蒸汽机为何只能诞生在英国:专利保护深入人心

  英国采矿业的急迫需求、前人的技术积累、专利保护观念的深入人心、瓦特合作者博尔顿的商业头脑等诸多先决条件,才奠定瓦特的成功。

  英国西南部维尔特郡的克罗夫顿抽水站,世界上最古老的蒸汽机仍在运行。虽然大多时候抽水站依靠电力运行,但每逢特定周末,这台蒸汽活塞式摇臂抽水泵会以每分钟12吨水的速度,将河水注入6个8英尺高的水闸内,确保肯尼特埃文运河畅通。自1812年运行以来,除1960年代个别时间,它一直不停地工作。英国作家查尔斯·狄更斯在名著《艰难时世》中将其形容为:“机器单调地上下摆动,像一只悲伤的大象疯狂地晃动着头颅。”

  蒸汽机是工业革命时代的标志性装置。提到蒸汽机,人们同样会联想到著名的英国发明家詹姆斯·瓦特。上述蒸汽机正是由瓦特的公司制造、安装的,标号为42B——意为伯明翰博尔顿&瓦特制造厂生产的第二台42英寸汽缸的蒸汽机。瓦特常被称为“蒸汽机的发明者”,像华盛顿与樱桃树、牛顿与苹果一样,他也被杜撰了许多充满戏剧性的经历,比如,瓦特看到水壶盖子被蒸汽冲飞后受到启示,发明了蒸汽机。事实上,早在瓦特出生20年前,蒸汽机就已进入市场。

  准确地说,瓦特并非“蒸汽机的发明者”,只是一位优秀的“蒸汽机改良者”。如果没有英国采矿业的急迫需求、前人的技术积累、专利保护观念的深入人心、瓦特合作者博尔顿的商业头脑等诸多先决条件,瓦特基本没有可能取得被后世所给予的荣耀。蒸汽机乃至工业革命之所以发生在英国,并不是一件巧合的事情。

  人类历史上从来不缺能工巧匠。瓦特出生前1700多年,公元1世纪左右,古希腊数学家希罗就意识到了蒸汽的力量。他在位于尼罗河三角洲西部的亚历山大博学园,发明了有文献记录以来第一部蒸汽机,这里也是欧几里得和阿基米德曾经工作过的地方。

  这台蒸汽机名叫汽转球,由一个空心球,两根附着其上、方向相反的肘形管子以及一个盛满水的密闭锅子组成。锅子与空心球连通,当其中的水被加热到沸腾时,蒸汽进入空心球,然后从两根管子排出,形成反作用力,进而推动空心球旋转。

  见过汽转球的人,都将其视为一个奇迹,但包括希罗在内,他们仅将其视为一个玩具而已。当时,像希罗一样从事研究的人只能依靠富人的资助,为了获取资助,发明家们只能取悦富人,这台“蒸汽机”并没有实际用处,只能算是利用蒸汽进行的一次好玩的尝试。

  奇妙的是,在一千多年后的中国,有人也进行了蒸汽试验尝试,原理与汽转球有异曲同工之妙。1658年,比利时传教士南怀仁到中国传教。约在康熙十七至十八年(1678-1679),他曾试制出一台蒸汽动力模型车,将试验手稿发表于1687年的德国《欧洲天文》杂志。1940年代,学者刘先洲将此翻译回国内,并发表在当时介绍先进思想的刊物《东方杂志》上。

  根据刘先洲的翻译,南怀仁在这篇手稿中详细介绍了试验情况:“当余试验蒸汽之力时,曾用轻木制成一四轮小车。长二尺,且极易转动。在车之中部,设一火炉。炉内满装以燃烧之煤。炉上则置一汽锅。在后轮之轴上,固定一青铜制之齿轮。其齿横出,与轴平行。此齿轮与另一立轴上之小齿轮相衔。故当立轴转动时,车即被推而前进。在立轴之上,别装一直径一尺之大轮。轮之全周装置若干叶片,向周围伸出。当蒸汽在较高压力之下,由汽锅经一小管向外急剧喷射时,冲击于轮叶之上,使轮及轴迅速旋转,结果车遂前进。”

  南怀仁的蒸汽机原理,是用高速蒸汽推动齿轮旋转,带动车子前行,这与汽转球类似。更像汽转球的是,南怀仁发明蒸汽机是为了取悦康熙,并向他展示西方的科学进展,所以这台蒸汽机也仅是玩具而已,同样没有任何实用价值。

