 正本清源说工业革命（一） 一、从伽利略到马德堡半球实验 生产力决定生产关系。 近代史的生产力的主线，就是工业革命。 哪个国家完成了工业革命，那么哪个国家就有较高的生产力，才能屹立于世界民族之林。 第一次工业革命造成思想、文化上的影响，一直延续至今。 比如有一个问题，中华文明在工业革命之前，一直领先世界，为什么工业革命没有首先在中国发生？ 事实上，中国人没有首先开启工业革命，葡萄牙人没有，西班牙人没有，法国，荷兰，俄罗斯等等国家也没有首先开启工业革命。 不要说德国了，那个时候还没有德国这个国家，只有德意志地区的一堆小王国。 只有英国人首先开启了工业革命。 一般说起工业革命的起源，都会从纺织业讲起，比如飞梭和珍妮纺纱机的发明。 这些都是节省人力，提高效率的措施。 这些大家都容易理解，比较直观。 因为中国也有纺车，甚至30年前一些老人还会使用纺车。 宋末元初的松江府（就是上海），纺织专家黄道婆就发明了很多效率很高的纺织技术，被誉为“衣被天下”。 工业革命的起源中，难以理解的，就是那个蒸汽机。 因为蒸汽机采用化石能源，大规模解放了人力，提高了能量密度，从此势不可挡。 这个中间，在很多人的理解中就出现了断档，好像突然从天上掉下来的一样。 那蒸汽机是怎么来的呢？ 很多人的理解蒸汽机的原理，是茶壶烧开水，然后蒸汽吹动一个旋转的叶片。 于是，这些人一直上溯，找到了古罗马的一个数学家和发明家希罗那里。 因为希罗发明了一个装置，叫汽转球。  当你不断加热这个灌满水的铜球，那么蒸汽就会从铜球上的两个弯管喷出来，这个球就因为反作用力转了起来。 如此一来，那么蒸汽机就简单了。 你只要设计一个装置，从气缸两边依次吹入蒸汽，推动活塞左右移动，再带动飞轮，那么蒸汽机就运转起来了。  这个机械结构中国也有，就是北方农村厨房使用的风箱：  风箱是这样的，你拉它，能出风，你推它，它也能出风。 风箱最早的记录，是中国的汉朝。 这个逻辑是多么的平滑顺畅，多么的容易理解。 估计瓦特观察茶壶烧开水，然后发明蒸汽机的故事就是这么来的。 非常的可惜，以上的推导，全部都是错的。 不仅仅说瓦特的那个故事是错的，而是你对蒸汽机原理的理解整个都是错的。 很简单，因为如果靠蒸汽喷出来，根本产生不了多少力量。 蒸汽喷出来，不过就是一阵风，靠这种方法，你只能做出一个玩具，而不可能达到一匹马的力量。 真正的力量是大气压。 最早对大气压进行研究的大物理学家伽利略。 因为当时意大利有很多沼泽，那么有人抽水的时候，发现水怎么也抽不到10米以上，就去请教伽利略。 伽利略的学生托里拆利，首先验证了大气压的存在，并且用水银给出了度量。 但是这个结果，对于大众来说，并不容易理解。 1654年，马德堡的市长奥托·冯·格里克就搞了一个极具宣传效应的马德堡半球实验。  就是拿两个直径14英寸（约37厘米，注意这个尺寸）半球，将其中的空气抽干，形成局部真空，然后两边各用大马来拉，直到增加到16匹马，两边各8匹马的时候，才将半球拉开。 湖南卫视曾经还原过马德堡半球实验。 由于现代抽气机比1654年的抽气机强太多，所以在这个节目中用16匹马根本拉不开，用汽车也拉不开，最后用动力机车才拉开。  马德堡半球的意义是什么？ 是瞬间的爆发力。 不仅仅是强大的宣传效应，不仅仅是证明了大气压的存在，而且直观的向人们展示了大气压的力量有多么恐怖 按照当时的技术条件，两边各8匹马，就是局部真空能产生8匹马的力量。 