第四章 科学家的态度

1 攀登新的高点

如果说博尔顿把具有发明创造天才的瓦特，看成是一棵取之不尽的“摇钱树”的话，那么，瓦特则把具有商业头脑和开拓精神的博尔顿，比作为能够点石成金的“魔术师”。这一对伙伴的结合，注定了他们会取得丰硕的成果。

现在，瓦特终于找到了坚强的后盾，没有后顾之忧了。他可以把自己的精力，集中用到技术开发方面。在市场经济的竞争中，仅靠大腕手段是不够的，还必须有质量高超的产品做根基，才能更好地打开局面，而这正是瓦特的责任。虽然，非旋转的复动式瓦特发动机制造了几台，甚至还造过几台那种单动的旋转式发动机，但是，这两项却是非常密切地联系在一起的。因为一旦旋转运动被设想出来，那么就可以将这来自应用于运转的两倍冲力的优点显而易见。博尔顿在 1781 年给瓦特的一封信里指出了这一点。他写道：

如果按照你几年前的设计和图纸去制造出上下运动的引擎，曲柄可完整地转一圈， 那么我们就有把握了，因为普通引擎是不能做上下运动的。

博尔顿在这封信里所提到的图纸，是在 1774 年、1775 年间提交关于延长引擎发明专利权法提案时绘制的。因此，我们可能会感到不理解：为什么竟然将这么一项大有发展前途的研究成果默默无闻地搁置了如此之久。在应用复动和旋转的原理方面，虽然瓦特起着智囊的作用，但博尔顿却起了促进作用，用他自己的话说，他充当了平安出世的助产士。

瓦特的优柔寡断是有着几个密切相关的原因的。康沃尔的事务使他忙得不可开交。当他不在康沃尔的时候，他实际上是在为康沃尔准备新式引擎的设计图纸而忙碌。尽管他全力以赴，但他却没有博尔顿那种商业上的远见， 从而他不可能看到比康沃尔更远的地方。可是他的合伙人却意识到康沃尔只能是一个短期的市场。因而他们必须找到并占领新的矿区。此外，从工艺上看，单动式抽水机引擎当时就十分走俏。正像我们后来看到的那样，虽然向康沃尔提供复动式抽水机引擎，但很多矿业经理却仍然宁愿选用那种老式的单动式引擎，并且继续定货。因此，康沃尔作为促使繁忙的瓦特去开拓新的领域的推动力的作用是微乎其微的。如上面所引用的那封信中说过的那样， 而是那位高瞻远瞩的博尔顿预见到了这种旋转式引擎大有前途，并且促使复动式原理首先得到运用。他在 1781 年 6 月写道：

伦敦、曼彻斯特和伯明翰的那批人，正狂热地迷信着蒸汽碾磨机，我的意思不是在催促您，但我认为在一两个月内，我们应该下决心取得制造旋转运动蒸汽引擎的某种方法的专利权⋯⋯像康沃尔这样的地方再也找不到了⋯⋯对我们引擎的最有希望的销路，就是把它们运到磨坊中去。这肯定是一个广阔的领域。

就这样瓦特被动员起来了。他开始了工作，并且一旦干上手，他便抓得很紧。他的复动式发动机是在 1782 年取得发明专利权的，到了 1783 年 3 月，

这种型号的第一台试验性发动机就在索荷运转起来了。它有一个 18 英寸的汽

缸，即小冲程为 18 英寸，这台旋转式发动机，被用来带动一台小型的谷物碾磨机。瓦特在早些时候，曾经利用单动式发动机试验过旋转运动，为了叙述起来方便些，我们把这些试验以及与此有关的那个关于曲柄发明专利权的众说纷纭的问题，留到后面去谈。

就汽缸、阀门和阀体而言，从单动到复动的变更，并不意味着有任何根本的变化，而只不过是一种改装而已。取代过去在汽缸底上的排气阀和平衡阀，以及顶上的一个蒸汽吸入阀（最早时期的单动式引擎除外）等老式安装， 现在则在两端都安装蒸汽吸入阀和排出阀。它们还是以前使用过的那种降落式阀门，这些阀门打开时是这样的：当汽缸的一端接通锅炉蒸汽时，另一端则通向冷凝器，并且处于真空状态。活塞就在每个冲程时产生动力。瓦特必须解决的最大问题是，怎样才能以最佳效果把这一动力传送到横梁上，在那种单动式发动机上，用一根链条把活塞杆和横梁上的扇形轮连接起来就足够了，因为链条总是处于张力状态，但现在的活塞杆却要来回推拉，因此，就必须采用某种形式的刚性连接才行。

