运河热、社会效率、蒸汽机改良

谦谦玲子

从整个市场角度看，商品刚性成本包含运输和生产两个主要部分，显然运河热使整个英国的运输效率至少提升几倍，这在所有领域会表现出乘法效应。运河热兴起于1761年，随后，纺织业的技术革新立即爆发。18年后，纺织业已经走上了水力自动化。
18世纪50年代，随着焦炭炼铁技术被广泛采纳以及炼焦技术的逐渐成熟，原来以木炭为燃料的铁厂纷纷从林区迁往煤矿附近，以降低成本和扩大产量，运河热不仅降低了煤炭的运输成本，也带来了钢铁铸件运输成本的大幅度下降。至1760年前后，因发明煤焦碳技术而获得垄断地位的达比工厂的垄断地位逐渐被瓦解，在这之前，亚伯拉罕还发现焦炭在高炉内比木炭有更好的支撑性，并利用焦炭的这一特点建造出了比以往更大的高炉。
据记载，由于焦炭大大提高了铸铁的强度，亚伯拉罕的长子在继承父业以后生产的薄铸铁几乎包揽了英国蒸汽机缸的铸造合同。同时，达比（煤焦碳炼铁发明人）的儿子研制出一个由水车驱动的巨大风箱，制成第一台由机械操纵的鼓风炉，大大降低了铁的成本。1760年，约翰.斯米顿对鼓风技术作了进一步的改进；他抛弃达比所使用的、由皮革和木头制成的风箱，用一个泵来代替，这泵由四个装有活塞和阀门的金属气缸组成，并由水车驱动。进一步提升了炼铁的效率，降低了炼铁成本。
钢铁业的遍地开花和运河热两个低成本的碰撞促使钢铁价格大幅度下跌（相对购买力来说），形成了相对木材的比较优势。到18世纪70年代，铁已经基本上取代木材成为了英国机械制造业的主要原料[注：运河热和钢铁业第二次技术革新周期重合]。
在军事方面，1756～1763年间，欧洲爆发“七年战争”， 欧洲两大军事集团英国－普鲁士同盟与法国－奥地利－俄国同盟之间的对立，汉诺威与葡萄牙为英普的盟友，法奥俄的盟友则为西班牙、萨克森与瑞典，为争夺殖民地和霸权而进行的一场大规模战争。战场遍及欧洲大陆、地中海、北美、古巴、印度和菲律宾等地。这次战争对于18世纪后半期国际战略格局的形成和军事学术的发展均产生了深远影响。由于参战国家众多、加上战争范围涉及欧、亚、北美大陆，规模空前，温斯顿·丘吉尔认为这才是真正的第一次世界大战。战争的需求和民用机械需求同步刺激机械加工业发展，1774年英国人J.威尔金森发明炮筒镗床。1776年他又制造了一台较为精确的汽缸镗床，汽缸镗床技术是蒸汽机技术改良的关键项目，没有这一关键技术的突破，瓦特改良想法再好，最终都不能落地。
由于人力稀缺，从矿井到煤仓的短途运输往往会想方设法降低成本，因此早在16世纪，就有人在矿井里铺设木轨来使矿车更快地行驶。在最早发生工业革命的英国，在17世纪时使用和矿井中的木轨类似的木轨路，用马车将煤炭运到离矿井较远的煤仓。后来，人们为了延长木轨的寿命，就设法在木轨上包一层硬木，进而包上一层金属，到最后干脆直接用生铁铸造的铁轨代替木轨，但在上面奔跑的仍是马车或人力推动的车。由于路轨对车轮的阻力要比普通路面小得多，因而一匹马常常可以拉好几节车厢。这好几节车厢组成的车就是“列车”，但还只是“马车”而不是“火车”。纺织、机械、运输、军事几乎所有行业都有了强烈的提升效率、更新动力的要求，不同的人在不同领域开始尝试蒸汽机的改进，很多人都看到了蒸汽机改进可能带来的巨大利益或荣誉。
詹姆斯.瓦特（James Watt，1736 — 1819）是尝试蒸汽机改进的一员。1764年，格拉斯哥大学收到一台要求修理的纽可门蒸汽机，任务交给了瓦特。瓦特将它修好后，看看他工作那么吃力，就象一个老人在喘气，颠颠颤颤地负重行走，觉得实在应该将它改进一下。他注意到毛病主要是缸体随着蒸汽每次热了又冷，冷了又热，白白浪费了许多热量。此后，瓦特开始思考改进的办法。直到1765年的春天，瓦特终于想到，既然纽可门蒸汽机的热效率低是蒸汽在缸内冷凝造成的，那么为什么不能让蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特产生了采用分离冷凝器的最初设想。在产生这种设想以后，瓦特在同年设计了一种带有分离冷凝器的蒸汽机。按照设计，冷凝器与汽缸之间有一个调节阀门相连，使他们既能连通又能分开。这样，既能把做工后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸内产生同样的真空，避免了汽缸在一冷一热过程中热量的消耗，据瓦特理论计算，这种新的蒸汽机的热效率将是纽可门蒸汽机的三倍。
