书城科普读物科学伴你行-科学革命
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第2章 机械与机器的创新(2)

18世纪从英国发端的技术革命是技术发展史上的一次巨大革命,它开创了以机器代替手工工具的时代。这场革命是以工作机的诞生开始的,以蒸气机作为动力机被广泛使用为标志的。

这一次技术革命和与之相关的社会关系的变革,被称为第一次工业革命或者产业革命。

从生产技术方面来说,工业革命使工厂制代替了手工工场,用机器代替了手工劳动;从社会关系来说,工业革命使依附于落后生产方式的自耕农阶级消失了,工业资产阶级和工业无产阶级形成和壮大起来。

英国是工业革命的发源地。英国工业革命从18世纪60年代开始,到19世纪40年代基本完成。

工业革命从英国开始不是偶然的,这是有深刻政治前提、社会经济前提和科学技术前提的。

17世纪中期的英国资产阶级革命,推翻了英国的封建专制制度,建立了资产阶级和土地贵族联盟为基础的君主立宪制度,从而成为世界上第一个确立资产阶级政治统治的国家。资产阶级利用国家政权加速推行发展资本主义的政策和措施,促进了工业革命各种前提条件的迅速形成。

资产阶级通过大规模地对外掠夺以及在国内实行的国债制度和消费税政策,积累了巨额财富,为工业革命提供了所必须的货币资金;大规模的圈地运动,为工业革命提供了大量的“自由”劳动力和广阔的国内市场。

英国工场手工业的高度发展,培养了大批富有实践经验的熟练工人,为机器的发明和应用创造了条件;自然科学的发展及其成就,特别是牛顿的力学和数学,为机器的产生奠定了科学理论基础。

欧洲其他国家虽然也有杰出能干的工人,也有具有发明精神的学者,但这些国家缺乏发展机器工业所需要的资金、劳动力和市场,以及保证资本主义经济发展的政治、文化等条件。

在1789年,法国爆发了大革命,废除了封建统治阶级的特权,为资本主义工业化扫除了障碍。拿破仑当政后,十分重视科学技术的发展,为法国的工业革命创造了条件。此后,德国、美国、日本等国也纷纷加人工业革命的行列,到19世纪末,这些国家先后都完成了工业革命。

棉纺织业的革命

英国的工业革命在纺织工业方面,亦为世界之最。

纺织工业中的技术发明是适应社会经济发展的需要而产生的,它以相当的经济力量为后盾,才能产生和推广应用。纺织机器的发明人大多是有丰富经验、掌握传统技能的工匠,他们为技术革命做出了重要贡献。

纺锤的发明是从亚洲开始的,而棉纺从印度开始,丝纺从中国开始,毛纺首先从欧洲开始。但在开始的时候,都没有使用所谓的工具。

手摇纺纱的纺车,是印度发明的,先传入中国和日本,在14世纪传到欧洲。

在手摇纺车的基础上,德国的于尔根于16世纪中期发明了脚踏纺车。即是给轮轴装上曲柄,并与脚踏板相连接,用脚踏动踏板,使纺车转动,纺车带动纺锤旋转,空出来的双手就可以自由工作,于是两个纺锤同时可以纺出两条纱。

织布机是很简陋的。织工们把纱线紧紧地系在木架上作经线,然后再把纬线缠在小木梭上,用手来回在经线之间穿梭织布。

1733年,当过纺织工场机械工人的约翰·凯伊发明了“飞梭”。旧式的织机生产效率低,工人操作时累得手酸背疼。凯伊对旧式织机进行根本性的改进,把经线之间的手工穿梭改成机械穿梭。由于穿梭的速度比原来大大加快,故名“飞梭”。

飞梭简化了织工的劳动,增加了织布的速度,为实现织布机械化迈出了重要一步。

由于飞梭提高了织布的效率,往往1个织工需要的棉纱,要由10个纺纱工供应,甚至更多,从而导致缺纱现象日益严重,打破了纺纱与织布之间的基本平衡,客观上迫切要求纺纱技术提高。

1765年,织工哈格里夫斯发明了多轴纺纱机,他以妻子的名字命名为“珍妮纺纱机”。

哈格里夫斯是一个夏季当木工、冬季当织工的工匠,平日里和妻子感情甚好,每当看到妻子累得手酸背疼时,就想发明一个高效率的纺车,使妻子轻松一点。

在1764年的一天,珍妮和往日一样在纺纱,哈格里夫斯不小心把纺车碰翻了。突然,他发现竖起来的纱锭和车轮仍在转动,而纱好像在自动形成。

“珍妮,你看。”

“看什么?”

