机械能
文明需要的,不仅有我们在“物资”一章探讨过的热能,还有对机械能的驾驭,以便从只能利用肌肉力量的禁锢中解放出来。
古罗马人的一项重要创新,是开发出了有传动装置的竖直水车:带桨片的巨大轮子,下部浸在小溪或者河流中,在水流的推动下转动。在古代,水力主要被用于推动磨石来磨面,让这一技术成为现实的关键机制,是直角传动装置的发明(约公元前270年)。这种装置将水车竖直的旋转转化为磨石的水平转动,其实现方法非常简单,在水车的主动轴上安装一个巨大的冕形齿轮(齿钉位于齿轮的平面上),让它与磨石上连接的针齿轮咬合起来。通过改变冕形齿轮和针齿轮的相对尺寸,你就可以将磨面需要的速度与不同河流的流速匹配起来。这种水车是已知最早的机械传动装置,因此代表了机械化最古老的根基。
尽管几乎可以从任何一处岸边浸入水流,甚至可以安装在停泊于水中的磨粉船侧面,下冲式(undershot)水轮的效率却低得可怜,而且其最简单的形式还面临着河流水位高低变化的问题。幸运的是,无需太多技术知识,就可以制造出一种功能和力量都强大得多的水车。罗马帝国陷落之后,在被认为是愚昧而迟滞的中世纪,上冲式(overshot)水轮在整个欧洲得到了广泛使用。尽管总体上的模样都差不多,上冲式水轮的运行原理却与原始的下冲式水轮彻底不同。
上冲式水轮的底部不是浸入水流中,而是被置于尾水渠之外,水通过一条斜槽被运送到轮的顶部。上冲式水轮扭力的来源并不是水流的冲击,而是水降落时释放的能量。这种设计的效率比低水位轮高出许多,可以获取到水位差中所蕴含能量的四分之三。在斜槽中安装一个闸门可以控制被引到轮上的流量,而如果用水坝将流水围成一个蓄水池,便可以把能量储存起来,等到需要时再使用(直到公元16世纪,第一台竖直水车得到使用五百年之后,这种技术才出现,但是在文明的重启过程中,人们可以直接跨越到这一步)。
驾驭风能在技术上要比利用水能困难得多,因此相关技术在我们的发展史上出现得也晚得多(不过,借助风力行进的帆船可追溯至公元前3000年)。水是一种密度比空气大得多的介质,因此哪怕是微弱的水流也携带着巨大的能量,使其成为一种哪怕用不完美的设计和低效的木头传动装置,也能轻易利用的能源。水流可以用闸门调校,但是你控制不了风的强度,所以如果风力过劲,风车的叶片或者驱动机械就有可能损坏。因此风车需要一个制动系统和控制叶片效能的方法,比如使用可收缩的帆布。不过最根本的挑战,是风向总在改变,因此风车需要能够迅速调转方向。
原始的风车可以安装在一根柱子上,整个结构由人工调整适应风向,但是对于更加强大的大型固定式风车,叶片必须安装在顶部的转塔上,而转塔能够自动绕着中轴旋转以面对风向。这里采用的原理巧妙而简单:在主帆后面加装一个与其成直角的小扇,小扇与塔顶边缘的有齿轨道相连,因此无论风向何时变化,只要吹过这一尾扇,它都会旋转并推动转塔再次完美地对准风向。[1]
实现这一切所需要的技术实力要比最大的水车还高出许多。但是一旦你掌握了风能,你就不再被水源局限,你的生产地点甚至可以位于平原(就像荷兰),或者水资源不足的地区(比如西班牙),或者经常冰冻的地区(就像斯堪的纳维亚半岛)。
对风力和水力的驯服,加上畜役使用(我们将在“交通”一章再次探讨)效率的提高,对我们的社会造成了巨大的影响,你在重启过程中,应当尽快达到这一水平。中世纪的欧洲是人类历史上第一个以对自然力的开发而非人类肌肉力量——苦力或者奴隶的劳动——作为生产力基础的文明。蓄势于7世纪和13世纪之间的机械革命远远不止使用磨坊把收获的谷物磨成粉那么简单。水车和风车的强大扭力成了一种无处不在的力量源泉,其应用范围之广泛令人难以置信:压榨橄榄、亚麻籽或者菜籽获取植物油;驱动木头钻孔机;抛光玻璃;纺丝绸或棉花,或者驱动金属滚压机把铁锭压制成型。名为曲臂的基本机械构件,将旋转运动转化为来回往复的推力,可用于锯木场、矿井通风或者从矿井及水淹的低地排水(荷兰人为此付出了巨大努力)。不过,也许用途最广的功能是转动一枚凸轮,使其不停地抬起并放下一个杵锤——非常适用于压碎金属矿石、加工熟铁、粉碎石灰石以制作农用石灰或者砂浆、敲打脏羊毛进行缩绒(也就是清洁并使其紧密厚实),或者捶打酿造啤酒用的麦芽浆、造纸用的纸浆、制革用的树皮以及制作蓝色染料用的菘蓝叶。
