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工业革命—正传:21.雨山机车大赛

2018/1/14 1:57:55 来源:科学史评话 [ ]

上文书讲到了斯蒂芬逊主持修建了达林顿的铁路。原文qi-wen.com这条铁路还是很成功的。他同时也在争取曼彻斯特到利物浦的铁路修建权。但是议会辩论的时候,他表现不太好,导致被反对者攻击。最后议会没有通过铁路修建的法案。这也导致了他人生的最大一次挫折,他被开除了。

不过达林顿铁路的成功运营,使得他的声誉回升。最后人家不得不把他请回来,毕竟斯蒂芬逊父子是最有经验的铁路工程师。推荐qi-wen.com不过呢,达林顿铁路上一多半跑的是马拉货车,蒸汽车不占大头。这就让斯蒂芬逊父子很不爽。利物浦到曼彻斯特的铁路绝对不能再搞马拉货车了。不过这事儿他们俩说了不算,人家运营者非弄个马拉货车跑上去,你能怎么办呢?这是不能靠命令去阻止的,只能靠实力说话,假如蒸汽机车真的方便快捷,马拉货车自然就淘汰了。

切特莫斯沼泽中的道路

斯蒂芬逊父子俩大致上有个分工,儿子去管火车头,老爹管修铁路。老爹乔治·斯蒂芬逊碰上的最头痛的事儿就是自然环境的限制。在两座城市之间,有个大沼泽。网站http://www.qi-wen.com/按计划有7.6公里的路程要通过这片沼泽。大部分人认为沼泽是没办法修铁路的,到处是水,下边全是烂泥,还有好多水生植物经年累月一代一代堆在里边,火车一走,还不全陷进去啊。乔治在修建达林顿铁路的时候发现了一个问题。在完全水平的铁路上,10磅的牵引力可以拉动一吨的货物。假如有个0.5%的坡度,那么能拉动的重量就打了对折。因此铁路要求尽量保持水平。所以斯蒂芬逊就需要削平山头,或者架设桥梁。推荐http://www.qi-wen.com/沼泽当然可以用架桥的办法来解决问题。现在很多地方就是这么做的,因为沼泽湿地是非常重要的生态资源,尽量减少破坏。但是在当年,斯蒂芬逊那个时代,并没有这样的观念。而且全程架桥也太贵了,经费上是没办法承受的。

以前根本没人在沼泽地上修过铁路,这是破天荒的第一次。沼泽上首先是碰到很多水,一般来讲最彻底的办法就是把水排干。但是这显然是做不到的,工程量太大了。说明http://www.qi-wen.com/另外一种办法是填进去大量的沙土石头之类的。但是,下边还有大量的淤泥,淤泥是软的,时间长了要沉降的。现在施工的话,先要想办法排水,不全弄干了,起码铁路线附近要弄成干的。可以把部分的淤泥挖掉,重新填土。而且填土的顺序还有讲究,沙子,碎石,土壤这些层的性质都不一样,顺序不能搞错。当然啦,现在可以动用大型工程机械去挖掘。那时候是没有办法把淤泥全部挖走的。推荐qi-wen.com所以斯蒂芬逊才头疼呢。

后来,斯蒂芬逊观察到,周围的居民有办法在沼泽的泥地里行走。道理也很简单,脚底下绑个长木板之类的就行了。反正是加大接触面积,那么就不容易陷进去。所以斯蒂芬逊最后的解决方案就要多管齐下,先是动用200民工,在两边建排水沟,尽量把水排出去。即便如此,脚下的土地也还是很容易冒出水来,地下水位也很高。

第二步是组织大批人马往路线上填土,填进去砂石之类的东西。然后在地下铺上木材,铺上草。或者是拿柳条编成的大网,反正就是这一类长条形的东西,或者是面积大的东西,为的是尽量把铁路和火车的重量分散开,这样的话是可以防止沉降的。为了防腐,还撒了不少的煤焦油。下一步,再在上边堆泥土砂石建立铁路的路基。

