正本清源說工業(yè)革命（一）

一、從伽利略到馬德堡半球實驗

生產力決定生產關系。

近代史的生產力的主線，就是工業(yè)革命。

哪個國家完成了工業(yè)革命，那么哪個國家就有較高的生產力，才能屹立于世界民族之林。

第一次工業(yè)革命造成思想、文化上的影響，一直延續(xù)至今。

比如有一個問題，中華文明在工業(yè)革命之前，一直領先世界，為什么工業(yè)革命沒有首先在中國發(fā)生？

事實上，中國人沒有首先開啟工業(yè)革命，葡萄牙人沒有，西班牙人沒有，法國，荷蘭，俄羅斯等等國家也沒有首先開啟工業(yè)革命。

不要說德國了，那個時候還沒有德國這個國家，只有德意志地區(qū)的一堆小王國。

只有英國人首先開啟了工業(yè)革命。

一般說起工業(yè)革命的起源，都會從紡織業(yè)講起，比如飛梭和珍妮紡紗機的發(fā)明。

這些都是節(jié)省人力，提高效率的措施。

這些大家都容易理解，比較直觀。

因為中國也有紡車，甚至30年前一些老人還會使用紡車。

宋末元初的松江府（就是上海），紡織專家黃道婆就發(fā)明了很多效率很高的紡織技術，被譽為“衣被天下”。

工業(yè)革命的起源中，難以理解的，就是那個蒸汽機。

因為蒸汽機采用化石能源，大規(guī)模解放了人力，提高了能量密度，從此勢不可擋。

這個中間，在很多人的理解中就出現(xiàn)了斷檔，好像突然從天上掉下來的一樣。

那蒸汽機是怎么來的呢？

很多人的理解蒸汽機的原理，是茶壺燒開水，然后蒸汽吹動一個旋轉的葉片。

于是，這些人一直上溯，找到了古羅馬的一個數(shù)學家和發(fā)明家希羅那里。

因為希羅發(fā)明了一個裝置，叫汽轉球。

當你不斷加熱這個灌滿水的銅球，那么蒸汽就會從銅球上的兩個彎管噴出來，這個球就因為反作用力轉了起來。

如此一來，那么蒸汽機就簡單了。

你只要設計一個裝置，從氣缸兩邊依次吹入蒸汽，推動活塞左右移動，再帶動飛輪，那么蒸汽機就運轉起來了。

這個機械結構中國也有，就是北方農村廚房使用的風箱：

風箱是這樣的，你拉它，能出風，你推它，它也能出風。

風箱最早的記錄，是中國的漢朝。

這個邏輯是多么的平滑順暢，多么的容易理解。

估計瓦特觀察茶壺燒開水，然后發(fā)明蒸汽機的故事就是這么來的。

非常的可惜，以上的推導，全部都是錯的。

不僅僅說瓦特的那個故事是錯的，而是你對蒸汽機原理的理解整個都是錯的。

很簡單，因為如果靠蒸汽噴出來，根本產生不了多少力量。

蒸汽噴出來，不過就是一陣風，靠這種方法，你只能做出一個玩具，而不可能達到一匹馬的力量。

真正的力量是大氣壓。

最早對大氣壓進行研究的大物理學家伽利略。

因為當時意大利有很多沼澤，那么有人抽水的時候，發(fā)現(xiàn)水怎么也抽不到10米以上，就去請教伽利略。

伽利略的學生托里拆利，首先驗證了大氣壓的存在，并且用水銀給出了度量。

但是這個結果，對于大眾來說，并不容易理解。

1654年，馬德堡的市長奧托·馮·格里克就搞了一個極具宣傳效應的馬德堡半球實驗。

就是拿兩個直徑14英寸（約37厘米，注意這個尺寸）半球，將其中的空氣抽干，形成局部真空，然后兩邊各用大馬來拉，直到增加到16匹馬，兩邊各8匹馬的時候，才將半球拉開。

湖南衛(wèi)視曾經還原過馬德堡半球實驗。

由于現(xiàn)代抽氣機比1654年的抽氣機強太多，所以在這個節(jié)目中用16匹馬根本拉不開，用汽車也拉不開，最后用動力機車才拉開。

馬德堡半球的意義是什么？

是瞬間的爆發(fā)力。

不僅僅是強大的宣傳效應，不僅僅是證明了大氣壓的存在，而且直觀的向人們展示了大氣壓的力量有多么恐怖

按照當時的技術條件，兩邊各8匹馬，就是局部真空能產生8匹馬的力量。

聰明的朋友可能已經想到了如下這一點:

