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创新简史 打开人类进步的黑匣子

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本书作者:赵炎 (作者)

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按照阿尔文•托夫勒(Alvin Toffler)的划分方法,从约1万年前开始的农业文明阶段是第一次浪潮,从17世纪末开始的工业文明阶段是第二次浪潮,从20世纪50年代后期开始至目前为止兴起的信息化(或服务业)则是“超工业文明”浪潮——第三次浪潮。

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第二波实际上包括两次工业革命 在19世纪60年代至19世纪中叶的第一次工业革命中,出现了飞梭、珍妮纺纱机、马桶等发明,并应用于生产和生活实践。 然而,詹姆斯·瓦特蒸汽机的发明及其产业化是最有影响和深远的创新。

创新简史 打开人类进步的黑匣子 电子书推荐分享 第1张1763年至1764年间,瓦特利用修复格拉斯哥大学课程教学中使用的纽科曼蒸汽机模型的机会,致力于设计和制造高效蒸汽机的创新探索。 1765年,瓦特构思了一种独立冷凝器的设计,将汽缸与冷凝器分开,完全解决了汽缸在冷凝器中蒸汽温度降低的同时保持高温的问题。 然而,为了将理论模型转化为实际产品,对于仪器制造商来说,可以想象会有财务和制造上的困难,瓦特从此走上了蒸汽机创新的艰难之路。 这个实验花了很多钱,但是效果不好。很快他就负债了。

这时,瓦特被介绍给约翰·罗巴克(John Roebuck),使得瓦特的蒸汽机向前迈出了重要一步。 罗巴克是著名的库伦炼铁厂的创始人,一位对科学研究有着无与伦比的热情的企业家。 罗巴克投资于煤矿开采,需要高效水泵排水。 知道瓦特的发明后,罗巴克帮助他偿还了1000英镑的债务。 他们还签署了一份合同 合同规定,荣巴克将为蒸汽机的研究和工业应用提供资金,并保留三分之二的利润作为报酬。 正是这份合同为瓦特的蒸汽机开发提供了一个技术创新平台。

经过努力,瓦特终于获得了第一项历史性专利:1769年1月分体式冷凝器的发明。 然而,新蒸汽机的建造是困难的。即使是苏格兰一流工厂卡伦钢铁厂(Karen Ironworks)拥有的优秀设备,也无法满足瓦特的制造要求。 1769年9月,第一台瓦特蒸汽机样机完成,但结果令人失望。 加工技术的缺陷和优秀技术工人的缺乏限制了瓦特蒸汽机功能的实现。 蒸汽机未能达到预期的实际效果。 这时,罗巴克也陷入了经济困境,实验又停止了。 在接下来的几年里,瓦特只能通过勘测和修建运河来养活家人。 1773年,罗巴克破产了 幸运的是,富商马修·博尔顿此时出现了。

波顿是“英国一流的工厂主”,并以最新的机器和熟练工人建造了一个模型工厂。 博尔顿几年前听说了瓦特的发明,并对此极为关注。 罗巴克破产后,合同转让给了博尔顿 博尔顿的冒险创业精神鼓励他继续投资于这种创新技术。 瓦特蒸汽机的创新最终可以在一个全新的领域继续发展。 博尔顿非常重视研发工作。他认为自己是蒸汽机的“助产士”。 瓦特再次投入实验,用一个高精度的铸铁气缸代替了发动机的锡制气缸,这是博尔顿企业家朋友约翰·威尔金森用他在1774年初发明的新镗床加工的。 瓦特蒸汽机的发展终于取得了显著的进步。 在博尔顿技术工人的帮助下,到1774年11月,机器终于能够正常运行,其性能大大超过了当时现有的市场机器。 在创新技术利基的孵化中,瓦特的蒸汽机终于从概念逐渐转变为现实。

1775年,他们成立了“瓦特-波顿公司” 该公司以发明权作为总股份,瓦特占1/3,博尔顿占2/3。 尽管该公司生产了少量的蒸汽发动机原型,但在随后的蒸汽发动机大规模生产中,整个机器是由卖方自己或其他工厂制造的。瓦特公司主要出售专利权使用权,负责整机设计方案、加工指导、装配、整机指导和操作维护,以及工人培训。这些都是工业研究实验室的特点。 本公司不仅进行基础研究(汽化潜热、整机工作原理等)。),还进行技术开发(如将往复运动转化为旋转运动,自动控制转速等。),并进行整个蒸汽机产品的研发。 这实际上是一个股份制的工业研究实验室。 (1)博尔顿为瓦特的蒸汽机提供了更优越的创新成果产业化平台 根据法国历史学家保罗·曼图克斯的说法:“博尔顿给瓦特的是资源和几乎大工业的力量。” “