1833年,火车穿过切特莫斯沼泽

这么干的话的确是可以解决问题,但是随之而来的麻烦是工作量惊人。切特莫斯沼泽地的环境非常差。有的地区积水很深,地形环境不利,导致排水不畅。大量的土石扔进去就像扔进无底洞一样。那也没办法,董事会的人也清楚,开弓没有回头箭,只能硬着头皮干下去。工人们干的也辛苦啊,大家都纳闷儿,这种地方一个人都没法站立,踩下去淤泥和水底生长的各种腐败的植物残枝败叶能一直埋到膝盖。这怎么能走火车呢?后来从利物浦拿来不少的焦油桶,埋在了底下,还盖上了很多石板。这下解决问题了,最艰难的路段就这么对付过去了。这条穿过沼泽的铁路一直沿用到今天,到现在仍然在上边跑火车,现代火车的重量比斯蒂芬逊的车重了好几倍,但是仍然可以安全的行驶。只是某些特别敏感的人会发觉,似乎这一段铁路是软的。列车振动的节奏和别的地方有区别。

橄榄山被人工切出一道峡谷

不光是这一段沼泽路段,后边还有大工程呢,那就是穿越橄榄山的工程。那是活生生要把一座石头的小山包切开一个大切口,人工制造一个峡谷。这条峡谷长两英里,有的地方深度超过了80英尺,大约是24米深,两边是直上直下的石壁,火车将从这个深沟里面穿越橄榄山。不得已用炸药吧,那时候用的都是黑火药,这总比人力要快点儿。

跨越桑基运河的高架桥,世界上第一座铁路高架桥,现在是英国的国家文物

整条路还修建了64座桥梁,路上要跨越很多的河流。火车要求尽量走直线,最好避免上下坡,否则要损失运力。桥梁都是用砖石结构修建的,跨越运河的桥梁还要考虑桥拱的宽度,太窄了严重影响船只通行。有的桥梁就没办法采用砖石结构,斯蒂芬逊用了铸铁横梁,很多地方斯蒂芬逊都是有创新的。当然啦,逢山开路,遇水迭桥,需要的人手就非常多。

斯蒂芬逊带领无数工人奋战在铁路工地上。这些工人不过都是些失业者罢了,是啊,从1825年开始,英国就在闹经济危机,很多商品价格暴跌都没人要,当然就有很多人失业啦。这是一次相对过剩造成的经济危机,就像课本上学到过的那种。英格兰银行的黄金储备从1070万磅降到120万磅,银行有70多家破产。最重要的棉布出口减少了23%,可见经济危机来势汹汹。不管修铁路有多苦多累,有工作就不错啦。

包工头负责招聘,过来一位应聘的。包工头一看,这位身体健壮,又粗又胖,手提哨棒,脑门儿倍儿亮。这是农民工?这是武松!

不管到什么时候,包工头都会尽量选能吃苦耐劳,能有把子力气干活的。一看这位,鞋子上全是泥,看来是个干活的人。行了,收下了。

过去在城里打工,修个房子修座桥,都是在人多的地方,唯独修铁路,一直在野外工作。工人们生活条件当然是很差的,自己搭个窝棚住。几年下来病死或者工伤致死的就不少人呢,每拖下去一天,就是无数的钱。董事会的人一直在催斯蒂芬逊,您快点儿吧,这都1828年了,开工多长时间了,我们陆陆续续投资46万英镑了,啥时候能建成通车啊?斯蒂芬逊两手一摊,快不了啊,除非给钱给资源,否则怎么加快啊。董事会说啦,拿破仑说过,他的字典里就没有不可能这个词。斯蒂芬逊鼻子差点儿气歪了,1821年拿破仑就死了,这都好几年了,坟头上草都好高了,别拿拿破仑说事儿。你们只要给我钱,给我人手给我材料,我能做到拿破仑也做不到的事儿,董事会也没辙。

