第十讲 铁路

1.用蒸汽机带动车船

蒸汽机为煤矿场提供了动力源，但与此同时，新兴的纺织工厂仍然选择了水力。

事实上，瓦特为了让蒸汽机走出矿场，应用于更多场景，之后又做出了几项改进。包括离心调速仪（图10.1中的Q），通过离心力控制阀门，当机器过快时减少蒸汽输入，过慢时则增加蒸汽，使得机器的转速保持均匀。还有一套连杆装置（图10.1中的O），把活塞驱动的直线往复运动转换为匀速圆周运动，从而适应更广泛的动力需求。

关于如何把往复运动转换为圆周运动，瓦特公司还发明了一套“太阳与行星齿轮系统”（图10.2），有人对这一发明评价非常高，因为让动力转换为圆周运动才可能让蒸汽机走向纺织厂等其它舞台。但其实直线运动改圆周运动并不需要瓦特才来发明，瓦特之所以要发明这套齿轮系统，是因为更简单的方案——曲柄和飞轮组合——已经被被人抢先注册专利，用于改良版的钮可门式蒸汽机了，瓦特想共用此专利但没谈拢，最后依靠其公司员工威廉·默多克（他还是煤气灯的发明人）想出了替代方案，绕开了曲柄的专利。

将蒸汽机用于各种工厂并不是瓦特的创意，而是当时的普遍需求，制约蒸汽机普及的技术因素主要还是转速均匀性的问题（瓦特的协调器仍不够有效）；制约蒸汽机普及的经济因素则是燃料和产品的运输成本问题，煤矿可以就地取材获得源源不断的燃料来产生蒸汽，但其它地方就不得不考虑运输问题了。

这两大问题都是要等待火车的发明，一方面火车意味着小型化的高压蒸汽机成熟，高压蒸汽机的输出更加稳定，解决了动力均匀性的问题；另一方面铁路的建设大大降低了运输成本，这样才终于使工厂和蒸汽机结合在一起。

说起火车，先要讲讲铁路，铁路（轨道）的历史远比火车（蒸汽机车）更久远。

早在古希腊，人们就建立了一条穿越科林斯地峡的运船轨道“笛耳各斯”（Diolkos）（图10.3），希腊人通过滑轮等装置，在石质通道上拖动船只。

供马车通行的轨道也早已有之，中国秦朝修建的直道可能就有对轨道的利用。在欧洲，主要则是从16-17世纪开始，广泛使用木质轨道加速马车通行（图10.4）。18世纪末到19世纪初，随着炼钢产业的技术革新，钢铁的质量提高，成本降低，木质轨道逐渐替换为铁轨。

在英国这些铁轨特别流行，主要是连接矿场和码头，可以迅速把矿产送往水路。

矿场内部当然也遍布铁轨，甚至有人利用重力加速，在废弃矿场修建出刺激的“过山车”，例如法国人专门为路易十四修建了一套名为“大轮盘”的轨道系统。

至于用蒸汽机来带动交通工具，在瓦特之前就有许多人在努力开发了。在1769年，法国人库钮制造了一架蒸汽三轮车（图10.5），当时这架4吨重的机车以每小时4公里的速度晃晃悠悠驶上街头，并很快酿造了世界上第一起机动车交通事故（图10.6）。随后就因为危害公共安全而被法国政府禁止。

早期的蒸汽机车尝试很难成功，因为早期的蒸汽机都是依靠大气压（或常压蒸汽）做功，我们知道压强一定（1个大气压）的情况下，压力与面积成正比，因此常压蒸汽机要取得足够大的动力，体积势必非常庞大，很难被装在车上。

不过，船只倒是可以突破尺寸的限制，因此最早实用的蒸汽动力交通工具是轮船。

所谓“轮船”，是因为早期的蒸汽船都是靠明轮带动的。苏格兰人在1801年和1803年有两艘蒸汽船下水试航（图10.7），航行还算成功，但因为顾虑可能对河道产生破坏而最终搁置。1807年，美国人富尔顿将蒸汽船成功地商业化了（图10.8、图10.9）。在河网密布的美国内陆，蒸汽船扮演了举足轻重的角色，并在之后配合铁路，成为美国西部大开发的动脉。

2.工业革命的集大成者

因为压强一定的话，推动力取决于活塞的面积，那么要缩小蒸汽机的体积而又保证强力输出，就要让高压蒸汽取代常压大气来做功。包括瓦特在内的许多发明家都在往这一方向研究，瓦特公司的那位优秀员工默多克设计出了模型车。但实用的蒸汽机车不只需要灵感，更需要更精密的铸造工艺。瓦特等人未能让高压蒸汽机实用化，第一个实用的高压蒸汽机，要等到特里维西克在1800年左右（或说1797年）完成（图10.11）。一经完成，特里维西克很快就把高压蒸汽机用到了车辆上，在1801年制造了第一辆蒸汽机车，他命名为“喷气恶魔”（Puffing Devil）（图10.12）。