蒸汽机测试的成功鼓舞了瓦特和波顿,但艰难的产品测试也耗费了大量宝贵的时间。 到1775年,分体式冷凝器的发明专利权只剩下8年的时间了(英国1624年颁布的《垄断法》规定新技术专利权不得超过14年)。然而,批量生产并从销售新机器中获利可能需要大量投资和很长时间。 如果失去专利保护,这种投资的风险就太大了。

独立冷凝器是瓦特最重要的创新,也是瓦特蒸汽机的核心价值。 有鉴于此,他们放弃了申请新专利,并通过了提交“个人利益法案”的请愿书,希望延长分体式冷凝器的专利期限。 博尔顿要求下院议员提出申请,并写信给当时的商务部长达特茅斯勋爵寻求帮助。 经过调查,政府于1775年5月颁布了一项法令,将专利权的期限从1783年延长到1800年。 显然,政府并不局限于规则。政府的灵活政策也将导致瓦特蒸汽机的后续创新和成功。 政府延长专利期限的正确决定有效地保证了瓦特蒸汽机的未来市场应用,激发了瓦特继续改进和完善的决心,也巩固了他与博尔顿合作的基础。这对瓦特-博尔顿公司具有决定性的意义。 这也反映了政府政策对新技术成功产业推广的巨大引导和支持作用。 一点也不担心的[·波顿终于可以自由投资这个项目了。 据估计,博尔顿在蒸汽机的研发上投资了4万多英镑。 这在当时是一个天文数字。 有商业头脑的[·博尔顿很快在1775年找到了发动机的买主,并说服瓦特在那一年设计和制造了两台商用发动机。 两台机器都非常成功。他们的煤耗不到当时牛科曼机器的三分之一。 其中,布鲁姆菲尔德煤矿的一台蒸汽机在投入使用时也举行了仪式,这在1776年3月11日的《阿里伯明翰新闻》中有报道。 也许由于议会专利的延长,这种泵被命名为“议会发动机” 通过示范项目,瓦特的蒸汽机这一新技术已经得到测试和完善,并向客户展示。

创新简史 打开人类进步的黑匣子 电子书推荐分享 第2张

当时,虽然瓦特的蒸汽机大大提高了性能,节约了煤炭,但这种优势对煤炭资源丰富的煤矿主来说并不十分重要。此外,有必要为瓦特-博尔顿公司使用新机器支付额外的特许权使用费。因此,在煤矿区推广新机器并不容易。 瓦特和博尔顿把注意力转向康沃尔的铜矿,那里的煤炭价格非常高,而且随着煤矿越来越深,纽科曼机器很难运转。 因此,康沃尔铜矿的工程师在参观了“议会发动机”泵后,立即意识到了它的价值。

康沃尔铜矿不同于煤矿的工业需求,为瓦特蒸汽机提供了难得的新市场机遇。 从那时起,与“议会发动机”型号相同的泵就一直在进口。 瓦特和博尔德采用的商业模式是向客户收取版税:除了机器的制造成本和安装成本之外,瓦特蒸汽机的泵送效率与纽科曼蒸汽机的泵送效率相比较,泵送水节省的燃烧成本的三分之一作为报酬。 这需要相当精确的量化,这不仅是销售蒸汽机的商业模式,也贯穿瓦特的研发过程。 (2)

在康沃尔的铜所有者习惯使用瓦特的蒸汽机后,他们对不得不支付的高额专利费越来越不满。 1780年,该县的矿主请求议会取消专利权。 这场诉讼持续到1799年。

在那些困难的日子里,瓦特-波顿公司一直在努力赚钱。 为了摆脱困境,波顿在1780年出售部分房产后,通过抵押贷款向伦敦银行家筹集了17,000英镑。他还在发动机特许权税的担保下从其他地方的银行家那里筹集资金。 面对巨大的债务压力,技术人员瓦特退出了。 然而,作为一名企业家,博尔顿尽一切可能为新蒸汽机的研发筹集资金。另一方面,他仍然在积极思考蒸汽机的新市场应用。