没钱是万万不能的,不得已,董事会向利物浦政府贷款10万英镑。政府就要派人考察这条路的建设情况,铁路建设是没多少可说的,但是很多人在政府派出的工程师托马斯·特尔福特耳边说坏话,主要是说,蒸汽机车不灵,还是用马车比较靠谱儿。董事会里也有支持用马车的,这下又开始无穷尽的吵架了。

达林顿铁路的大股东爱德华·皮斯跟斯蒂芬逊是一伙儿的,他提议,你们组织代表团,到我们的达林顿铁路来实地调查一下看看再说。结果考察团认为,还是用固定蒸汽机车拉纤比较好。所以这也不能定纷止争。最后没辙,董事会出了个主意,来个比赛吧。是骡子是马拉出来溜溜,拉不出来的是驴。这是智慧与技术的较量,也是新观念与保守派的较量,意义重大,这场比赛势必会载入史册。

公司董事会决定,他们公开悬赏,征集一种最好的蒸汽机车。什么叫好蒸汽机车呢?根据速度、重量、马力、耗煤量、排烟量等指标进行综合打分,谁的分数高谁赢啊,胜者奖金为500英镑,这相当于乔治斯蒂芬逊当总工程师一年的收入,钱不老少啊。比赛的地点就在利物浦-曼彻斯特铁路已经完工的雨山段,时间是1829年10月份。路长一英里,比的就是来回跑圈。

悬赏告示一贴出,立刻就炸窝了,全英国甚至欧美的工程师们欣喜若狂,机会太难得了。这事儿既能展现自己的机械才华,又能拿到大笔的奖金,何乐而不为呢?各地的工程师们发狂了,外带不少铁匠跟着起哄,那年头不少工程师其实就是铁匠。学校里的学者也不甘寂寞,那些幻想家、发明家、哲学教授、机械工人、各色人等纷纷登场。民间隐藏的高人,类似扫地僧这样的纷纷出马。各种机车制造计划和方案甚至实物,源源不断的涌向利物浦铁路公司。铁路公司的人快招架不住了,拿过来一看,这个是减小机车摩擦力的方法,只用一根丝线就能拉动。那个是啥?那个是大马力机车,能够拉断碗口粗的绳索。还有的说机车采用氢气,氢气这玩意儿容易炸,这家伙也不怕爆炸。更搞笑的是有人提出不用燃料和蒸汽就能让机器循环运转,专家们一看,这不是永动机嘛。法国科学院1775年就提出永远不接受有关永动机的提案。尽管当时人们并不清楚为什么造不出永动机。但是这么多年来,各路神仙都试过了,没有一个能成的,本宇宙基本法则是出来混总要还的,怎么总想不劳而获啊。

卡诺

热力学的几个定律发现过程都很曲折,正是因为永动机始终都搞不出来,冥冥之中大家意识到,一定有什么规律在暗中支配着能量的转化运行。当时的人们可能没想到,解开热机效率之谜的那个人正在法国闷头研究呢,暂时还没人去打搅他,他叫卡诺,历史留给他的日子也不多了,他的研究成果要到半个世纪之后才能被人们所认识。我们后文书再提到他。

董事会组织的这个活动起到了非常大的作用,铁路这个新生事物,这么一折腾,等于宣传给了全世界,为英国铁路将来走出国门做出了贡献。

斯蒂芬逊父子当然很开心,罗伯特·斯蒂芬逊先前去了南美,回到英国先没回家,而是到处走访,把英国当时蒸汽机车的状况了解了一下,摸了个底。他心里有谱儿了,他家的机车肯定是最强的。别人还不如他家的呢。父子俩信心十足。精心准备,调试机车,就等着比赛的到来。

