富爾頓發明了什麼

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　　發明過程

　　有一天，天氣晴朗，河水清澈。小富爾頓和鄰居大叔一起駕著小船到河的上游去找活幹。他們開始悠閒地撐著篙，逆流而上。小富爾頓到離開自己村莊的外地去，心情格外高興，情不自禁地唱著美國鄉村的民謠。河水的“嘩嘩”聲和小富爾頓的悠揚、婉轉的歌聲交織在一起，令人心醉。早晨的太陽愈升愈高了，陽光灑在水波中，像碎銀灑在綠色的緞帶上。突然，水流湍急，小船在河中打轉，富爾頓和鄰居大叔拼命地撐篙，汗水溼透了他們的衣服，但船僅能艱難地移動。小富爾頓心裡想：撐篙太費力了，假如有一種東西能讓船自動行走，該多麼好啊!他想象的翅膀在河中飛翔，他好像看見在河中出現了一隻自動行駛的船。他的神思又回到現實中來，對鄰居大叔說：“大叔，撐篙又費勁，又緩慢，如果有一種東西能讓船自動行走，該多麼好啊!”

　　鄰居大叔正用力撐著篙，聽了小富爾頓的話，情不自禁地笑了。他用手背擦擦自己臉上的汗水，笑著說：“假如有一種東西能讓船自動行走，那這樣東西是什麼呢?”

　　“是啊，這東西是什麼呢?”小富爾頓的臉剎那間紅了起來，他用勁地撐了一下篙，低下了頭，又陷入了沉思。

　　自此以後，“怎樣使船自動行走?”就成了小富爾頓苦思冥想的中心問題。致使他長大以後，努力奮鬥，終於成為製造人類第一隻蒸汽機輪船——“克萊蒙脫號”的著名科學家。

　　延伸閱讀：

　　世界上第一臺蒸汽機是由古希臘數學家亞歷山大港的希羅***HeroofAlexandria***於1世紀發明的汽轉球***Aeolipile***，是蒸汽機的雛形。

　　約1679年法國物理學家丹尼斯·巴本在觀察蒸汽逃離他的高壓鍋後製造了第一臺蒸汽機的工作模型。約與此同時薩繆爾·莫蘭也提出了蒸汽機的主意。

　　1698年托馬斯·塞維利、1712年托馬斯·紐科門和1769年詹姆斯·瓦特製造了早期的工業蒸汽機，他們對蒸汽機的發展都做出了自己的貢獻。1807年羅伯特·富爾頓第一個成功地用蒸汽機來驅動輪船。瓦特並不是蒸汽機的發明者，在他之前，早就出現了蒸汽機，即紐科門蒸汽機，但它的耗煤量大、效率低。瓦特運用科學理論，逐漸發現了這種蒸汽機的毛病所在。從1765年到1790年，他進行了一系列發明，比如分離式冷凝器、汽缸外設定絕熱層、用油潤滑活塞、行星式齒輪、平行運動連桿機構、離心式調速器、節氣閥、壓力計等等，使蒸汽機的效率提高到原來紐科門機的3倍多，最終發明出了現代意義上的蒸汽機。

　　16世紀末到17世紀後期，英國的採礦業，特別是煤礦，已發展到相當的規模，單靠人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求，而現場又有豐富而廉價的煤作為燃料。現實的需要促使許多人，如英國的帕潘、薩弗裡、紐科門等就致力於“以火力提水”的探索和試驗。

　　最初的真空蒸汽機被用來將礦井裡的水抽出來。紐科門的蒸汽機將蒸汽引入氣缸後閥門被關閉，然後冷水被撒入汽缸，蒸汽凝結時造成真空。活塞另一面的空氣壓力推動活塞。在礦井中聯結一根深入豎井的杆來驅動一個泵。蒸汽機活塞的運動通過這根杆傳到泵的活塞來將水抽到井外。

