瓦 特

(James Watt)

文:小罐子老師

 

你的燈泡是幾「瓦」?

前天夜裡,罐子老師書桌上的檯燈忽然不亮了,我檢查了一下,發現是燈絲燒斷了,於是我到巷子口的電器行買燈泡,老闆便問我說:「你要買幾『瓦』的燈泡?」

同學們誰能告訴罐子老師,家中的燈泡通常是幾「瓦」?別偷懶自己去查一查吧!「瓦」是代表功率的單位,英文則用W來表示,為什麼會用W這個字母呢?是為了紀念一位偉大的發明家瓦特(Watt)。

聽到瓦特這個名字,我想大家可能聽過這樣的故事,就是,瓦特有一次看到水壺的水燒開了,蒸汽不斷地向上冒而掀動著壺蓋,瓦特因此受到了啟發,以後就發明了蒸汽機

故事和事實總是有些差距的,事實上早在瓦特之前,就有人發明了蒸汽機,瓦特只是把別人發明的蒸汽機加以改良,讓蒸汽機不但更好用,還可以用在工業生產上。但是,光是「改良」,就足足讓瓦特奮鬥了將近20年的光陰喔!

立志作個機械師

瓦特是西元1736119日,出生於英國蘇格蘭的格利諾克鎮。他的父親是位木匠,兼營船舶製造和航海用具的生意,同時是擁有幾隻木船的合股船主,在當地算是富裕而有聲望的人。瓦特一生下來就體弱多病,經常偏頭痛、牙痛,一直到中年時期這些病痛依然折磨著他,導致瓦特在精神上經常處於恐懼和多疑的症狀,尤其在遭受挫折時,更是特別容易情緒低落、自怨自艾,失去做任何事的勇氣,因此他不善於交際,對做生意也顯得很膽小。然而,有趣的是,越到老年,瓦特的身體狀況變得越好,居然活到了83歲;而且發明蒸氣機之後,他還和別人合夥開公司做生意。有些事真是令人意想不到的。

瓦特小時候不太喜歡上學,但他卻很喜歡讀書,尤其對數學更加喜好,而且他從小就有手藝的天分,經常在父親的店裡,玩弄各種儀器,還使用父親的工具製造出不少模型。十七歲時,母親去世了,同一個時期,父親所有的船隻沉沒了,生意又不順利,家境一下子就變得很困苦,導致瓦特必須自食其力,但身體孱弱的他,又能從事什麼工作呢?出賣勞力,他無法勝任;做生意,又不合他的個性;怎麼辦呢?他考慮很久後,在心裡暗暗決定:『我最喜歡製造或修理儀器,技術也不錯,不如就來從事數學或科學實驗及研究儀器工作吧!而且我確定以後會朝這條路去走!』

於是他來到他母親的故鄉格拉斯哥城,希望學習到這門技術。雖然在這裡,他並沒有學到什麼,但是透過親戚的介紹,他認識了許多格拉斯哥大學的教授,這些人對瓦特日後發明蒸氣機有著極大的影響。瓦特經過種種努力,終於能在倫敦的一位機械師強生•摩根的師傅家裡做學徒。為了使自己的技術更純熟,他每天都辛勤工作,甚至忙到深夜還沒休息。因此一般人必須花三、四年才能學好的技術,他一年就全學會了。

大學儀器製造師

學成後,瓦特打算回到格拉斯哥開一家科學器具店,但是卻受到當地機械職業工會的抗議,因為當時的職業都有同業公會的組織,限定非會員的營業,以保障會員的利益,瓦特既非會員、又不是本地人,當然是開不成業了。所幸因為他的工作態度認真,受到格拉斯哥大學的迪克教授賞識,特別委託他修理大學裡的天文學機械。於是,經過教會的特別同意,他就分配到格拉斯哥大學內的一個房間,並獲准開設自己的店鋪。

由於瓦特技藝超群、工作績效優良,引起學校的教授和學生們的注意。於是常有人會來他店裡參觀,漸漸地,瓦特的店鋪如同沙龍一樣,成為研究科學的學者專家和學生們的聚會場所,大家互相交換心得或研究討論,而瓦特也在這種研究風氣之下,懂得更多的科學知識。

在這段時期,他認識了二氧化碳的發現者,也是熱學研究的權威─約瑟夫•布拉克教授,和研究生約翰•魯賓遜等人,這些人後來都成為瓦特的知己,不斷提供瓦特研發蒸氣機所需的知識原理,並一直鼓勵和援助他的研究,因為有這些人的協助,才有日後蒸氣機的改良。

開始研究蒸氣機

1763年底,瓦特接受格拉斯哥大學的委託,修理一台紐科門式蒸氣機的模型,從此開啟瓦特改良蒸氣機的研究之路。

紐科門式蒸汽機最大的缺點就是:活塞轉動一次的時間太久、而且耗費太多的燃料。1765年初春的一天,瓦特靈機一動在氣筒外另作一個凝結器,把氣筒裡的蒸氣引入凝結器中加以冷卻,這樣既可以防止蒸汽的浪費,又同時解決燃料耗費和活塞轉動時間的問題。經過一次又一次的實驗,瓦特改良這個模型蒸氣機終於成功的運轉。接下來的工作就是要作一台真實的蒸氣機了。但是製作模型和真實的蒸氣機製造畢竟有一段差距。