在第一次成功上路之后仅3天，“喷气恶魔”就出了事故，因发动机过热引发火灾，最终烧毁，特里维西克认为是驾驶者的操作失误。

1803年特里维西克又造出了一台载客机车，命名为“伦敦蒸汽马车”（London Steam Carriage）（图10.13），在伦敦附近试运营。但它速度并不快（1小时10公里左右），乘客还需要忍受轰鸣和颠簸，跑起来时整条路上的马车全都要受惊避让。更不幸的是，当天晚上它又出了车祸，撞毁了街边房屋的护栏，让投资者对特里维西克失去耐心。

祸不单行，同年，特里维西克的另一架被用于抽水的固定式蒸汽机发生了更大的事故，汽缸爆炸造成4人死亡，特里维西克仍然把问题归咎于操作失误，但瓦特和博尔顿却抓住这一事件大造舆论，宣传高压蒸汽机不够安全。

之后特里维西克继续多方推销，但因为当时为马车准备的路面和轨道都过于脆弱，承受不住蒸汽机车的重量，仍然事故频发，因此处处碰壁。

1808年，找不到投资人，走投无路的特里维西克想要直接向公众推销，像马戏团那样在伦敦街头搞起了节目，名为“谁能抓住我”（Catch Me Who Can）（图10.14、图10.15），参观者要花1先令买票，就可以体验乘坐或追逐火车。但运行过程中地面多次塌陷，特里维西克不得不不断加固轨道，修缮费用越来越高，而人气却越来越低迷，直到2个月后的一次出轨事故之后，特里维西克关闭了这一项目。

1811年，特里维西克的公司终于破产，虽然在商业化方面最终失败，但蒸汽火车实用化的可能性已经得到证明。

后继者有许多，其中最成功的是1814年开始建造火车的史蒂芬森（George Stephenson），他先把火车用于煤矿运煤（图10.16）。

史蒂芬森注意到早期火车事故频发的问题，因此他的着眼点并不只是火车头，他还对车轮和铁轨进行了改进。他使用凸缘轮，从而更稳定地与轨道咬合；缩小轮子并增加了轮子的数量，以便重量更均匀地分布；使用更坚固的铸铁制造铁轨。这样即便火车一次运载30吨煤，也安全可靠。

除了火车头和铁轨，史蒂芬森更关注整个铁路生态的建设，他设计了双向线路，启用了信号系统和列车时刻表。

1821年，史蒂芬森加入了在斯托克顿和达林顿建设铁轨的项目（图10.17），最初铁轨只是为了马车设计的，而在史蒂芬森的努力下，这条铁路最终兼容火车，成为第一条公共运输的铁路线（1825年建成），火车与马车都能行驶。

世界上第一条专跑火车的铁路线，是1830年开通的利物浦到曼彻斯特铁路（图10.18）。也是由史蒂芬森主持建设的，火车带动多节车厢，可以运载许多乘客（图10.19）。为了让铁路尽可能水平，施工时逢山开洞，遇水架桥（图10.20），导致费用远超预算，好在最终还是圆满完工了。

虽然在开幕首日的运行中就出了大事故，利物浦市一位议员因为擅自下车而被撞死，但铁路还是很快流行起来，在1840年前后全英国兴起了建设铁路的热潮（图10.21）。

在英国，铁路网的形成标志着工业革命的集大成，第一条商用铁路是利物浦到曼彻斯特并非偶然，利物浦是大型港口，而曼彻斯特是当时的“棉花之都”，是棉纺织业最集中的城市。

铁路出现之后，更加速了工厂的扩张，工厂终于不再依赖于水力驱动和运河运输，从而可以脱离河流的束缚，可以在人口密集的地方开设。如此一来，工业化与城市化也达成了统一，工人这一新兴的市民阶级也开始崛起。

铁路连接起钢铁业、蒸汽机、纺织业、资本主义与城市人口增长，以上恰是工业革命以来最突出的成就，在这些领域之成果的共同作用之下，铁路的发明才得以可能，同时，铁路的流行又进一步推进了这些领域的发展。

铁路很快走出英国，在全世界扩张。与英国本土不同的是，对其它许多国家而言，铁路反倒先于工业化而到来。根据各国发展程度和地理状况的不同，铁路的影响也各有不同，在此不再赘述。