瓦特马上就想到了采用导向丁字头和连接杆，但这种简单的解决办法对瓦特要达到的目的来说，却存在着若干严重的缺陷。由于当时还没有大型的刨床，因此，要想制造出表面确实十分平滑的长丁字头导杆来，会是极端困难而又昂贵的，无论如何这种导杆是无法采用的。因为要在这些导杆和横梁之间留出空隙，就必须有一根很长的连接杆，这会使发动机的整个高度增加， 这无疑会使那些可能成为买主的人感到心灰意冷。因此，瓦特便试图寻求别的解决办法。安装在索荷的被瓦特称之为第一台的“上下往复式发动机”， 在活塞杆的末端有一个导轨齿轮，它同横梁扇形轮上的一部分齿轮口齿合在一起。不用说，这种既原始又临时的办法是不会成功的。瓦特很快就抱怨齿轮的凸齿断了。他曾在此后不久写道：这台引擎“运转的动力真大，以至一再把所有的绞轮都弄断”。这就意味着整套装置都报废了。

由于想不出有效的办法，这套齿轮系统还是持续运转了一段时间，与此同时，瓦特仍在不断地尽力解决这个问题。1784 年 6 月，他写信给博尔顿说：

我已开始着手研究一个新问题啦！我已摸索到一种能使活塞杆上下垂直运动的方法，只要把活塞杆固定在横梁的一块铁板上，既不需要链条，也不要垂直导杆，外部也不需要摩擦件轴、弓形头和其他笨拙的玩艺儿，这个新装置，完全能够使我们如愿以偿⋯⋯ 迄今，我只用小模型进行过试验，因此还不能制造它，不过，我认为它很可能会成功的， 在我所设计过的所有机械装置中，它要算最精巧、最简单的一件了。

仅仅一周之后，他便又宣布说，他已经为这种新装置做了一个非常大的模型，并且“可望成功”。但他由于习惯于小心谨慎，所以提醒博尔顿说： “请您先别为此而得意洋洋，这个装置还没有经过合理的试验，也许还有一些尚未发现的缺点。”

这个装置，后来被称之为三杆传动装置。活塞杆上的丁字头通过耳轴， 连接到两根连杆的中部，这两根连杆以横梁的一端为枢轴而转动，并且从横梁上垂直地挂下来。在它们底下的那一端，这两根连杆用销钉连在一个半径杆上，半径杆的长度与横梁的半径相等。半径杆的另一端，则固定在机房墙壁上的一个固定支点上，这种装置运转良好，并且实际应用于两台发动机上， 但是，它却有着一个重大的缺陷，即机房因此不得不大大扩建，以便装下那

根长长的半径杆。为了克服这一缺陷，瓦特最初用的办法是改变几何运动的形式。通过移动垂直连扦中点上面的丁字头耳轴的连接点，就可以减少半径杆的长度。但是，这仅仅是一种改良措施而已。在这一演变过程中所走的第三步是具有决定性的，就是在横梁上挂一个平行连杆缩放仪，来取代外半径杆，而内垂直连杆则由半径杆控制着。这个难题就这样最终得到了解决，因为现在整个机械装置都安排在横梁之下，并且没有超过它。人们把这种三杆装置和缩放仪的结合，称之为平行传动装置。在内部附属垂直连杆的一点上， 现在有了垂直运动，而缩放仪下部的连杆则把这种运动传送到与丁字头耳轴相连的主垂直连杆的底端。