擺在眼前的問題是:當時的接縫材料有限,導致蒸汽大量地從縫隙中跑出去,機器的效能很差。第二個問題就是經費。瓦特在實驗期間,必須一試再試,於是,額外地增加許多開銷,做到最後,他的錢快要花完了。迫不得已,只

紐科門式蒸汽機

有找布拉克教授商量。教授很慷慨地借給他一千二百英鎊,並且介紹一位曾是他的學生的實業家─羅伯克先生。羅伯克自己也經營過礦場,對於瓦特蒸氣機的研究極有興趣,便答應出資協助研究。可惜在羅伯克的工廠,因為製作技術不良,機器作出來並不理想,這時恰好英國發生了全國性的經濟不景氣,有很多家公司倒閉,羅伯克的公司也受波及,到了山窮水盡的地步,無法再援助瓦特的蒸汽機製造工作,最後只好終止彼此的合作關係。為了繼續實驗以及生活下去,瓦特只好去當運河工程的測量員。從瓦特開始研究蒸氣機到這時候,已經花了將近十年的光陰。

失敗為成功之母

瓦特真的要放棄研究蒸氣機,從此當一個測量員嗎?遭遇挫折而自怨自艾的個性,會戰勝奮鬥不懈的實驗精神嗎?

瓦特雖有悲觀的想法,但仍舊抱持著一絲希望,在空餘時陸陸續續思考如何改善蒸氣機。果然機會又再次眷顧瓦特,在伯明罕的大實業家蒲爾頓,是個有遠見的生意人,他知道瓦特是個有智慧的科學發明者,蒸氣機必將成功。他便接手所有羅伯克工廠的儀器材料,並出資與瓦特合作,由他負責資金和行銷,瓦特負責研發,成立「蒲爾頓瓦特公司」。由於瓦特不斷的改良,加上工廠的技術更加完備,新的蒸氣機完工再度試驗時,鍋爐裡終於冒出期待已久的蒸氣,引擎運轉也極為順利,實驗至此完全成功。

新機器上市後,消息傳遍英國,訂單像雪片般飛來。蒲爾頓不愧是優秀的實業家,順勢立即決定製造一個大型蒸氣機,並在公開場合實驗,以營造瓦特蒸氣機的聲勢。177638日,各礦場業者、科學家、社會名流紛紛應邀前來參觀,特大號的蒸氣機在眾目睽睽之下,發揮了無比的威力,從此瓦特的名聲傳遍世界。接下來的幾年,瓦特繼續不斷改良他的蒸氣機,同時四處教導礦區的工人使用蒸氣機的動力抽水;蒲爾頓則頃全力將蒸氣機推向世界各地,兩人的合作可以說是具有互補式的完美組合。

旋轉式蒸氣機誕生

為了讓紡織業等其他工業也可以運用蒸氣機,瓦特接受蒲爾頓的建議,開始研究旋轉式蒸氣機(原本的蒸氣機是『往復式』的直線運動),另外瓦特還大動腦筋,把以前那種只在汽筒內的活塞一邊放進蒸汽來發動活塞的方法,改進成兩邊可以輪流輸放蒸汽,而使蒸汽的力量能夠應用於活塞的來回轉動,這種情形的機器就叫做複動機。一七八二年,瓦特獲得了回轉式和複動機的專利權。

一七八八年,瓦特又發明了遠心調速的自動速度調節裝置。這是蒸汽機轉動得太快的時候,可減少汽筒的蒸汽量降低速度;相反地,轉動速度慢了。它也會促使蒸汽機提高速度,也

瓦特的蒸氣機模擬動畫

就是自動地保持蒸汽機的轉動在一定的速度上,這種裝置等於是今日工業自動化的先驅。

除了發明蒸氣機之外,瓦特還發明了一種透印版的印刷,用來複印他工作上的大量圖紙、文件;瓦特也是第一位在機械製圖上採用圖紙著色,用色彩來代表不同的部位或不同用途的材料,這個方法一直沿用至今。

工業革命浪潮的推手

1785年,由於蒸氣機和其他的發明的重大成就,瓦特被選為倫敦皇家學院的會員。瓦特成功了,既是大老闆又是舉世聞名的科學家,可是他往後的日子呢?沒有在科學技術上做出更多的貢獻,反而用他權威的身份,去壓制其他蒸氣機的發明。瓦特曾經反對去推廣霍恩布魯渥發明的「雙筒蒸汽機」,又極力地壓制特列維蒂克發明的「高壓蒸汽機」。這些事讓這位被譽為「蒸汽大王」的瓦特,在人格上蒙上一層陰影。

無論如何,瓦特的發明和改良,讓蒸氣機通用於各種工業用途,產生穩定、大量而有效率的動力來源,進而帶動整個歐洲的工業革命,改變人類的歷史,讓人類擺脫對於水、風等自然力的依賴。1819年秋天,瓦特以83歲的高齡,悄然離開人世,世人對瓦特蒸氣機有一段讚譽:「它將人類孱弱的手武裝起來……以一種不可限制的力量,完成對事物的控制,並為未來機械力的奇蹟奠定了基石

圖片來源:

http://www.geocities.com/Athens/Acropolis/6914/wvae.htm