如果你能連續(xù)的制造真空，那么你就可以用直徑14英寸那么小的空間，持續(xù)產生8匹馬的力量。

二、煤與蒸汽機

最早蒸汽機的原理，其實不是噴出蒸汽，而是和拔火罐、吸墻掛鉤的原理類似。

比如說拔火罐，就是把火罐里面的氧氣燒掉，產生了局部真空，然后火罐就能“吸”在人身上了。

那么，怎么持續(xù)的制造真空呢？

當你把水蒸汽全部充滿一個容器的時候，里面的蒸汽就會將大部分空氣擠出來。

這個時候容器中大部分都是水蒸氣了，然后你往容器里面注入冷水，蒸汽就會冷卻，形成一個局部真空。

如果是一個充滿蒸汽可樂罐子，放到冷水中，大氣壓會瞬間把可樂罐子壓扁。

最早的蒸汽機，其實是用于煤礦抽水的抽水機，就是采用的這個原理。

英國人用煤非常非常早，最早在羅馬入侵時期，就有用煤的傳統(tǒng)。

中間一段時期，用煤的傳統(tǒng)被遺忘了，但是在13世紀又開始用煤。

到16世紀，煤炭已經發(fā)展成了一樁大生意，有很多煤炭商人。

原因是木材短缺。

因為木材這個東西，是當時幾乎所有制造業(yè)都需要用到的，建房子、做家具，馬車、工具、造船、煉鐵用的木炭等等。

作為一個島國，英國的森林是有限的，用來取暖做飯就太奢侈了。

其實最初，貴族都不愿意用煤，因為煤燃燒的時候，會發(fā)出一種難聞的氣味，不像木頭燃燒，還有一種植物的清香。

但是沒有辦法，因為木材實在是太短缺了，尤其是到了工業(yè)革命前夕，圈地運動導致大量森林被砍伐。

英國作為一個島國，發(fā)展海軍那是一定的，而造船，需要的木材量驚人。

風帆時代的一級戰(zhàn)列艦，需要2000根百年樹齡以上的木材。

所以，木材還是一種戰(zhàn)略物資，海軍會派人管制。

木材的價格一度超過通貨膨脹，價格奇高。

這樣煤炭的需求就非常大，生意就逐漸興旺起來。

英國的煤礦，最容易遇到的問題，就是積水，挖一段時間，水就要把煤礦淹沒了。

最早是用人力進行排水，這個工作又辛苦又沒有效率。

后來一般是養(yǎng)50匹馬，讓馬拉抽水機進行排水。

50匹馬，人吃馬喂，開銷非常大。

這個時候，如何更有效率的進行抽水，就成為了一個亟待解決的難題。

人們在煤礦研究抽水的問題，同時又知道大氣壓的原理，因為大氣壓本來最早就是用來抽水的。

這樣，人們想到利用蒸汽制造局部真空進行抽水，那就是一步之遙。

首先想到這點的是一個叫塞維利的人。

塞維利發(fā)明的蒸汽機，其實是一種蒸汽泵。

當水蒸氣充滿A右邊那個圓筒的時候，從C處加入冷水，水蒸氣瞬間冷凝，形成局部真空，就把水抽上來了。

但是這個裝置，很多地方都需要人工來操作，不夠自動化。

最關鍵的是，這個力量只是加在水上。

一個叫紐科門的人，發(fā)明的蒸汽泵，則更加自動化，而且增加了活塞，力量可以加在活塞上。

原理類似，就是當汽缸中充滿蒸汽的時候，噴冷水形成局部真空，將活塞“吸”下來，然后活塞被拉上去的時候，再充滿蒸汽，再噴冷水，如此往復。

這個關鍵的改進是，當噴冷水的時候，如果活塞的直徑達到14英寸，我們立刻從馬德堡半球實驗就知道，活塞上的力量至少是8匹馬的力量。

這是一種遠超人力、畜力的力量，而且比風力和水力更穩(wěn)定。

但是這個裝置有很多的問題。

其中的一個問題是，這個裝置是一個燃料怪獸，每天需要的煤驚人的多。

這種裝置能存活下來，完全是因為煤礦的散煤非常多，運出去賣不上價錢，不如就用來燒掉抽水。

但是，就算這樣，消耗的煤越來越多，礦主們也難以承受。

其實，當然的人們并不知道為什么這種裝置消耗的煤這么多。

原因是，這種裝置的能量轉換效率只有0.5%。

就是說，你燒掉100頓煤，最后只有0.5噸煤的能量是真正用來抽水的，其余的熱量全部散發(fā)掉了。