瓦特在退休时，对自己在漫长生涯中所取得的杰出的设计和发明成就进行过回顾，他感到最得意的并不是那个最初使他走上成名之道的分离冷凝器，而是这个平行传动装置。他曾对他的儿子说：“虽然我并不太注重名声， 但我对平行传动装置的自豪感，却胜过我对我所做出的任何其他机械发明。” 瓦特之所以会选择这一杰作，是不难理解的，因为只有它，才如此明晰地体现了应用科学与实际工艺的结合，而这种结合又正是他的创造力的秘密所在。如果有一位诗人会对这种传动情景赋诗的话，那么，由这些杆和链节在传动时的精确的几何运动所组成的韵律节奏，实在是充满了诗意的。任何一位名符其实的机械工程师，在观看一台大横梁式引擎上的这种平行传动装置运动时，都会情不自禁地对其发明者能在以前这么久的年代里就能有这种设想而感到敬佩。与瓦特同时代的人称这种装置是“精美的”，尽管“精美的” 这个形容词被许多人滥用，但用在此却是含义贴切。虽然瓦特的横梁式引擎现在已是博物馆里的展品，但是他的平行传动装置却成了现代赛车上的“瓦特式连杆”，在带动单独凸出的后轮方面的作用，就好像当年它牵动横梁式引擎上的长活塞杆一样可靠。

当这种新型的复动式引擎用来作为一种非旋转式泵机时，如何最有效的利用引擎活塞上提时的动力，成了一个问题。这两位合伙人，在初期就这个问题的相互通信中，瓦特曾提议加重引擎横梁的一端。活塞在上提时将把这重物托起，这样，当它降落时，就可以对泵机产生辅助作用。他认为，通过这种办法，就能够使一台单动式引擎产生双倍的效力。博尔顿在回信中对这一点提出了更明智的建议，他说复动式引擎也许可以用来带动两台泵机，一台是普通的提升斗式的，另一台是柱塞泵。十分奇怪，瓦特并不赞成这项建议，尽管柱塞泵在康沃尔很时兴，但是博尔顿和瓦特却一直没有采用，直到1800 年瓦特退休之后，这种泵机才有人采用。

在康沃尔最早的两台复动式抽水机引擎，其中一台于 1784 年至 1785 年的冬季开始在“托万锡矿”运转，另一台则是翌年在“梅萨锡矿”开始运转， 前者在最初时用的是导轨和分段装置，而“梅萨锡矿”的那台引擎则从一开始便配备了平行传动装置，那些杆是木制的。这两台引擎各带动两台提升式泵机，其中附加的那个泵机是通过安装了粗笨的木制曲柄和连杆带动的。它的运转方向同主泵相反。在“隆盛锡矿”的那台 45 英寸汽缸的较大型的引擎， 虽然开始安装的时间较晚，但实际使用却早于“梅萨锡矿”的那一台。博尔顿延长了在康沃尔住留的时间，以便在 1785 年 11 月能观看到它启动。他写信告诉在伯明翰的瓦特说：“看来这是个惊人的壮举。”未经试验的大型连接部件如此之多，以至使我望而生畏。”然而，博尔顿的顾虑实际上是多余的。这台引擎运转良好。不久以后，在“处女锡矿”安装的那台新型的复动

式引擎，比这一台还要大，它的汽缸为 63 英寸，冲程为 9 英尺，这被称为当时世界上功率最大的引擎。

在后来的复动式抽水机引擎上，没有再使用曲柄装置来带动辅泵机，而在引擎横梁的一端连结了一个斜泵杆，这种装置的缺点是妨碍了阀门和冷凝器泵杆的正常布局，使得它们不得不通过一个在主横梁上的小型辅助横梁来驱动，而横梁则要穿过机房的墙壁，所以冷凝器和泵机也都要安装在机房的外面。

也许由于变得更加复杂的原因，所以这种泵用复动式引擎在康沃尔从未像原来的引擎那样广泛使用，而是当把它与旋转式传动结合起来之后，这种新的原理才真正有了名气。人们很可能会问，为什么在费了很大的劲儿把它们变为旋转运动而使其灵活得多以前，纽科门式和瓦特式引擎，作为往复泵机还存在了那么多年。即使是那些比较老式的单动式引擎，只要适当地加上一个大而重的飞轮，就能够改装成旋转式传动引擎。那么，为什么像约翰·斯米顿这样一位大工程师竟会直言不讳地宣称：要使纽科门式引擎改成旋转运动的惟一恰当的方法，就是使它把水抽给磨轮使用呢？詹姆斯·瓦特本来只要加上连接杆、曲柄和飞轮，就能使他已经成功的引擎做旋转式运转，而为什么他却一直拖延到 1779 年仍在弄那已半途而废的蒸汽轮呢？当时他已领会了曲柄原理却把它用于其他目的了。