聪明的朋友可能已经想到了如下这一点: 如果你能连续的制造真空，那么你就可以用直径14英寸那么小的空间，持续产生8匹马的力量。 二、煤与蒸汽机 最早蒸汽机的原理，其实不是喷出蒸汽，而是和拔火罐、吸墙挂钩的原理类似。 比如说拔火罐，就是把火罐里面的氧气烧掉，产生了局部真空，然后火罐就能“吸”在人身上了。 那么，怎么持续的制造真空呢？ 当你把水蒸汽全部充满一个容器的时候，里面的蒸汽就会将大部分空气挤出来。 这个时候容器中大部分都是水蒸气了，然后你往容器里面注入冷水，蒸汽就会冷却，形成一个局部真空。 如果是一个充满蒸汽可乐罐子，放到冷水中，大气压会瞬间把可乐罐子压扁。 最早的蒸汽机，其实是用于煤矿抽水的抽水机，就是采用的这个原理。 英国人用煤非常非常早，最早在罗马入侵时期，就有用煤的传统。 中间一段时期，用煤的传统被遗忘了，但是在13世纪又开始用煤。 到16世纪，煤炭已经发展成了一桩大生意，有很多煤炭商人。 原因是木材短缺。 因为木材这个东西，是当时几乎所有制造业都需要用到的，建房子、做家具，马车、工具、造船、炼铁用的木炭等等。 作为一个岛国，英国的森林是有限的，用来取暖做饭就太奢侈了。 其实最初，贵族都不愿意用煤，因为煤燃烧的时候，会发出一种难闻的气味，不像木头燃烧，还有一种植物的清香。 但是没有办法，因为木材实在是太短缺了，尤其是到了工业革命前夕，圈地运动导致大量森林被砍伐。 英国作为一个岛国，发展海军那是一定的，而造船，需要的木材量惊人。 风帆时代的一级战列舰，需要2000根百年树龄以上的木材。 所以，木材还是一种战略物资，海军会派人管制。 木材的价格一度超过通货膨胀，价格奇高。 这样煤炭的需求就非常大，生意就逐渐兴旺起来。 英国的煤矿，最容易遇到的问题，就是积水，挖一段时间，水就要把煤矿淹没了。 最早是用人力进行排水，这个工作又辛苦又没有效率。 后来一般是养50匹马，让马拉抽水机进行排水。 50匹马，人吃马喂，开销非常大。 这个时候，如何更有效率的进行抽水，就成为了一个亟待解决的难题。 人们在煤矿研究抽水的问题，同时又知道大气压的原理，因为大气压本来最早就是用来抽水的。 这样，人们想到利用蒸汽制造局部真空进行抽水，那就是一步之遥。 首先想到这点的是一个叫塞维利的人。 塞维利发明的蒸汽机，其实是一种蒸汽泵。  当水蒸气充满A右边那个圆筒的时候，从C处加入冷水，水蒸气瞬间冷凝，形成局部真空，就把水抽上来了。 但是这个装置，很多地方都需要人工来操作，不够自动化。 最关键的是，这个力量只是加在水上。 一个叫纽科门的人，发明的蒸汽泵，则更加自动化，而且增加了活塞，力量可以加在活塞上。 原理类似，就是当汽缸中充满蒸汽的时候，喷冷水形成局部真空，将活塞“吸”下来，然后活塞被拉上去的时候，再充满蒸汽，再喷冷水，如此往复。  这个关键的改进是，当喷冷水的时候，如果活塞的直径达到14英寸，我们立刻从马德堡半球实验就知道，活塞上的力量至少是8匹马的力量。 这是一种远超人力、畜力的力量，而且比风力和水力更稳定。 但是这个装置有很多的问题。 其中的一个问题是，这个装置是一个燃料怪兽，每天需要的煤惊人的多。 这种装置能存活下来，完全是因为煤矿的散煤非常多，运出去卖不上价钱，不如就用来烧掉抽水。 但是，就算这样，消耗的煤越来越多，矿主们也难以承受。 其实，当然的人们并不知道为什么这种装置消耗的煤这么多。 原因是，这种装置的能量转换效率只有0.5%。 就是说，你烧掉100顿煤，最后只有0.5吨煤的能量是真正用来抽水的，其余的热量全部散发掉了。 