“纱锭由横轴位置变为立轴位置,并且仍然在转。”

“刚刚倒,当然转了。”

“我是说,几个纱锭并立在一起,不是仍可以用一个轮子来带转吗?”

“我不知道。”

哈格里夫斯由此得到启发,经过反复研制,终于在1765年设计并制造出一架同时可纺8个纱锭的纺纱机。

珍妮纺纱机一发明,就在纺纱行业中迅速推广开来。

哈格里夫斯又把纱锭增加到16个,最终又增加到80个。

哈格里夫斯发明了新的纺纱机,却遭到了意外的攻击。职工们控告他剥夺了他们的生计,说:“如果这种机械多了,我们就都得失业。”他们还愤怒地冲到哈格里夫斯的家里,捣毁机器,进行报复。

尽管如此,珍妮纺纱机还是不断地被生产和应用。

但是,从技术上看,珍妮纺纱机还是不够完美的。它纺出的纱细且不结实,只能用作纬纱,纺纱短缺的问题还是解决不了。另外,珍妮纺纱机以人力为动力,从工艺原理看,它的纱锭可以继续增加,但是作为原动力的人力是有限的,因此,纱锭的增加受到了限制。

随着珍妮纺纱机的不断改进,锭数的不断增加,迫切需要寻求新的动力。

1769年,钟表匠阿克莱特发明了“水力纺纱机”。它以水车作为动力来转动纺纱机,效果良好,纺出的纱更粗更牢固,转速也快。

水力纺纱机比珍妮纺纱机前进了一步,因此,在英国的一些河流两岸,迅速建成一批采用水力纺纱的工厂。

水力纺纱机纺出的纱虽结实,但太粗,仍需进一步革新。

1779年,工人克隆普顿综合珍妮纺纱机和水力纺纱机的优点,发明了“螺机”。这种纺纱机纺出的纱既细又结实。螺机以水力为动力,最初的螺机有40个纱锭,后来发展到900个,又增加到2000个纱锭。

由于纺纱机的普遍运用,纱量大增,除了满足织工需要外,还有剩余,这样纺纱和织布之间的平衡又被打破了。

织机的革命推动过纺机的革命。现在,纺机的革命又反过来推动织机的革命。

1785年,乡村牧师卡特赖特发明了水力织布机,提高工效40倍。这位牧师也脱下黑袍,开办一家织布厂。

无论是螺机还是水力织布机都受到自然力的限制,因为人力是有限的,水力受到地理条件的限制。

动力革命

在纺织机革命的带动下,造纸、榨油、印刷等行业的工作机革命也发展起来。所有的工作机革命最后都遇到了动力的困难。因此,以工作机革命为开端的第一次工业革命,必然向动力机的革命迈进。

动力、能源在社会生产中的作用极为重大。人们最初只能用自己的双手,后来用风力、水力、畜力等自然力代替人力,当然是一种进步。

风力本身不需要成本,但不稳定,难以控制,不能广泛应用。水力易于驾驭,但受地区和季节的限制,不能随意相加,有时甚至枯竭。马主要用于交通运输以及矿井排水,但太昂贵,又麻烦。

在近代动力技术科学中,纽可门蒸气机的诞生,展露了近代动力技术科学的曙光。它直接来源于采煤业和采矿业的推动。

早在公元1世纪左右,古希腊的发明家希罗曾运用蒸气的力量,发明过一种玩具蒸气机械。这种蒸气机利用管口喷出蒸气的反冲力,使带有喷气管的臂能在一个轴上旋转。

1601年,意大利物理学家包尔塔设计和研制过一种利用蒸气提水的机器。这是利用蒸气对水面的压力和蒸气冷凝产生的真空,把水从低水位通过管子吸引上来。

1643年,意大利物理学家托里拆利经过专门的实验研究,证明了大气压力的存在。1654年,德国的格里凯进行了著名的“马德堡半球实验”,这是把两个半空心球合在一起抽掉空气后形成一个真空球,然后用I6匹马拉这个球,结果无论怎样用力也拉不开,显示了大气压的巨大威力。