为什么瓦特被称为第一代现代技术专家?
1753年,瓦特的父亲经商失败,随后母亲去世,家里一贫如洗。瓦特,17,被迫外出谋生,成为格拉斯哥一家钟表店的学徒。两年后,他到达伦敦,在著名机械师摩根手下当弟子。1756年,他回到了苏格兰。瓦特想自己创业制造仪器,但由于他的学徒期不够长,达不到市政当局的要求,只好由朋友介绍,在市政当局管辖的格拉斯哥大学当了一名修理教学仪器的工人。不久,一位商人向格拉斯哥大学捐赠了大量天文仪器,但这些仪器都已破旧不堪,无法正常运转。瓦特主动修理这些仪器,很快就修好了。一位教授由衷地称赞:瓦特是一个具有丰富机械知识的年轻人,非常机敏,才华出众。
1763年,另一个损坏的蒸汽机模型被送到格拉斯哥大学。瓦特被指派全权负责修理和启动机器,让学生们做实验。谁也没想到这是瓦特在人类历史上伟大成就的开始。
蒸汽机是一种利用蒸汽将热能转化为机械能的动力装置。对蒸汽的认识和利用经历了漫长的历史。英国君主立宪制建立后,英国工业迅速发展,珍妮纺纱机和液压纺纱机得到广泛应用,但动力问题成为扩大机器生产的“瓶颈”。1705年,英国铁匠牛克门制造了一台“牛克门蒸汽机”,可用于矿井抽水。但由于油耗过大、往复直线运动、温度不可控等缺点,在其他生产部门没有得到广泛应用。
瓦特主持修理了一台“按钮门蒸汽机”,他接受这个任务后很快就修好了按钮门发动机模型。但他对此并不满意。通过这次修理,瓦特更多地了解了蒸汽机的结构、性能和存在的问题,并对它产生了兴趣,就像着了迷一样。他观察到,纽扣发动机的活塞基本上用机械动力代替了人的手,但一分钟只能来回10次,效率极低。他决心改进蒸汽机的设计。
瓦特开始学习蒸汽机的原理,并根据发动机的原理考虑问题。他还研究了蒸汽的性质,从蒸汽和燃料消耗等具体问题开始,然后扩展到热运动和发动机之间的关系等抽象问题。他做了许多实验,但仍未想出具体的方法来提高按钮式蒸汽机的效率。
在一个阳光明媚的周日下午,瓦特正在郊区散步,但他的脑海中仍然想着蒸汽机。突然,一个想法闪现在他的脑海里:安装一个蒸汽冷凝器,可以弥补蒸汽在汽缸内冷却冷凝,浪费太多热量的重大缺陷。他立即辞去了在格拉斯哥大学的工作,投身于样机的试制。在租来的地下室里,瓦特和他的助手经过反复实验,终于在1768做出了带独立冷凝器的单作用蒸汽机,并于次年获得了专利申请。瓦特的蒸汽机比巴顿的蒸汽机有更明显的优势:安全更可靠,运动更快,油耗降低75%。每个人都称赞瓦特的发明。
“不!只是单演类型的。我还想做个联动,让它运行得更顺畅!”瓦特对自己的成就并不满意。
1774年,瓦特因为妻子的去世,从苏格兰搬到了伯明翰。在制造商博尔顿的支持下,我们继续制造和改进蒸汽机。1781年,瓦特采用行星齿轮机构,将蒸汽机的往复运动变为旋转运动。1782年,瓦特制造了一台更完善的联动蒸汽机,其效率提高了4倍。1784年,他发明了平行连杆机构,使蒸汽机得到了更广泛的应用。一年后,英国出现了第一个由蒸汽机驱动的纺纱机。1788瓦特发明了离心调速器和节流阀。1790年,做了汽缸执行器,终于完成了蒸汽机的整个发明过程。从此,性能优越的瓦特蒸汽机彻底取代了老式的按钮门发动机。
从技术角度来说,瓦特蒸汽机和巴顿发动机有质的区别。钮扣发动机的活塞运动一部分是由蒸汽驱动的,另一部分是由外界大气压力驱动的。瓦特蒸汽机采用密封气缸,活塞运动完全依靠蒸汽的推力,因此可以称之为世界上第一台蒸汽机。此外,离心调节器在蒸汽机上的应用创造了一个动力单位——马力,这也是瓦特的功劳。离心调节器是通过过程本身的变化来控制过程的装置。虽然自动化的兴起发生在20世纪之后,但却始于瓦特。调节器这个词,通过希腊语,给我们提供了一种现代语言——控制论。
从研究方法上看,瓦特当时并没有进入工匠行列,也没有接受过高等教育。但他找到了一条观察、理解和探索蒸汽机的新途径,即从科学和实用两方面分析发动机是如何工作的。这是现代技术专家特有的研究方法,所以我们称瓦特为第一个现代技术专家也不为过。