  这台首次出现在中国的蒸汽机,也并非南怀仁首创。早在1629年,意大利建筑家布兰卡就发明了一种雏形的冲动式汽轮,原理是向轮子四周叶片上喷射蒸汽流,带动轮子转动。有学者考证,南怀仁很可能在欧洲见过布兰卡的著作并受到启发。

  事实上,南怀仁和布兰卡所处的17世纪,研究蒸汽、大气压与真空的关系正是当时的“学术热点”。自从意大利物理学家托里拆利在水银管中发现了“真空”,打破了亚里士多德后流传千年的“真理”——“自然界厌恶真空”,痴迷于研究相关现象的学者越来越多。影响最大的,莫过于在1652年,德国物理学家奥托·格里克发明的“马德格堡半球”。当时,他用近似马戏表演的方式,向包括德国皇室在内的世人展示了即使三十多匹马也无法战胜真空的力量。

  很快,人们发现真空能够吸水,或许能解决令当时采矿业者非常头痛的问题。那时的英国,几乎人人都能闻到浓浓的煤烟味。14世纪,英国国王爱德华一世甚至下令,采暖和冶炼金属时禁止燃烧发烟严重的海运煤。也有些煤炭的污染相对较小,那就是无烟煤或硬煤。但这种煤炭多储藏在地下很深的地方。煤矿越深,就越容易产生积水,解决的办法有两种,费巨资挖掘排水隧道,或使用水车带动的排水泵。两种方法都受到地势的严重限制,比如河流的走向必须与矿山的位置一致,当时矿主亟须一种不受地形限制的排水方法。

  最新的科学发现,让人们意识到了利用真空为矿井排水的可能性。1699年,世界上第一台具有实用价值的蒸汽抽水机诞生了。是年6月14日,一台巨大的机器出现在英国皇家学会格雷沙姆学院,机器由一个盛满水的气缸和与之相连的锅炉组成。锅炉制造出水蒸气,进入汽缸,当充满蒸汽的汽缸被喷洒上冷水之后,水蒸气迅速凝结,在汽缸内部产生真空,从而把水从外部吸进来。此后,操作员转动不同的阀门,让蒸汽进入汽缸,将汽缸内抽上来的水通过一个管道挤出去,准备下一轮抽水。

  机器的发明者名叫托马斯·萨弗里(Thomas Savery),他将这台蒸汽抽水机命名为“矿工之友”,意为帮助矿工排水。当时,英国皇家学会如此报道这次展示活动:“萨弗里先生……以火为燃料,通过水蒸气的收缩来真空抽水。他向学会会员展示了真空泵的运转过程。试验非常成功,也令会员们非常满意。”

  这台机器获得了英国皇家学会的认可,却没有得到矿主的认可。机器没有安全阀,且汽缸焊接处的熔解温度十分接近高压蒸汽温度,这让机器存在巨大的爆炸隐患;更糟糕的是,标准大气压环境中,水被抽取的极限高度为10米左右,故它不能安装在矿井顶端,最多只能安装在离矿井底部不超过25英尺,也就是7米左右的位置。

  萨弗里曾在英国达特茅斯雇佣工匠,为他的蒸汽机制造模型和零件。当地一位名叫托马斯·纽科门(Thomas Newcomen)的五金商,或许受到了他的启发,从1700年开始,纽科门开始和助手研究改进萨弗里蒸汽抽水机的缺陷。经十多年的研究试验,纽科门创造性引入了活塞和横梁两个部件,部分解决了萨弗里蒸汽抽水机遇到的难题。

  1923年11月,伦敦蓓尔美尔,一辆以蒸汽机汽车抛锚了。20世纪初,蒸汽机汽车依然风头正健,但逐渐败给内燃机汽车。

  当时,有关蒸汽机的研究存在两种不同思路,一种是萨弗里利用真空抽水的方法,另一种则是试图用蒸汽推动活塞,将热能转化为机械运动。后者的代表人物是出生于法国的物理学家丹尼斯·帕潘(Denis Papin)。1690年,帕潘在德国莱比锡市《教师学报》公布了他的发现:蒸汽冷凝之后会产生真空,汽缸外的大气压会使汽缸内部出现某种机械运动。随后,他发明了对后来的蒸汽机至关重要的一个部件——活塞。