从理论上说，瓦特的这种带有分离器冷凝器的蒸汽机显然优于纽可门蒸汽机，但是，要把理论上的东西变为实际上的东西，把图纸上的蒸汽机变为实在的蒸汽机，还要走很长的路。瓦特辛辛苦苦造出了几台蒸汽机，但效果反而不如纽可门蒸汽机，甚至四处漏气，无法开动。耗资巨大的试验使他债台高筑，瓦特几乎灰心丧气。幸运的瓦特，接连遇到两位贵人。第一位给予了瓦特关键技术。他在向大学教授布莱克请教理论问题时，教授介绍他认识了发明镗床的威尔金技师，这位技师立即用镗炮筒的方法制了汽缸和活塞，解决了瓦特蒸汽机最头疼的漏气问题。另外一个贵人是化工技师罗巴克，依然是布莱克介绍给瓦特的。
当时罗巴克是一个十分“富有”的企业主，他在苏格兰的卡隆开办了第一座规模较大的炼铁厂。炼铁厂在当时显然是高科技，显然，罗巴克能够清晰的认识到蒸汽机改进对于采矿、钢铁、纺织等行业的意义和其中蕴藏的财富。他对当时只有三十来岁的瓦特的新装置很是赞许，当即与瓦特签订合同，赞助瓦特进行新式蒸汽机的试制。
从1766年开始，在三年多的时间里，瓦特克服了在材料和工艺等各方面的困难，终于在1769年制出了第一台样机同年，瓦特因发明冷凝器而获得他在革新纽可门蒸汽机的过程中的第一项专利第一台带有冷凝器的蒸汽机虽然试制成功了，但它同纽可门蒸汽机相比，除了热效率有显著提高（百分之几十）外，在作为动力机来带动其他工作机的性能方面仍未取得实质性进展。就是说，瓦特的这种蒸汽机还是无法作为真正的动力机。
由于瓦特的这种蒸汽机仍不够理想，销路并不广。当瓦特继续进行深入研究时，罗巴克本人已濒于破产，他又把瓦特介绍给了自己的朋友工程师兼企业家博尔顿，以便瓦特能得到赞助继续进行他的研制工作。博尔顿当时经四十多岁，博尔顿不仅给予瓦特资金支出，同时资助瓦特参加圆月学会（科学家、工程师、富人俱乐部）。由于与化学家普列斯特列等交往，瓦特对当时人们关注的气体化学与热化学有了更多的了解。
瓦特自与博尔顿合作之后即在资金设备材料等方面得到大力支持瓦特又生产了两台带分离冷凝器的蒸汽机，由于没有显著的改进，这两台蒸汽机并没有得到社会的关注。这两台蒸汽机耗资巨大，又导致博尔顿濒临破产，但他仍然给瓦特以慷慨的赞助在他的支持下，瓦特以百折不挠的毅力继续研究自1769年试制出带有分离冷凝器的蒸汽机样机之后，瓦特就已看出热效率低已不是他的蒸汽机的主要弊病，而活塞只能作往返的直线运动才是它的根本局限。
1781年，瓦特仍然在参加圆月学社的活动，也许在聚会中会员们提到天文学家赫舍尔在当年发现的天王星以及由此引出的行星绕日的圆周运动启发了他，也许是钟表中的齿轮的圆周运动启发了他，他想到了把活塞往返的直线运动变为旋转的圆周运动就可以使动力传给任何工作机。同年，他研制出了一套被称为太阳和行星的齿轮联动装置，终于把活塞的往返的直线运动转变为齿轮的旋转运动为了使轮轴的旋轴增加惯性，从而使圆周运动更加均匀，瓦特还在轮轴上加装了一个火飞轮，由于对传统机构的这一重大革新，瓦特的这种蒸汽机才真正成为了能带动一切工作及的动力机。1781年底，瓦特以发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置获得第二个专利。