火管锅炉和传动系统

他们改进后的机车是用的所谓火管锅炉,也就是一个大水包,许多根管子在水包里边通过。燃料燃烧的烟气就从这些管子里面通过,把外边的水加热。烟气和水接触的面积越大,那么传热效率就越高。管子多,表面积就非常大,效率就非常高。有没有反过来的呢?水在管子里跑,烟气在外边。有啊,这叫水管锅炉,家用燃气热水器就是典型的水管锅炉。

燃烧的废气直接从烟囱排走,乔治·斯蒂芬逊偶然发现,加高烟囱就能提高效率,他也不懂这是为什么。可能北方的朋友,自己家生过煤炉子就会有体会,烟囱高一点,粗一点,拔烟效果就更好。上边烟拔得快,下边新鲜空气就不断补充进炉膛,里边烧得旺,火力就大。这是因为烟囱里面有一管子高温的烟气。这一管子高温烟气比周围的冷空气要轻得多,当然会有很大的浮力。现在这个拔力是有经验公式可以计算的,跟烟囱高度成正比。也和冷空气的密度以及烟气的密度有关系,归根到底是温度差,温度差越大,拔力越大。

火箭号、新奇号、无敌号

经过第一轮的淘汰,有5辆机车进入了下一轮。“新奇号”,自重2吨;“无敌号”,自重4吨;“火箭号”,自重4吨;“独眼巨人号”,自重3吨;“坚定号”,自重2吨。新奇号的颜值最高,一下就获得了大家的青睐。长得漂亮就是有好处啊。而且表现也不错,第一天人家飙出了28公里的时速,但是锅炉爆管子了,而且修了半天没修好。第二天新奇号就瘸了,带伤上阵,还能跑到15英里的时速。但是又一次出了故障。不得不推出比赛。

独眼巨人号原理图

负责搞笑的是独眼巨人号,别的车都是喷烟吐火的蒸汽机车,独眼巨人号不是,人家是一辆马车,说马车也不正确,人家是在车上装了个跑步机,然后让高八尺,长丈二的大洋马在跑步机上跑,然后带动车辆前行。能允许这种车上来凑热闹,真是服了这帮评委了。跑不了几步就不行了,直接退出比赛。

坚定号

坚定号一开始就坏了,连修了5天都没修好,最后一天的比赛是参加了,跑出了每小时10英里的速度,最后拿了一个安慰奖,26英镑。无敌号,几乎跑完全程,但是最后一刻锅炉烧坏了,不得已退出比赛。但是落选的选手未必没有好运,有人盯上这辆车了,发明人蒂莫西·哈克沃思还接到了两个订单,算是没白来啊。

火箭号模型

斯蒂芬逊父子的火箭号则是表现完美,没有出任何故障,稳稳当当以19公里的时速跑完全程。大家虽然觉得这辆车长得不好看,但是不得不佩服人家的动力性能。这辆车主要是儿子罗伯特的功劳。这父子俩成了世界上最大牌的铁路工程师。围观的人群里边有不少的外国铁路专家,从此蒸汽火车开始得到全欧洲的青睐。各国开始大力发展火车,连美国也不例外。

在利物浦到曼彻斯特的铁路线上,后来火箭号再创纪录,跑出了57.6公里的时速,铁路之父的桂冠就戴在了乔治·斯蒂芬逊的头上。英国掀起了建造铁路的狂潮,狂飙猛进二十多年,英国正式商业运营的铁路也从几十公里猛增到上万公里,并且影响了全世界的运输格局。

斯蒂芬逊的头像被印在了钞票上

虽然乔治·斯蒂芬逊功成名就,但是他心里还有一个小小的隐痛。这个隐痛导致了他与科学家群体的隔阂,他从不相信那帮伦敦的科学家。因为之前他们闹出过一场专利纠纷。直到最近,1833年,议会才宣布斯蒂芬逊的设计和戴维爵士是不一样的,并没有抄袭的问题。那么到底是什么纠纷纠缠了十几年呢?

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