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产业革命在中世纪时的萌芽

http://www.newdu.com 2017-08-28 《科学》 Terry S.Reynolds 参加讨论

通常认为这次革命是在十八、十九世纪期间蒸汽动力出现时开始的。现在看来,显然在这以前很久,水力机械就已起过重要作用。
    近代工业的起源常常只追溯到十八世纪末叶和十九世纪初期。那时,首先是在棉纺织工业,后来又在其它工业中,以蒸汽为动力的机器代替了手工操作。这一时期通常称为产业革命。这个名词强烈地意味着与前几世纪相比,生产的发展有一个明显的突变。
    水力在中世纪和近代欧洲初期的历史中表现出的情况则不同。在十八世纪以前很久,有动力装置的机器已经开始代替手工劳动。在欧洲的一些地区中,这种代替那时已经是以相当规模在很多行业中进行了。这也就是说,应把欧洲工业之兴起看作是一个发展过程,该过程至少应从八、九世纪欧洲技师们放手在生产过程中使用水能时开始算起。
    虽然水能可以用各式各样的装置来利用,但最普通的装置当然还得数装有若干叶片或水斗的轮盘。这种轮盘既可垂直安装,也可水平安装。直到十九世纪三十年代发明水轮机以前,水平安装的轮盘一直是两种型式中较简单的一种。在早期水平安装的水力碾磨机中有一根垂直轴,它的下端装有一个带有叶片的小小的水平轮子,轴的上端不经传动装置而直接与一块旋转的磨石相连。这种碾磨机造价很低,提供的动力通常不大于一头驴或一匹马(小于一马力)。所提供的那点动力还大部份被浪费掉了,因为运转效率只有5%到15%。 水平式碾磨机还不象垂直式那样易于改装,用于磨粮食以外的其他工作。因此,它在欧洲早期以水为动力的工业的发展中并未起到重要作用。
    垂直式水轮却起过重要作用。它有两种主要类型:下击式和上击式。下击水轮较为简单。它有一些装在轮周上的扁平径向叶片,靠水轮下面的水流冲击推动叶片而获得动力。这种下击水轮几乎可以在任何河川中工作,只要有足够的以适当速度流动的水。不过在狭窄的河道中其工作最有效。它的一般输出功率为水平式的3到5倍(即大约2到3马力),其效率则可达20%到30%。
    在上击水轮中,水是从轮子的上方流入轮子圆周上的“水斗”,不是靠水的冲力,而是靠它的重力使轮子转动。每个“水斗”在轮子的底部将水排出,空着返回顶部重新开始循环。一般地说,建造上击水轮比下击式或水平式更费钱,因为它需要一个水坝和一个架高的渠道,并且不能利用大流量的水。但对小流量的、水头为3到12米的水来说,它却能以50%到70%的效率运转,发出的功率在2到40马力之间(平均为5到7马力)。
    这是1556年出版的《金属的来源》(作者为Georgius Agricola)一书中的插图。图中的多功能矿石碾磨机由左上方的一个水轮带动。金矿石按下列步骤加工:首先用一个由凸轮提升的捣矿锤(C,在水轮左方)打碎矿石, 然后在水轮右侧的一对石制碾盘内把打碎的矿石碾成粉末,地面上有两个备用的半球形上石碾(d、e),它们中间是一个备用的下石碾,一个上石碾是倒放着的,以露出接纳碎矿石的孔,磨碎的矿石经过下石碾上的出口(h)进入三个沉淀桶(o)中的第一个。这些桶中的矿石粉浆用装在水轮轴上的牙轮(x)带动的桨来搅动。搅动把较重的黄金和较轻的杂质分开。最后杂质从最末一个沉淀桶的上部溢出。
    中世纪的水轮或者在一根垂直轴上水平地转动(图a),或者在一根水平轴上垂直地转动(图b、图c),水平轮(涡轮的祖先)称为挪威碾磨机,它的效率很低因而除了磨粉之外未被广泛使用。最早的垂直水轮(图b)称为下击水轮, 因为水在它的下面通过;它最主要的优点是成本低和安装简易。上击水轮(图c)通常要求水要有一个相当大的落差(3米以上)或者需要一座提供这样一种落差的水坝。古代的技师虽然发明了上击水轮和下击水轮,但两者都没有广泛建造。例如,公元前一世纪,在罗马技师Vitruvius 所著《建筑学》一书中谈到过一些很少采用的机器,其中就有一节描述过这种下击水轮。实际上,在各种古代史中已知书面涉及到水能利用的还不到12处。
    中世纪时,欧洲的社会和经济状况促进了对这类动力的需求,并开始朝着以动力机械代替手工劳动的方向发展。在改变西欧的技术趋势方面最关键的因素之一是修道院的制度,它是以St.Benedict早在六世纪时就已定下的规章为基础的。这些规章中有两条具有促进水能利用的作用。第一,要求修士们按照严格分配好的时间从事手工劳动、读书以及进行诸如忏悔、祷告之类的宗教活动;其次,要求修道院能自给自足,以把自己与尘世的影响隔离开来。
    这些规章促进了水能的发展,因为只有利用动力代替像碾磨谷物一类费时的手工劳动,修道院才能保持自给自足,修道士们才能有学习和祷告的时间。在发展水力方面最有作为的可能是西妥教团的修道士。到了公元1300年,西妥教团已拥有五百多个修道院。事实上,所有修道院都有水力碾磨机,很多修道院甚至拥有5台以上。
    中世纪时,西方另一个对水能的推广作出过贡献的社会阶层是封建贵族。贵族们看到采用水能后可以从农民那里获得更多的收益。在欧洲许多地区,贵族们迫使他们的农奴把谷物送到领主的磨坊去碾磨。最初仅限于谷物碾磨的这种垄断有时也扩展到其它采用水力加工的行业中,例如浆洗(羊毛织物的精整)等。于是,西欧两个主要的集团——教士和土地的领主——形成了一股扩展水力的势力。后来第三种集团,即商人阶级看到采用碾磨机有利可图,也加入了这股势力。
    中世纪时欧洲还有一些其他经济因素对水力发展作出过贡献。到了第七世纪,劳动力过剩的问题已经完全不存在。这个问题在高潮时曾折磨过罗马帝国,也曾妨碍过水力的采用。随后的劳动力短缺对采用水车之类节省劳力的装置起了促进作用。欧洲的地形可能对这一发展也起了作用。因为中世纪欧洲文明的中心位于江河流域盆地,这些江河流入比斯开湾、英吉利海峡和北海。这一区域内有着成百条具有相当恒定的水流的中、小河川,这对水力的开发是有利的。而古代文明的中心却是在地中海盆地,由于那里气候干燥,河水流量常常很不稳定和带有季节性。

(责任编辑:admin)
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