　　第一個巨大的改善是將氣缸與凝結缸通過一個閥門分開。瓦特在伯明翰發明了這個改進。這個改進提高了蒸汽機的效率。下一個改進是將閥門的操作自動化。

　　這些早期的真空蒸汽機的效率有限，但它們比較安全，因為它們的壓力比較低，在物質發生損壞的情況下機器向內收縮，而不是向外爆炸。它們的效率受外部氣壓、氣缸變形、燃燒和沸騰的效率和凝結能力的限制。理論最高效率受水在普通大氣壓下比較低的沸騰溫度限制。使用高溫高壓的蒸汽為蒸汽機的效率帶來了巨大的提高。但這種蒸汽機比真空蒸汽機危險得多。鍋爐和機器的爆炸造成了許多大事故。安全閥在這裡帶來了很大的改進，在壓力過高的情況下安全閥放氣減壓。但真正保證安全只有依靠建造、執行和維護的經驗和安全規則。

　　薩弗裡製成的世界上第一臺實用的蒸汽提水機，在1698年取得標名為“礦工之友”的英國專利。他將一個蛋形容器先充滿蒸汽，然後關閉進汽閥，在容器外噴淋冷水使容器內蒸汽冷凝而形成真空。開啟進水閥，礦井底的水受大氣壓力作用經進水管吸入容器中;關閉進水閥，重開進汽閥，靠蒸汽壓力將容器中的水經排水閥壓出。待容器中的水被排空而充滿蒸汽時，關閉進汽閥和排水閥，重新噴水使蒸汽冷凝。如此反覆迴圈，用兩個蛋形容器交替工作，可連續排水。

　　薩弗裡的提水機依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超過六米。為了從幾十米深的礦井汲水，須將提水機裝在礦井深處，用較高的蒸汽壓力才能將水壓到地面上，這在當時無疑是困難而又危險的。

　　紐可門及其助手卡利在1705年發明了大氣式蒸汽機，用以驅動獨立的提水泵，被稱為紐科門大氣式蒸汽機。這種蒸汽機先在英國，後來在歐洲大陸得到迅速推廣，它的改型產品直到19世紀初還在製造。紐科門大氣式蒸汽機的熱效率很低，這主要是由於蒸汽進入汽缸時，在剛被水冷卻過的汽缸壁上冷凝而損失掉大量熱量，只在煤價低廉的產煤區才得到推廣。1764年，英國的儀器修理工詹姆斯·瓦特為格拉斯哥大學修理紐可門蒸汽機模型時，注意到了這一缺點，並於1765年發明了設有與汽缸壁分開的凝汽器的蒸汽機，並於1769年取得了英國的專利。初期的瓦特蒸汽機仍用平衡槓桿和拉桿機構來驅動提水泵，為了從凝汽器中抽除凝結水和空氣，瓦特裝設了抽氣泵。他還在汽缸外壁加裝夾層，用蒸汽加熱汽缸壁，以減少冷凝損失。

　　瓦特的創造性工作使蒸汽機迅速地發展，他使原來只能提水的機械，成為了可以普遍應用的蒸汽機，並使蒸汽機的熱效率成倍提高，煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽機的改良者。

　　自18世紀晚期起，蒸汽機不僅在採礦業中得到廣泛應用，在冶煉、紡織、機器製造等行業中也都獲得迅速推廣。它使英國的紡織品產量在20多年內***從1766年到17******增長了5倍，為市場提供了大量消費商品，加速了資金的積累，並對運輸業提出了迫切要求。

　　在船舶上採用蒸汽機作為推進動力的實驗始於1776年,經過不斷改進，至1807年，美國的富爾頓製成了第一艘實用的明輪推進的蒸汽機船“克萊蒙”號。此後，蒸汽機在船舶上作為推進動力歷百餘年之久。