由于这种蒸汽机加上了轮轴和飞轮，这时的蒸汽机在把活塞的往返直线运动转变为轮轴的旋转运动时，多消耗了不少能量这样，蒸汽机的效率不是很高，动力不是很大。为了进一步提高蒸汽机的效率，增大蒸汽机的效率，瓦特在发明齿轮联动装置之后，对汽缸本身进行了研究，他发现，他虽然把纽可门蒸汽机的内部冷凝变成了外部冷凝，使蒸汽机的热效率有了显著提高，但他的蒸汽机中蒸汽推动活塞的冲程工艺与纽可门蒸汽机没有不同两者的蒸汽都是单项运动，从一端进入另一端出来。他想：如果让蒸汽能够从两端进入和排出，就可以让蒸汽即能推动活塞向上运动又能推动活塞向下运动那末，他的效率就可以提高一倍。1782年，瓦特根据这一设想，试制出了一种带有双向装置的新汽缸由此瓦特获得了他的第三项专利，把原来的单项汽缸装置改装成双向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低压蒸汽变为高压蒸汽，这是瓦特在改进纽可门蒸汽机的过程中的第三次飞跃。通过这三次技术飞跃，纽可门蒸汽机完全进化为了瓦特蒸汽机。
从最初接触蒸汽技术到瓦特蒸汽机研制成功，瓦特走过了二十多年的艰难历程瓦特虽然多次受挫屡遭失败，但在明确利益的引导下，资本方给予了瓦特持续的支持，终于完成了对纽可门蒸汽机的三次革新使蒸汽机得到了更广泛的应用，成为可以被广泛应用的机器。
1784年，瓦特以带有飞轮齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机的综合组装，取得了他在革新纽可门蒸汽机过程中的第四项专利。1788年，瓦特发明了离心调速器和节气阀；1790年，他又发明了汽缸示工器，至此瓦特完成了蒸汽机改进的全过程。
另一个对蒸汽机改进具有帮助的技术来自钢铁行业，亨利·科特于1784年发明了除去熔融生铁中的杂质的“搅炼”法。利特把熔融生铁放在一个反射炉里，加以搅动或“搅炼”。这样，通过在熔融体中环流的空气中的氧，除去熔融体中的碳。除去碳和其他杂质后，就生产出比原先易碎的熔融生铁或生铁更有韧性的热铁。热铁的出现为更精密的机械创造出来奠定了基础。
从1760年自动飞梭到1779年自动化的“螺机”（1779年），纺织行业的水力自动化历时20年，几乎与瓦特先生的用时相同（1764-1784年）。时间点仅仅延后4年。另外，镗床技术突破、钢铁技术突破几乎都在同一时间点，即1760年前后，这背后同一性联系纽带是运河热。瓦特蒸汽机与纽科门蒸汽机效率相比提升4倍，用煤节省75%。运河热使煤价至少降低50%，请注意是煤价下降在先，蒸汽机改良在后这一客观。也就是说，只有煤炭价格大幅度下降，蒸汽机改良后，才有盈利的希望。没有这一前提，常识会认为这种投资或研发是在做梦。
教科书往往放大个体的努力，而忽视所有科技发明实际都是整个社会智力共同创新的结果，需要建立在足够高的社会效率基础之上。在瓦特之前，至少有20人试用蒸汽作为动力，试图研发蒸汽机，结果都是无疾而终。于是，有人说：“如果瓦特早出生一百年，他和他的发明将会一起死亡！”但实际上，做出这种假设本身已经违背客观，瓦特改良蒸汽机是有明确方向的，大量煤矿和其他行业有明确需求，只要超越纽科门蒸汽机效率即可赚取大量利润。他如果早出生100年，他根本不会去研发蒸汽机，同时，也不会有人资助他研发。而且教科书往往放大瓦特先生研发过程中的所谓百折不挠，我们如果换位思考，假设你是瓦特，如果你的赞助人因你而破产，你好意思停止研发与思考吗?一个人20年一直琢磨一件事情，就是提升效率，这是创新发生的主观原因。从另一个角度看，如果你是赞助人，你尽管已经破产，但看到希望在即，你难道不会将项目介绍给自己的朋友吗？也就是说客观为瓦特准备好了材料和技术，主观上瓦特和其合伙人已经无路可退，只有将蒸汽机改良到可以实际应用。即使瓦特不成功，其他人也会在瓦特的基础上继续改良，原因很简单，明确的需求（利益）就在眼前。同时，需要看到，在公开市场信息面前，真正改良蒸汽机的人并非只有瓦特一个。所以，蒸汽机是整个社会效率提升的必然结果，也是大量驱动微量，社会群体创新竞赛的产物。最终蒸汽机改良事业证明是极其成功的，到1800年即瓦特的基本专利权期满终止时，已有500台左右的博尔顿－瓦特蒸汽机在使用中。其中38%的蒸汽机用于抽水，剩下的用于为纺织厂、炼铁炉、面粉厂和其他工业提供旋转式动力。