求必须源自一个共同体的经济发展。

举例来说，在17世纪，一个紧迫的需求是要有新的动力源来驱动用于矿井作业的泵水发动机。随着浅矿脉逐渐耗尽，矿井变得越来越深，把水泵出矿井以及提供通风系统的需求就变得越来越紧迫了（第3章）。在踏车上，人们不得不用人工或马匹、山羊甚至更小的动物来驱动十分精巧的泵水装置。阿格里科拉（Agricola）在他的《论冶金》（De re metallica，1556年）一书中，对一些利用不同大小的动物作动力的机械装置的惨状做了非常生动的描述。

即使在17世纪以前，科学家们就已经考虑过各种控制火力的方法［7］，但古代世界却没有对蒸汽动力作过有效应用，部分原因是在一个由人和动物提供驱动动力而组织起来的社会里，并无运用蒸汽动力的实际需要。

17世纪的一些采矿企业既迫切需要新的驱动动力源，又拥有了支付发明所需的相当高昂成本的资金。这种激励在1685年由机械师塞缪尔·莫兰爵士（Sir Samuel Morland，1625—1695）致国王查理二世的一份报告中有过清晰的描述。他写道：“水因火而蒸发，蒸汽需要更大的空间，约为水所占空间的2000倍。它不易受控制，会像军火那样爆炸。但是，如果按照静力学定律把它加以控制，而且用科学方法转化为重量和平衡的量器，它便会平和地承受其负荷，如同良马一般，对人类有很大用处，特别可用于提水。”

17世纪的许多发明家都试图利用火和蒸汽作动力（第6章）。1547年，希罗（Hero）的关于“气体动力学”（Pneumatics）的著作在波伦亚由希腊文译出。这本书中至少有两项建议是使用他的气转球——一种小的喷汽转动器——以代替狗转动烤机，另外还使用从青铜壶喷出的蒸汽来驱动一台冲击轮［布兰卡（Branca）］。另一位有很多想法的发明家是伍斯特侯爵（Marquis of Worcester，1601—1667），他和机械师卡尔塔夫（Caspar Kaltoff）密切合作，不仅表明社会杰出人士在应用科学发展中正发挥越来越主动的作用，还表明他们要依赖与采用传统方法的工匠合作。侯爵的建于1663年前后的“水控制发动机”似乎没有留下清晰的描述，详细情况无疑是出于保密的考虑。(https://www.daowen.com)

其他的科学家——比如帕潘（Denis Papin，1647—1712？）和惠更斯，据说都曾进行过火药和装有活塞的汽缸中的蒸汽的膨胀力实验。萨弗里（Thomas Savery，1650—1715）的第一台用来提水的泵水发动机是无活塞抽真空设备，在1698年向威廉三世（William Ⅲ）展示时，提水高度约为16英噚。萨弗里是一位多才多艺的军事工程师，对能产生效益的发明非常感兴趣。约在1712年，他和纽科门（Thomas Newcomen）联合制造了第一台成功的活塞蒸汽机，从位于达德利·卡斯尔的矿井中泵水。斯迈尔斯（Smiles）曾对这台固定式蒸汽机的工作情况作过描述：“纽科门蒸汽机的工作方式比较笨拙，显然它的运行过程十分麻烦，还伴随着非常大的响声。当泵下行时，便可听到猛烈的冲击声、很沉重的叹息声和撞击声。当泵上行时，吸气部件开始动作，便会听到吱吱嘎嘎和呼哧呼哧声，接着就是撞击声，随后就有一股水猛冲出来。”

虽说对矿井中的某些泵站明显是经济的，但萨弗里—纽科门的冒险对非生命动力的其他应用的吸引力很有限，因为它不但效率低，而且动力和重量比也很低。当然，它的开发表明工匠纽科门和掌握更多理论的发明家萨弗里之间的协作非常高效。可是，在瓦特（James Watt，1736—1819）的工作之前，关于热和机械动力的真正的科学原理还不曾应用到蒸汽机上。瓦特开发出蒸汽冷凝器，把它从活塞运动的汽缸中分离出来，这是与格拉斯哥大学化学教授布莱克（Joseph Black，1728—1799）的科学研究紧密联系并受其鼓舞的。正如在下面还要详细提到的，布莱克是第一位定量测定出热能的科学家，这导致他发现了潜热。瓦特作为格拉斯哥大学数学仪器制造者开始技术工作，与萨弗里和纽科门蒸汽机相比，他与布莱克的许多讨论以及他自己的科学实验，无疑有助于他的蒸汽机更加紧密地遵照科学原理和热理论来制造。

瓦特设计的活塞式蒸汽机在应用时，首先遇到的障碍还是研究和开发所必需的经费上的困难，尽管布莱克仍进一步帮助瓦特，借给他1500英镑。当瓦特与博尔顿（Boulton）签订合作协议后，上述困难便最终得以解决。1775年，第一台商业上获得成功的博尔顿与瓦特蒸汽机接到订货。随后，蒸汽动力除从矿井中抽水以外的应用就缓慢而稳定地发展起来。这方面的内容不在本节的讨论范围，我们的目的在于追寻动力技术的基础从工艺向科学的转变。但值得注意的是，瓦特早期与格拉斯哥大学的科学家们的合作，在后来的岁月里发展成与科学家们建立起多年的友谊与合作。博尔顿和瓦特都是伯明翰“月光社”（Lunar Society）的会员，这一团体还包括达尔文（Erasmus Darwin）、高尔顿（Samuel Galton）、基尔（James Keir）和普里斯特利（Joseph Priestley）这些活跃的科学家。