只能说英国的煤是真的好，含有的热量真是高，否则差一点，这种装置都跑不起来。 这个时候，就轮到瓦特出场了。 瓦特并没有发明蒸汽机，而是改进了蒸汽机。 这个改进才是真正重要的。 瓦特是一个苏格兰人，祖上三代都是苏格兰人。 瓦特最开始是一个仪器制造商，制造的天文仪器的手艺非常之高。 瓦特在苏格兰的格拉斯哥大学有一个工作室，也为大学制造仪器，因此和很多教授成为了朋友。 其中包括格拉斯哥大学的教授约瑟夫.布莱克，定量化学之父。 布莱克教授当时已经发现了如何度量热的方法，而且知道蒸汽中存在“潜热”。 瓦特就是在维修纽科门蒸汽机的时候，就是应用了这些理论。 比如说，蒸汽进入汽缸，然后汽缸加热，再喷入冷水，汽缸就降温了，这样汽缸需要再次加热，这个过程中，热量就被浪费了。 瓦特想到了一个方法，可以不让蒸汽在汽缸中冷凝，而是单独做一个冷凝器。 这样汽缸就不需要反复加热了。  这一步操作，就直接让蒸汽机的能量转化效率提升到了2-3%。 这是个什么概念呢？ 现在汽车发动机的能量转化效率其实一直在提高，目前转化效率大约40%左右。 有一个节目，叫《流言终结者》，验证96%的酒精能不能发动汽车。 节目组先找了一辆1973年的汽车，这种汽车已经采用了化油器，只能做到发动，速度很慢，跑一圈就熄火了，无法处理4%的水分。 90年代的汽车，已经采用了直喷技术，可以跑2圈，但是有明显的顿挫感。 2013年的汽车，跑起来完全没有问题，非常的顺畅。 但是，你不要尝试，因为这种做法非常损害发动机。 汽车厂家，每年竭尽全力，采用各种发明和工艺，只能将能量转化效率提升1%，即1/40倍。 而瓦特，凭借一己之力，就将原来的装置提升了3-4倍。 这样，就可以节省1/3到1/4的煤。 最开始，瓦特的蒸汽机，就是用这个卖点推销的，但是由于非常难以计算。 后来改成用汽缸的直径来卖，直径越大就卖的越贵。 这是一个很好的商业创新。 在改进蒸汽机的过程中，最让瓦特感到头疼的，花费最多时间，消耗最多成本的问题，并不是他发明的冷凝器、离心控制器、传动装置。 瓦特的蒸汽机迟迟不能商用，最大的问题，是汽缸的密封问题。 因为如果汽缸漏气的话，冷凝产生的局部真空就无法产生足够的力量。 瓦特尝试了硬纸板、毛毡布、麻绳，甚至马粪，但是全部都失败了。 瓦特最早和苏格兰卡伦钢铁厂的罗巴克合作的时候，卡伦钢铁厂做了一个铁的汽缸，已经是当时卡伦钢铁厂做出了最好的产品了，但是仍然不满足要求蒸汽机的最低要求。 卡伦钢铁厂是给海军造短炮的，工艺已经十分先进。 所以，卡伦工厂的师傅们对此表示愤愤不平，表示他们根本不是铁匠，已经竭尽全力了，让他们做这个东西就是强人所难。 瓦特后来是怎么解决问题的呢？ 瓦特是和博尔顿合作的时候，订购了铁匠大师威尔金森的汽缸，才满足了要求。 威尔金森也是给海军造枪炮的，因此发明了一种精密镗床。 镗，这个动作就是“掏”，加工一个空心的圆柱体内部，就需要用镗床。 比如一个炮管内部，就是用镗床旋转镗刀，把炮管内部加工光滑的。 利用镗床，可以把汽缸和活塞之间的缝隙加工得很小很小，再填充麻绳油脂，就能保证不漏气了。 所以，真正实用的蒸汽机，采用的加工工艺是大炮的加工工艺。 三、风帆战舰与海上贸易 蒸汽机是怎么和大炮联系在一起的呢？ 只要蒸汽在汽缸中产生的压力高于一个大气压，那么就比制造局部真空的方法产生的力量要大。 所以，当蒸汽进入汽缸之后，并不是你所理解的，推动了活塞，而是一次急速的气体膨胀。 