瓦特的蒸汽机

冷与热之间

1712 年起，托马斯·纽科门的蒸汽机立在英国的矿井边抽水。汽缸里充满蒸汽，再喷进一股冷水：蒸汽缩成几滴水，缸里几乎空了，外面的大气便把活塞压下去，牵动井下的水泵。

病根也在这股冷水。它凝结了蒸汽，也浇凉了缸壁。下一股蒸汽进来，先要把铁重新焐热，大半还没出力，就在冷铁上化成了水。一冷一热，一下一下，煤就这样一锹一锹地烧掉了。

设想这只汽缸照纽科门的法子工作：冷水喷进缸里，缸壁随之一冷一热

另一只容器

1763 年冬，格拉斯哥大学请仪器匠詹姆斯·瓦特修理一台纽科门机的教学模型。它吞蒸汽的胃口大得惊人，毛病正出在那股冷水。1765 年 5 月的一个星期天，他走过格拉斯哥绿地，忽然想通：蒸汽何必在汽缸里冷凝？让它流到另一只容器里去。

那只容器就是冷凝器，浸在一池冷水里，终年是冷的；汽缸裹着一层蒸汽夹套，终年是热的。冷凝器凝结蒸汽、留下真空，汽缸里的蒸汽便被它吸走；一旁的气泵，抽去凝出的水和渗进的空气。做同样的功，瓦特的机器烧的煤，不到纽科门机的一半。

汽缸长热，冷凝器长冷 · 其间只隔一根管子、一个阀门

一推一送

纽科门的活塞只在下行时用力，上行全靠另一头泵杆的重量拉回。1782 年，瓦特让活塞两面轮流受力：蒸汽从上方进来，下方通向冷凝器，活塞被推下；到了底，阀门换向，蒸汽改从下方进来，上方通向冷凝器，活塞又被推上。

剖开的汽缸里，暖色是刚进来的蒸汽，冷色是被冷凝器抽空的一侧。瓦特的蒸汽只比大气略强一点；推着活塞走的，很大一部分是另一侧的真空。

暖色：蒸汽 · 冷色：通向冷凝器的真空

弧里取直

活塞既要推，又要拉，难题随之而来。旧式机器用链条把活塞杆挂在横梁的弧形端头，链条只能拉，不能推。横梁的端点走的是一段圆弧，活塞杆却必须笔直出入汽缸，稍一歪斜，密封便要磨坏。

1784 年，瓦特用几根铰接的铁杆解开了它：横梁上垂下一根吊杆，机架上伸出一根半径杆，再配一个平行四边形。细线是横梁端点的弧，粗线是活塞杆顶端的路；四英尺的行程里，它离直线不到一厘米。晚年他对儿子说，这是他平生最得意的发明。

弧线：横梁的端点 · 直线：活塞杆的顶端

太阳和行星

要带动工厂里的机器，往复须化作旋转。曲柄最是现成，可 1780 年，詹姆斯·皮卡德已为曲柄连杆取得专利。瓦特的雇员威廉·默多克另辟一径，1781 年以瓦特之名获得专利：连杆下端固定一只齿轮，叫“行星”；它不自转，只绕着飞轮轴上的“太阳”公转，带着太阳旋转。

两轮一般大小，行星绕行一周，太阳便转过两圈。活塞一来一回，十六英尺的飞轮转两圈；活塞走一个单程，飞轮恰好一圈。沉重的铸铁轮缘，把每一冲程里时强时弱的推力，抹成匀匀的转动。

行星绕一周 · 太阳与飞轮转两圈

飞球调速器

一台机器带着 43 台研磨机，负荷从无定时：这边停下几台，那边又接上几台。负荷一轻，机器便越转越快。1788 年，博尔顿和瓦特从风车磨坊借来一样东西：两只飞球挂在一根随机器旋转的立轴上。转得快，球便张开，托起一只滑套，经杠杆把蒸汽管里的节流阀掩小；转得慢，球垂落，阀门随之开大。

每只球停在这样一个角度：吊臂斜斜拉住它，这股拉力既托起它的重量，又恰好让它绕轴而行，cos α = g /（ω²ℓ），ω 是转速，ℓ 是吊臂长。研磨机一齐停下，飞球张开，阀门渐掩；一齐接上，飞球垂落，阀门复开。只是转速回不到原处：负荷轻了，机器便稳在稍快的地方。这是这种调速器的本性。

转得越快，飞球张得越开，节流阀掩得越小

拆开来看

骨架是英国橡木，用熟铁箍和螺栓拉紧，横梁也是木头。汽缸、齿轮、飞轮是铸铁，飞轮边上嵌着 304 枚木齿，带动通往研磨车间的副轴；飞球和阀门的配件是黄铜；地基是砖砌的。

拆开来，每一件各有去处：横梁升起，飞轮退后，汽缸让到一旁。指尖停在哪一件上，哪一件便被托出来，报上名字。

剖开

博物馆里的教学模型，常剖去四分之一，把内里示人。这里剖开的是汽缸、冷凝水池和节流阀：活塞在缸中起落，蒸汽从两端轮流进出；冷凝器里，一股冷水散作细雾，蒸汽一触即化为水；气泵随横梁起伏，把水和空气抽走。

冷凝器里的压力，不到大气的十分之一。活塞一侧是略高于大气的蒸汽，另一侧近乎真空；这一点压力之差，推动着活塞，也推动着整台机器。

剖面：汽缸 · 冷凝器与气泵 · 节流阀

它改变了什么

这台“研磨机”在马修·博尔顿的索霍工厂里，带动打磨纽扣与带扣的机器，一转就是七十年。到 1800 年博尔顿与瓦特的合伙结束，他们共造了 451 台蒸汽机，其中 268 台是转动式的。工厂从此不必傍河取力，可以建在有煤、有人的地方。

为了告诉买主一台机器抵得几匹马，瓦特把一马力定为每分钟 33000 英尺磅，约合 745.7 瓦。这台机器的额定功率是 10 马力，约 7.5 千瓦。1882 年，威廉·西门子提议以他的名字命名功率单位；如今“瓦特”是国际单位制的单位，印在每一只灯泡上。1868 年，麦克斯韦写下一篇论文，追问调速器为何有时来回摆荡，后人把它看作控制理论的开端。

1 马力 = 33000 英尺磅每分钟 ≈ 745.7 瓦