基恩·波顿(Keen Bolton)发现,许多磨坊主都期待使用蒸汽驱动的磨坊,并立即预见了旋转发动机在磨坊中的市场应用前景。 在他的推动下,瓦特相继发明了几种从蒸汽机获得旋转运动的方法。 1781年,瓦特获得了他的第二项专利,即“太阳与行星”齿轮连杆机构,它将发动机的直线往复运动转化为圆周运动,从而驱动其他工作机器运行。 这是瓦特蒸汽机创新过程中的重要突破之一。 从那时起,瓦特的蒸汽机已经从一台改进的火力机器变成了一台通用动力机器,其应用范围也相应地大大扩大了。 旋转蒸汽机发明背后的驱动力与其说是发明家瓦特,不如说是具有卓越市场意识的企业家博尔顿。

接下来,在1782年,继第三次重大技术革新——使用双向气缸并直接利用蒸汽膨胀推动活塞运动的双作用发动机的产生之后,瓦特的蒸汽机与纽科曼的蒸汽机有着完全不同的工作原理,并已成为真正的瓦特发动机。 1784年,瓦特获得了他一生中最自豪的并行传输专利。 该装置大大提高了发动机传动系统的稳定性和耐用性。

瓦特的蒸汽机通过不断的技术创新得到了完善,已经成为一台高效的机器。市场上使用了60多年的纽克门机器,为瓦特蒸汽机的全面应用开辟了道路。 与0.5%的新型热机热效率相比,瓦特蒸汽机热效率达到4.5%,热效率提高近10倍。

随着瓦特-波顿公司在工业上的广泛应用,它终于在1786-1787年还清了所有债务,并开始从巨额投资中获利。 1790年,慷慨的专利税使瓦特成为一个富人。

在英格兰和苏格兰的炼铁工业中,瓦特的蒸汽机驱动鼓风机、轧机和蒸汽锤。这些机器的轰鸣声是这个行业的特点。 在煤矿里,它被用来抽水和把煤运到地面。 蒸汽机也用来驱动面粉厂,如面粉厂、啤酒厂的麦芽厂、制陶业的燧石厂等。 其中,伦敦的阿尔宾工厂(albion Mill)在社会上带来了广泛的影响,已经成为旋转发动机的好广告。 1790年,工厂在一周内研磨了价值6800磅的面粉,这在当时是一个奇迹。 英国纺纱工业的快速发展也为蒸汽机的应用带来了市场。 1785年,罗宾逊棉纺厂率先使用瓦特的蒸汽机纺纱。在那之后,其他大型纺纱厂主一个接一个地使用它。 从1794年起,蒸汽机逐渐被引进保守的毛纺厂。 (3)

后来,又传来了一个好消息 经过与铜矿所有者的长期诉讼,政府再次捍卫瓦特的蒸汽机专利权。 1799年,合伙企业收到了超过3万英镑的未付版税。 在此期间,尽管有竞争者也开发了蒸汽机,瓦特-博尔顿公司受到专利权的保护,从而成为唯一生产和销售蒸汽机的企业。这一优势也给了他们不断改进瓦特蒸汽机的机会。 美国经济学家道格拉斯·诺斯(Douglas North)认为,工业革命之所以能够在英国领先,是因为它建立了一个有效的产权(尤其是知识产权)保护体系

瓦特的蒸汽机专利于1800年到期,64岁的瓦特选择退休。 此时,英国的矿山、金属加工厂、纺织厂和啤酒厂已经运行了496瓦蒸汽机,包括308台旋转蒸汽机、164台泵和24台鼓风机。 到1830年,蒸汽机的应用可能如下:大工厂使用了更多瓦特的机器;蚱蜢和台式蒸汽机通常用于小型企业;在矿山和水利工程中,特里维西克的高压蒸汽机通常用来输水。在航运中,是侧杆蒸汽机推动汽船的开启轮。铁路蒸汽机车的应用仍处于初级阶段。 (4)

相比之下,与英国隔海相望的法国在1820年只有30台蒸汽机,到1848年已经增加到5400台,总功率为65000马力。到1869年,它已经飙升到32,000台,总功率为320,000马力。