所谓“急速的气体膨胀”，你可理解为一次“爆炸”。 什么东西是用急速的气体膨胀工作的？ 那就是大炮。 火药在炮膛内燃烧之后，就发生了急速的气体膨胀，然后将炮弹发射出去。 最早的炮弹，是一种实心的铁球。 这个铁球就类似蒸汽机的活塞，只是大炮将“活塞”发射出去了。 那么大炮需要的承受极大的气体压力，密封等工艺就和蒸汽机需要的是一模一样的。 那么问题就很清楚了。 火炮，才是人类最早采用化学能做功的动力机械，是蒸汽机的直系祖先。 根本不是什么汽转球这种玩具。 尤其是采用高压蒸汽的时候，这种区别更加明显。 很多人无法区分模型和大规模商用机器的差别。 比如那种高压蒸汽机，瓦特早就做出模型了，但是他非常理智的没有采用高压蒸汽。 因为做一个模型出来容易，商用要考虑很多问题。 如果采用高温高压蒸汽，那么你的锅炉和管道，都必须要承受很高的压力，而当时的工艺根本做不到。 关键这个系统并不是运行一次，而是要持续运行，持续承受高压。 有一个富二代，叫特里维西克，不信邪，非要采用高温高压蒸汽，结果导致了很多次的爆炸，工厂主们不在信任他。 最后，特里维西克妻离子散，流落海外后破产，郁郁而终。 其实高温高压蒸汽的路没有错，只是在当时过于先进了。 火炮技术没有先进到一种程度，根本不可能做出实用的蒸汽机。 那么，火炮是怎么来的呢？ 毫无疑问，火炮是中国人发明的。 说中国人发明了火药，但是只是用来做鞭炮，这种说法是错误的。 最早有记载的火炮是中国的宋代，发现考古的实物是在元代。 技术流传的路径是，蒙古人西征带到阿拉伯世界，然后由阿拉伯世界流入西欧。 1453年，奥斯曼帝国围攻拜占庭君士坦丁堡的时候，就采用了一种乌尔班大炮。 当时，乌尔班大炮发生了炸膛，发明人乌尔班当场被炸死。 可怜的乌尔班到死都没想到，他的大炮设计没有问题，而是大炮的铸铁的工艺不行，完全无法承受高温高压。 那么既然火炮是中国人发明的，怎么英国人后来居上了呢？ 那是因为需求不同。 火炮这个东西，陆军不是不需要，但是有个问题，那就是重。 这个会给后勤带来很大的压力。 比如说乌尔班大炮，运送的时候需要60头牛，400人，每天只能前进2.5英里。 工业革命之前，欧洲的陆军普遍缺乏火炮，一门加农炮和炮队，需要30匹马，如果再加上弹药，需要150匹马。 一门3磅的炮花费的费用，可以上2个骑兵全铠甲，足够买3匹马。 所以，通常的情形是1万步兵，3000骑兵，火炮只有20门甚至个位数。 中国虽然发生改朝换代，但是本身就是东亚霸主。 总体上来看，外部的威胁还是不大的，所以陆军中火炮投资的不多。 但是火炮在一个地方，重就不是太大的问题，那就是在船上。 因为船本身就是移动的，载重量大，而上面的火炮不需要长途搬运。  比如风帆时代，一级战列舰，可以配置100门火炮。 为什么这么多？ 因为这些火炮是轮流发射的。 所以，不是英国人后来居上了，是西班牙、葡萄牙、荷兰、英国、法国等等整个都后来居上了。 地理大发现后，进入大航海时代，贸易的利益巨大。 这些国家的之间的海战就没停过。 先是英国人和西班牙进行海战，然后又进行了好几次的英荷战争，最后英国和法国又开始海战。 战争，一定是毁灭财富的。 但是战争却会对武器定向投资，持续的投资就导致火炮的技术突飞猛进。 中国对于海战，没有那么多需求，所以并没有持续投资。 （本来想一篇写完的，写不完，待续。。。） |
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