　　1800年，英國的特里維西克設計了可安裝在較大車體上的高壓蒸汽機。1803年，他把它用來推動在一條環形軌道上開動的機車，找來喜歡新奇玩意兒的人乘坐，向他們收費，這就是機車的雛型。英國的史蒂芬孫將機車不斷改進，於1829年創造了“火箭”號蒸汽機車，該機車拖帶一節載有30位乘客的車廂，時速達46公里/時，引起了各國的重視，開創了鐵路時代。

　　19世紀末，隨著電力應用的興起，蒸汽機曾一度作為電站中的主要動力機械。1900年，美國紐約曾有單機功率達五兆瓦的蒸汽機電站。

　　蒸汽機的發展在20世紀初達到了頂峰。它具有恆扭矩、可變速、可逆轉、執行可靠、製造和維修方便等優點，因此曾被廣泛用於電站、工廠、機車和船舶等各個領域中，特別在軍艦上成了當時唯一的原動機。

　　需要特別注意的是，許多教科書上***歷史書、物理書***說瓦特是蒸汽機的發明者。這是誤傳。蒸汽機是英國人薩維利***Savery***於1698年、紐可門***Newcomen***於1705年各自獨立發明的，用於礦井抽水。當時效率很低。1765年，瓦特在修理紐可門機的基礎上，對蒸汽機做了重大改進，使冷凝器與汽缸分離，發明曲軸和齒輪傳動以及離心調速器等，使蒸汽機實現了現代化，大大提高了蒸汽機的效率。瓦特的這些發明，仍使用在現代蒸汽機中，為紀念瓦特的貢獻，功率的單位名稱以其姓氏命名。***《物理學***第五版***》***

　　史蒂芬孫

　　概述

　　在陸路交通方面，人們開始研製一種能以蒸汽機推動車輛快速行進的運輸工具。其中，英國的史蒂芬孫***GeorgeStephenson,1781-1848***率先取得了突破性成果。

　　史蒂芬孫是一位煤礦工人的兒子，從小熟悉礦井裡用來抽水的蒸汽機，後來立志從事交通工具的發明創造。1814年，他研製的第一輛蒸汽機車“布拉策號”***以普魯士布拉策的名字命名，他曾經幫助英國打擊拿破崙軍隊***試執行成功。1825年9月27日，史蒂芬孫親自駕駛他同別人合作設計製造的“旅行者號”蒸汽機車在新鋪設的鐵路上試車，並獲得成功。蒸汽機在交通運輸業中的應用，使人類邁入了“火車時代”，迅速的擴大了人類的活動範圍。

　　史蒂芬遜的蒸汽機車發展史

　　1814年史蒂芬遜在試執行“布拉策號”機車時，雖然取得了成功，但也暴露出許多問題，如噪音太大，振動強烈，蒸汽機隨時都有爆炸的可能。火車開動時，濃煙滾滾，車輪摩擦鐵軌時火星四濺;坐在車上的人則滿面煙塵，被顛得筋疲力盡。蒸汽機冒出的火焰把附近的樹木都燒焦了，這也許就是當時人們把它稱為“火車”的緣故吧。但是，史蒂芬孫沒有氣餒，而是不斷進行改進。他在車廂下面加裝了減震的彈簧，用熟鐵代替生鐵作鐵軌的材料，在枕木下加鋪了小石子，增加車頭和車廂的車輪數量，把蒸汽機安裝在車頭以減少發生危險時的損害等。到1825年史蒂芬孫試執行“旅行者號”機車時，情況已經有了相當大的改善。“旅行者號”牽引著6節煤車、20節擠滿乘客的車廂，載重達90噸，時速15英里。這一壯觀場面吸引了眾多的人前來觀看。鐵路兩旁人山人海;還有人騎著馬，打著紅旗走在火車前面開道。隨著火車的一聲鳴叫，它向全世界宣告了鐵路時代的到來。

　　1829年，史蒂芬孫試製成功了更為先進的“火箭號”機車。