只能說英國的煤是真的好，含有的熱量真是高，否則差一點，這種裝置都跑不起來。

這個時候，就輪到瓦特出場了。

瓦特并沒有發(fā)明蒸汽機，而是改進了蒸汽機。

這個改進才是真正重要的。

瓦特是一個蘇格蘭人，祖上三代都是蘇格蘭人。

瓦特最開始是一個儀器制造商，制造的天文儀器的手藝非常之高。

瓦特在蘇格蘭的格拉斯哥大學有一個工作室，也為大學制造儀器，因此和很多教授成為了朋友。

其中包括格拉斯哥大學的教授約瑟夫.布萊克，定量化學之父。

布萊克教授當時已經發(fā)現(xiàn)了如何度量熱的方法，而且知道蒸汽中存在“潛熱”。

瓦特就是在維修紐科門蒸汽機的時候，就是應用了這些理論。

比如說，蒸汽進入汽缸，然后汽缸加熱，再噴入冷水，汽缸就降溫了，這樣汽缸需要再次加熱，這個過程中，熱量就被浪費了。

瓦特想到了一個方法，可以不讓蒸汽在汽缸中冷凝，而是單獨做一個冷凝器。

這樣汽缸就不需要反復加熱了。

這一步操作，就直接讓蒸汽機的能量轉化效率提升到了2-3%。

這是個什么概念呢？

現(xiàn)在汽車發(fā)動機的能量轉化效率其實一直在提高，目前轉化效率大約40%左右。

有一個節(jié)目，叫《流言終結者》，驗證96%的酒精能不能發(fā)動汽車。

節(jié)目組先找了一輛1973年的汽車，這種汽車已經采用了化油器，只能做到發(fā)動，速度很慢，跑一圈就熄火了，無法處理4%的水分。

90年代的汽車，已經采用了直噴技術，可以跑2圈，但是有明顯的頓挫感。

2013年的汽車，跑起來完全沒有問題，非常的順暢。

但是，你不要嘗試，因為這種做法非常損害發(fā)動機。

汽車廠家，每年竭盡全力，采用各種發(fā)明和工藝，只能將能量轉化效率提升1%，即1/40倍。

而瓦特，憑借一己之力，就將原來的裝置提升了3-4倍。

這樣，就可以節(jié)省1/3到1/4的煤。

最開始，瓦特的蒸汽機，就是用這個賣點推銷的，但是由于非常難以計算。

后來改成用汽缸的直徑來賣，直徑越大就賣的越貴。

這是一個很好的商業(yè)創(chuàng)新。

在改進蒸汽機的過程中，最讓瓦特感到頭疼的，花費最多時間，消耗最多成本的問題，并不是他發(fā)明的冷凝器、離心控制器、傳動裝置。

瓦特的蒸汽機遲遲不能商用，最大的問題，是汽缸的密封問題。

因為如果汽缸漏氣的話，冷凝產生的局部真空就無法產生足夠的力量。

瓦特嘗試了硬紙板、毛氈布、麻繩，甚至馬糞，但是全部都失敗了。

瓦特最早和蘇格蘭卡倫鋼鐵廠的羅巴克合作的時候，卡倫鋼鐵廠做了一個鐵的汽缸，已經是當時卡倫鋼鐵廠做出了最好的產品了，但是仍然不滿足要求蒸汽機的最低要求。

卡倫鋼鐵廠是給海軍造短炮的，工藝已經十分先進。

所以，卡倫工廠的師傅們對此表示憤憤不平，表示他們根本不是鐵匠，已經竭盡全力了，讓他們做這個東西就是強人所難。

瓦特后來是怎么解決問題的呢？

瓦特是和博爾頓合作的時候，訂購了鐵匠大師威爾金森的汽缸，才滿足了要求。

威爾金森也是給海軍造槍炮的，因此發(fā)明了一種精密鏜床。

鏜，這個動作就是“掏”，加工一個空心的圓柱體內部，就需要用鏜床。

比如一個炮管內部，就是用鏜床旋轉鏜刀，把炮管內部加工光滑的。

利用鏜床，可以把汽缸和活塞之間的縫隙加工得很小很小，再填充麻繩油脂，就能保證不漏氣了。

所以，真正實用的蒸汽機，采用的加工工藝是大炮的加工工藝。

三、風帆戰(zhàn)艦與海上貿易

蒸汽機是怎么和大炮聯(lián)系在一起的呢？

只要蒸汽在汽缸中產生的壓力高于一個大氣壓，那么就比制造局部真空的方法產生的力量要大。

所以，當蒸汽進入汽缸之后，并不是你所理解的，推動了活塞，而是一次急速的氣體膨脹。

所謂“急速的氣體膨脹”，你可理解為一次“爆炸”。