自18世纪末以来,瓦特的蒸汽机终于取代了英国的液压发动机和牛科曼蒸汽机。它不仅形成了巨大的蒸汽机产业,而且对其他工业部门产生了巨大、广泛和深远的推动作用。 创新技术使工厂能够从河流转移到人口稠密的城市或资源集中的地方,极大地促进了社会生产的进步和发展。 英国1700年的煤炭产量约为300万吨,随着蒸汽机的引进,总量增加了一倍,达到1800年。 到1850年,蒸汽机已经成为英国工业的主要驱动力。煤炭年产量增加到1700年的20倍,充分显示了创新在推动发展中的巨大作用。

蒸汽机发明后,不仅纺织工业中的水力机械很快被排除在外,几乎所有工业部门的水力机械和动物动力也逐渐被排除在外。 到1835年,英国棉纺织业使用的蒸汽机至少提供了30,000马力,而液压动力只有10,000马力。 1839年,英国纺织业使用的蒸汽动力增加到74,000马力,而液压动力下降到28,000马力。 到1850年,手工织布机几乎完全灭绝,基本上被机器织布机(主要是蒸汽动力织布机)所取代 到1856年,英国棉纺织业使用的蒸汽机功率已经达到88,000马力,而使用的水轮功率已经下降到9,130马力。

蒸汽机也很快在世界运输业产生了巨大的扩散效应。 1771年,法国的朱纽成功开发了一种高速公路蒸汽运输车。1807年,美国发明家富尔顿开发了第一艘实用的蒸汽船——科莱蒙号,并成功驾驶。1814年,英国的斯蒂芬森成功研制出第一台实用的蒸汽机车——机车,并于1825年成功改进和测试了“旅行”(Travel)。现代大型蒸汽机车的功率可以达到几千马力。 无论从技术原理,还是从工业革命的具体历史,或者从它们在生产实践和科学实验中的实际作用来说,把瓦特的蒸汽机称为工业革命的代表、象征、关键和核心技术都不过分。 (5)

从19世纪中叶到20世纪中叶,人类目睹了第二次工业革命。 在此期间,科学开始对工业产生巨大影响,大规模生产技术得到了改进和应用。

自从人类社会最早的时候,机器就被发明了,例如轮子、帆船、风车和水轮。 然而,这些发明与科学家和理论研究者没有什么关系 其中大部分是由有经验的工匠在日常工作中逐步探索和积累而成的。 学者们的工作主要是计算地球绕太阳飞行需要多少天,或者用棱镜分解阳光,或者用死青蛙的大腿发电。 总的来说,它仍然局限于纯理论领域。似乎所有这些都是奇怪的,巧妙的和炫耀的,没有实际用途。 当时,人们并不理解技术成果产业化的概念。如果有人建议将科学知识用于经济和工业发展,那会让人发笑。
然而,这种情况在第二次工业革命期间发生了很大变化。 人们研究了“创造发明的方法”,并逐步建立了这一体系。 机械设计和制造的进步不再是偶然的,而是系统的和不断增长的。 从那时起,人类知道我们将制造越来越完美的机器。这些机器比以前更快、更高、更强大。我们甚至可以计算出这些机器与旧机器相比有多快、多高和有多强。 这是前所未有的

自1870年以来,几乎所有工业领域都受到科学的影响,如冶金、通信、石化、地质勘探、机械生产等。即使在农业领域,无机肥料的生产也受益于科学和大规模的生产方法。 其中,最突出和最具代表性的例子是亨利·福特(Henry Ford)发起的“装配线”生产模式(详见第1章第2节)

事实上,随着工业创新的进步,人类社会乃至地球世界的各个方面都受到了影响:生产的组织形式发生了变化,手工工厂被一个等级固定、规格良好、组织形式严密的机器工厂所取代;生产力迅速提高,物质生活大为丰富。正因为如此,地球人口也以前所未有的速度增长。城市化已经成为一种趋势,人口从农村向城市大规模迁移,这在历史上是前所未有的。人们的生活节奏正在加快,农村家庭之间的亲属关系逐渐被城市的社会交流所取代。阶级分化,历史舞台上的无产阶级;人们对自己的力量有着前所未有的信心,相信“人类将征服自然”。然而,与此同时,贫富之间也出现了两极分化、住房拥挤、环境污染和动物灭绝…

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