凸轮机制被用来提举杵锤长达七个世纪,在工业革命时期才被蒸汽驱动的版本替代,不过时至今日,它仍然存在于我们的轿车和卡车的引擎盖下面,以正确的次序打开和关闭着发动机的阀门(见“交通”一章)。
因此,有了合适的内部机制将最重要的转动转变成人们需要的运动方式,中世纪的水车和风车成了最早的动力工具。中世纪的世界或许并未实现工业化,但肯定是富有进取精神的。如果我们的文明发生了灾难性的崩溃,这种技术还是有机会重新得到应用,使人们迅速达到基本的生产力水平。
任何文明都必须成功地驾驭热能和机械能。但是你该如何将一种能量形式转化为另一种?把机械能转化为热量是没有价值的琐碎小事——想象一下在寒冷的日子里摩擦你的双手——事实上,尽量减小摩擦力、将因为转化为热量而损失掉的能量降到最低是发动机润滑油和滚珠轴承的全部意义所在。不过,反过来将热能转化为机械能的能力就非常有用了。热能可以通过燃烧任意数量的燃料按需提供,而把这些热量转化为机械能的能力将使你不再仅仅依赖复杂多变的水和风,还能够制造用于机械化运输的电动装置。历史上第一种能够实现这种转化——把热量变成有用的运动——的机器是蒸汽机。
蒸汽机背后的核心概念可以追溯到一个年深日久的谜题。16世纪晚期的伽利略非常了解抽水泵最多只能把管道中的水抽取到约十米的高度。对此的解释是,空气本身也有压力,作用在地球表面的一切物体上,包括水柱。这意味着大气层本身也能被用来为你效力。你所要做的就是在一个内壁平滑而且装有能够自由移动的活塞的气缸内制造真空,外部的气压会有力地下压活塞。这种动作可以和机械装置连接起来,毫不费力地获得动力。问题是:你如何在气缸内不断制造出真空?答案是:利用蒸汽。
把锅炉产生的热蒸汽导入气缸,然后使其冷却——水蒸气凝结成液态水时,它产生的压力骤然下降,无法平衡大气压。活塞在外部大气压力的推动下为你工作。你可以打开阀门让活塞回到原位,然后再次喷入蒸汽,从而重复这个循环。这就是18世纪最早的“火引擎”的基本操作原理,你可以在此基础上进行性能方面的改进,比如增加独立的冷凝器,从而不必反复地冷却和加热气缸。但是假如你能够建造出更加坚固的气缸和锅炉——或许是利用回收来的材料或者重新发展起来的冶金学技能,就能制造出更加强劲的机器。不再利用蒸汽在气缸里凝结时的收缩效应,而是把蒸汽聚集到高压状态,利用高压气体的膨胀力——也就是让煮咖啡机咝咝叫的力量——推动活塞先在气缸内朝一个方向运动,再朝另一个方向运动。
蒸汽机的主输出(和任何基于活塞的热力发动机一样,比如我们将在“交通”一章探讨的汽车发动机)是活塞的来回运动。这很适合从矿井中泵水,但是对大多数应用而言,你需要把这种往复运动转换成匀速的转动。我们在探讨风车时便已经了解到了,曲柄就可以完成这种转换,产生一种适于推动机器或者车轮的动作。
你或许认为蒸汽机代表了一种过渡型技术水平,你会渴望跨越它径直发展到我们将在后文详细探讨的内燃机或者汽轮机。但是相对于更加先进的机器而言,蒸汽机有两项重大优势,所以你大概应该复现一下这个发展阶段。首先,它们是外燃机,不需要精炼过的汽油、柴油或者燃气来驱动——它们远没有这么讲究,其锅炉可以用几乎任何可燃物来加热,包括碎木头和农业废料。其次,比起来更加复杂的机器,制造简单的蒸汽机需要的机器工具和材料可以原始得多,工程方面允许的误差范围也大得多。我们将很快再次探讨机械能,不过,现在我们先来看一下如何重新启动当代世界的一项最基本的特征:电力。
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