这些问题的答案是非常引人入胜的，并且揭开了在整个发明史上其中一个最不可思议的“盲点”。正像在前面里所提到的那样，那种往复式泵机引擎的冲程变化相当大，因而人们坚信，这种冲程的变化会严重影响任何实际使用的效果，例如，要将往复式传动改成旋转式传动，连杆和曲柄都会变得无法使用。对于我们来说，简直难以相信的是，像詹姆斯·瓦特这么一位有才干的工程师，居然也会跟他的前辈和同代人一样，竟对连杆和曲柄完全能够控制汽缸里的活塞运动一事也没能领会，然而事实就是如此，所以这一谬见便将留给一位相当不起眼的小人物去纠正。

1779 年，布里斯托尔的一位工程师马修·沃尔布拉夫，获得了一种使蒸汽机产生旋转运动的棘爪棘轮装置的专利。这种形式的驱动不是强制性的， 因此，它就排除了由于冲程长度变化而可能产生的困难。沃尔布拉夫急于想把他的装置用到瓦特式引擎上，请求博尔顿和瓦特允许他在布里斯托尔自己的作坊里建造瓦特式引擎。这一谈判毫无结果，可能是因为瓦特对沃尔布拉夫的装置评价不高，并且认为他自己能搞出一种更好的装置来。因此，最早安装棘爪棘轮装置的两台引擎是纽科门式的。第一台建造在沃尔布拉夫自己的作坊里。第二台是在伯明翰斯诺山的一家作坊里，其主人是一个名叫詹姆斯·皮卡德的钮扣制造商。这两台引擎都在 1779 年开始运转，而斯诺山那台引擎创造效益使得博尔顿幡然猛醒，他立即提笔写了一封信派人送交在康沃尔的瓦特，督促他要悉心研究旋转传动问题，因为“很多对这一问题不了解情况的人，会误认为沃尔布拉夫的改进，会使您的引擎被淘汰”。

然而，沃尔布拉夫的棘爪棘轮装置，实际上远非像人们所想象的那么令人满意。于是他在 1780 年便采取具有决定性的步骤，即在斯诺山的那台引擎上，换上了单链杆和曲柄，为了使曲柄能够转过中心，他在曲轴上安装了一个大齿轮，这个大齿轮与压动一个相当于它的一半大小的齿轮，这个齿轮在第二轴上转动，并起着平衡锤的作用。毫无疑问，把这种传动装置用于运转速度很低的单动式引擎上，其运转情况仍然是很不规则的。但是，它却最起

码地使那个所谓活塞冲程的不规则性可能会妨碍任何形式的强制推动力的谬论被永远地推翻了。

当瓦特听到这一发展的消息时，他似乎并没有深感不安，理由是他并不认为把曲柄应用到蒸汽机上就可以取得专利权。博尔顿当时正在康沃尔，瓦特把这一消息向他汇报如下：

“马修·沃尔布拉夫在斯诺山的引擎上安装了一个单曲柄，其效果很好， 比那种扇形齿轮要好⋯⋯我认为您在回来的时候，应该去拜访一下马修，让他知道，我们是抵制他独占这些曲柄专利权的企图的。”

沃尔布拉夫显然是在布里斯托尔，而且根据后来发生的事情，人们一定会推论：当瓦特写这份汇报的时候，他并没有亲眼看到斯诺山的那台引擎。而只是把他听说的情况转告博尔顿。博尔顿在回信时写道：“我认为那种双缸曲柄引擎是最上乘的，如果装上一台的话，它将会使这些冒充内行的人一败涂地。因此，这是一件非常值得去做的事。”接着，他又要瓦特指示他们在伦敦的律师，注意沃尔布拉夫或皮卡德可能对曲柄发明专利权所提出的任何申请，从而在必要时，他们就能够加以抵制。

这一指示来得太晚了，博尔顿是在 1780 年 11 月 26 日写这封信的，可是

以詹姆斯·皮卡德的名义申请的这项专利权，却在 8 月 23 日便获得了，而且

在 12 月 9 日注了册。这项申请专利的说明书写得很简单，并附有一张图解， 画出了轴、两个齿轮和平衡锤，瓦特非常懊恼，接着发生了一场激烈论战。