什么東西是用急速的氣體膨脹工作的？

那就是大炮。

火藥在炮膛內燃燒之后，就發(fā)生了急速的氣體膨脹，然后將炮彈發(fā)射出去。

最早的炮彈，是一種實心的鐵球。

這個鐵球就類似蒸汽機的活塞，只是大炮將“活塞”發(fā)射出去了。

那么大炮需要的承受極大的氣體壓力，密封等工藝就和蒸汽機需要的是一模一樣的。

那么問題就很清楚了。

火炮，才是人類最早采用化學能做功的動力機械，是蒸汽機的直系祖先。

根本不是什么汽轉球這種玩具。

尤其是采用高壓蒸汽的時候，這種區(qū)別更加明顯。

很多人無法區(qū)分模型和大規(guī)模商用機器的差別。

比如那種高壓蒸汽機，瓦特早就做出模型了，但是他非常理智的沒有采用高壓蒸汽。

因為做一個模型出來容易，商用要考慮很多問題。

如果采用高溫高壓蒸汽，那么你的鍋爐和管道，都必須要承受很高的壓力，而當時的工藝根本做不到。

關鍵這個系統(tǒng)并不是運行一次，而是要持續(xù)運行，持續(xù)承受高壓。

有一個富二代，叫特里維西克，不信邪，非要采用高溫高壓蒸汽，結果導致了很多次的爆炸，工廠主們不在信任他。

最后，特里維西克妻離子散，流落海外后破產，郁郁而終。

其實高溫高壓蒸汽的路沒有錯，只是在當時過于先進了。

火炮技術沒有先進到一種程度，根本不可能做出實用的蒸汽機。

那么，火炮是怎么來的呢？

毫無疑問，火炮是中國人發(fā)明的。

說中國人發(fā)明了火藥，但是只是用來做鞭炮，這種說法是錯誤的。

最早有記載的火炮是中國的宋代，發(fā)現(xiàn)考古的實物是在元代。

技術流傳的路徑是，蒙古人西征帶到阿拉伯世界，然后由阿拉伯世界流入西歐。

1453年，奧斯曼帝國圍攻拜占庭君士坦丁堡的時候，就采用了一種烏爾班大炮。

當時，烏爾班大炮發(fā)生了炸膛，發(fā)明人烏爾班當場被炸死。

可憐的烏爾班到死都沒想到，他的大炮設計沒有問題，而是大炮的鑄鐵的工藝不行，完全無法承受高溫高壓。

那么既然火炮是中國人發(fā)明的，怎么英國人后來居上了呢？

那是因為需求不同。

火炮這個東西，陸軍不是不需要，但是有個問題，那就是重。

這個會給后勤帶來很大的壓力。

比如說烏爾班大炮，運送的時候需要60頭牛，400人，每天只能前進2.5英里。

工業(yè)革命之前，歐洲的陸軍普遍缺乏火炮，一門加農炮和炮隊，需要30匹馬，如果再加上彈藥，需要150匹馬。

一門3磅的炮花費的費用，可以上2個騎兵全鎧甲，足夠買3匹馬。

所以，通常的情形是1萬步兵，3000騎兵，火炮只有20門甚至個位數(shù)。

中國雖然發(fā)生改朝換代，但是本身就是東亞霸主。

總體上來看，外部的威脅還是不大的，所以陸軍中火炮投資的不多。

但是火炮在一個地方，重就不是太大的問題，那就是在船上。

因為船本身就是移動的，載重量大，而上面的火炮不需要長途搬運。

比如風帆時代，一級戰(zhàn)列艦，可以配置100門火炮。

為什么這么多？

因為這些火炮是輪流發(fā)射的。

所以，不是英國人后來居上了，是西班牙、葡萄牙、荷蘭、英國、法國等等整個都后來居上了。

地理大發(fā)現(xiàn)后，進入大航海時代，貿易的利益巨大。

這些國家的之間的海戰(zhàn)就沒停過。

先是英國人和西班牙進行海戰(zhàn)，然后又進行了好幾次的英荷戰(zhàn)爭，最后英國和法國又開始海戰(zhàn)。

戰(zhàn)爭，一定是毀滅財富的。

但是戰(zhàn)爭卻會對武器定向投資，持續(xù)的投資就導致火炮的技術突飛猛進。

中國對于海戰(zhàn)，沒有那么多需求，所以并沒有持續(xù)投資。

（本來想一篇寫完的，寫不完，待續(xù)。。。）