  帕潘并没有真正发明出蒸汽机,而纽科门不仅巧妙地利用了帕潘的发明,还设计了另一个对后来蒸汽机至关重要的部件——横梁。横梁类似一个能够上下摆动的跷跷板,一面连接活塞,一面连接汽缸。当汽缸充满蒸汽时,横梁翘起,让负责吸水的活塞处在最低端。蒸汽凝结为水后,汽缸体积缩小,在横梁的带动下,活塞上升吸水。这就是纽科门发明的蒸汽机的原理。

  连接活塞和横梁的拉杆可以长达几十米,纽科门蒸汽机可以安装在矿井顶部,负责吸水的活塞则可深入井底,解决了萨弗里蒸汽机安装高度的难题。为提高效率,纽科门还对蒸汽抽水机做了一系列改进。比如,萨弗里让蒸汽冷凝的方法是在汽缸外喷洒冷水,而纽科门则在汽缸内部安装喷射阀,将冷水直接注入汽缸,使得里面蒸汽能够迅速凝结,进而产生强力线年的一天,纽科门在英国西部一个名为科尼格里(Conygree)的煤矿安装了他的蒸汽机。这个煤矿经过200多年的开采,已经深达50多米。当天,蒸汽机活塞每运动一次就能抽出10加仑的水。不久之后,《伦敦公报》报道了这台机器:“它能够将任何低处的水抽到高处,并且比迄今为止所使用的各种抽水方法都要更为经济和便捷,为矿山和公司成功解决了排水问题。”

  纽科门的蒸汽机获得了市场认可。短短3年间,英国各地使用了100多台纽科门蒸汽机承担抽水任务,使得这位五金商赚得盆满钵满。美国科技史学者威廉·罗森,在著作《世界上最强大的思想——蒸汽机、产业革命和创新的故事》中评价纽科门是“开启了蒸汽机革命的大门”。

  表面上看,17、18世纪的英国人无论是萨弗里,还是纽科门,之所以能发明出蒸汽机,是因为看到了采矿业的需求。但当时所有国家的采矿业都面临排水难题;此外,仅从对真空和蒸汽研究的学术角度来说,英国也并未走到其他欧洲国家的前列,早在1606年,意大利工程师詹巴蒂斯塔·德拉·波尔塔制造了一台利用蒸汽从一个密闭容器内抽水的装置。为何只有英国人发明出具有实用价值的蒸汽机?

  原因在于,世界上第一部现代意义的专利保护法,于同一时期在英国诞生,正是这部法律激发了英国人在工业革命时热衷于沉浸在发明创造的热潮里。从13世纪开始,英国以专利特许证(Letters Patent)的形式,将某种独占经营权授予工匠、商人,奖励在技术上有创新或者为英国带来利益的人。授予专利的权力完全掌握在国王手中,所以受益者多为封建贵族、王室的宠臣。比如,一位叫达西的近臣于1598年被伊丽莎白一世授予了制造和贩卖扑克牌的垄断权,这意味着此前生产销售扑克牌的厂商都不得继续经营。

  这件专利引起了英国民众的不满,将官司打到了法院。法官裁定,国王不可以授予某个人对某项生意的独占权,除非这个人能证明他更擅长经营这个领域。1624年,继承了上述精神的法律获得通过。这部名为《反垄断法》的法规旨在限制王室随意授予特权,对垄断和专利权进行了规定:只有“首个申请了法律专利并且为真正的发明者”才能获得国王的特许加奖状。这是世界上第一部具有现代意义的专利法。

  不过,《反垄断法》的出台并未引发英国专利申请数量的井喷,直到哲学家洛克在1690年让英国人有了“知识产权”概念。他在《政府论》中主张,任何自然的东西,只要加入了人类劳动,无论是体力劳动还是脑力劳动,就不再是自然物,人们也就可以宣称对它拥有产权。同时,法学家们的努力让英国人对财产权有了与以往不同的理解。此前,人们知道可以从黄金、土地等有形财产中获取收益,而现在竟然也能从脑力劳动中获取收益。观念上的改变,激发了英国平民大众发明创造、申请专利的热情。

  1698年7月25日,《反垄断法》出台后75年,托马斯·萨弗里的“以火力推动汲水并为各式各样工厂提供动力的新发明”获得专利。该项专利也让后续发明者纽科门连续数年必须将其收益的四分之三给予萨弗里。这一情形在当时的大多数国家都是不可想象的。

  纽科门蒸汽机远非完美,一个缺陷,蒸汽机抽水时需要消耗大量煤炭,只能被用于煤矿附近。政府对专利的严格保护,激励着人们希望通过改进蒸汽机,取得专利来牟取利润。瓦特就是这群人中的杰出代表。

  1736年,瓦特出生在一个木匠家庭,比第一台纽科门蒸汽机小二十多岁。1753年,瓦特被送到英国第三大城市格拉斯哥学习精密仪器制造。学成后,他的技艺高超到令周围人吃惊。瓦特一位名叫约翰·罗比森的朋友回忆道,格拉斯哥市一家旅馆想让瓦特制造一架管风琴,瓦特根本不懂音律,但研究了一本音乐专著后就造出一架“让演奏者们既高兴又惊讶”的管风琴。但瓦特当时的生活貌似并不富裕,必须依靠为道路和河流测绘来谋生。

  1763年,他受邀到格拉斯哥大学修理一台纽科门蒸汽机模型,这台蒸汽机模型运转时需要耗费巨量蒸汽,效率极低。经过反复测量,他发现了问题所在:蒸汽进入汽缸后,需要降温才能凝结成水,但汽缸也会随之冷却,下一轮抽水过程中,新进入的水蒸气遇到温度较低的汽缸壁,会立即凝结成水,不能充满汽缸。换句话说,纽科门蒸汽机存在一个不可调和的矛盾:为确保蒸汽机的冷凝效果,产生最大程度的真空,需要使用大量的冷水,但为了避免冷却汽缸,需要尽可能地少使用冷水。一次测试结果显示,冷却的汽缸壁损耗了四分之三的蒸汽。

  几年后,瓦特给出了解决方案,让蒸汽在一个汽缸内推动活塞做工,在另一个汽缸内冷却,两个汽缸相互连接。这样,蒸汽进入早已被冷水冷却的新腔室时,会立刻凝结成水,产生真空,带动另一个腔室上的活塞向下运动,这个有活塞的腔室会一直保持高温,防止水蒸气遇到汽缸壁时凝结。这个发明被命名为“分离式冷凝管”,让瓦特蒸汽机的工作效率比纽科门蒸汽机的效率提高了两倍。1769年1月,瓦特在伦敦取得蒸汽机的专利,编号为“913”,名称是“能够减少蒸汽机的蒸汽和燃料消耗的方法。”

  第一台由瓦特制造的蒸汽机,于1775年在伯明翰附近的布鲁姆斯尔德煤矿安装成功。《伯明翰报》当时报道称:“众多从事科学研究工作的绅士,受到好奇心驱使,争相去观看如此奇特、如此有力量的机器的首次运行盛况。机器的卓越表现让他们彻底地心满意足。”瓦特并不善于商业活动,他说:“我宁可对着装满弹药的大炮,也不愿去结算账目或讨价还价做交易。”让蒸汽机声名远扬的,则是比瓦特大8岁的英国伯明翰制造商马修·博尔顿。看到了瓦特蒸汽机的潜力,博尔顿在1774年左右购买了瓦特专利的所有权,二人随后联合成立“博尔顿&瓦特制造厂”。

  博尔顿的目标是将蒸汽机引入各个产业,他放出豪言:“为全世界生产蒸汽机。”1783年,在博尔顿推动下,英国第一家大规模利用蒸汽动力的工厂——阿尔比恩磨坊开工,此举被后世喻为“开创了蒸汽动力工厂的时代”。不久后,英国的纺织业开始由蒸汽机带动。

  专利保护制度的不断健全,让瓦特之后的工程师在拓展蒸汽机用途的道路上继续前进。1814年,英国工程师史蒂芬森集成了前任数十种专利技术,成功设计出第一台实用的蒸汽机车,他修筑的第一条铁路于1825年举行了通车典礼,标志着铁路时代的到来。至此,蒸汽机成为了采矿、交通、纺织等几乎所有重要产业的动力,英国工业革命由此展开。

  值得一提的是,1792年,英国东印度公司购买了一批科学仪器,作为即将访问中华帝国的马戛尔尼使团送给乾隆皇帝的礼品,其中就有从博尔顿&瓦特制造厂购买的蒸汽机模型。由于担心被侵权,瓦特对此非常谨慎,犹豫很久才同意把蒸汽机模型卖给访华使团。他明显想多了,这些模型机最终没有展示给乾隆皇帝。当时世界上最伟大的技术发明,就这样与中国人擦肩而过,如同南怀仁试验的蒸汽动力模型车一样,这台蒸汽机在中国几乎没有留下什么痕迹。

内容版权声明:除非注明,否则皆为本站原创文章。

转载注明出处:http://quirv.com/wateweier/440.html